亚临界中间再热抽汽背压式汽轮机启动关键技术研究

亚临界中间再热抽汽背压式汽轮机启动关键技术研究

李振1，陈大贵2

（1.涡阳国淮新能源有限公司；安徽 亳州 236800）

（2.潮州深能甘露热电有限公司；广东 潮州  521000）

摘要：本课题通过研究背压变化时对汽轮机主要运行参数的影响，为了找出背压汽轮机在不同负荷工况下运行时，热电负荷的变化对汽轮机的影响，分析了汽轮机在不同热电负荷下，背压的变化趋势，并分析了由背压变化给汽轮机所带来的影响。最后得出了由于热电负荷的变化会导致汽轮机轴向推力发生变化的结论，并对关键运行参数在不同工况下的变化趋势进行分析，找出其变化规律，最后通过合理分配热、电负荷比例等方法，对可能出现的关键故障加以预防和解决。

关键词：亚临界；中间再热；背压；启动优化

中图分类号：TK263.8

0 引言

亚临界中间再热抽汽背压机组是提高背压供热机组热经济性的重要技术方向，相对于目前的高温高压背压机组，其在经济性上具有较大优势。本文结合某省内首台亚临界中间再热抽汽背压式机组的调试启动进行简要的分析研究，研究成果将在实际工程中得到应用，对亚临界中间再热抽汽背压机组的调试启动起到一定借鉴意义。

该项目采用亚临界参数（16.6MPa/566℃）作为汽轮机进汽参数，蒸汽品质高，高压缸做功后的蒸汽进入到锅炉再热器加热，再热后蒸汽一部分供中压热网供热，绝大部分进入中压缸做功，在中压缸某级后抽出部分蒸汽供两段抽汽进入回热系统，其余绝大部分蒸汽继续膨胀做功后排入低压供热系统，实现了机组的零冷源损失，蒸汽能量的梯级利用。

1 工程简介

本工程设计规模为1台220t/h（最大250t/h）亚临界超高温（17.5MPa,570℃）带中间一次再热循环流化床炉配置1台1×B35-16.6/566/440/0.785背压式汽轮发电机组。本期热电厂供热范围内，存在中压蒸汽负荷与低压蒸汽负荷两种，其中中压蒸汽负荷主要通过老厂高温超高压CB20机组来满足，本期新建机组通过减温减压器作为中压蒸汽负荷的备用汽源。主要热负荷需求为低压蒸汽负荷，低压热负荷基本为生产工艺用汽，用汽压力基本要求在 0.4～0.6MPa之间。中压蒸汽热负荷的供气参数为3MPa，300℃，低压蒸汽的供汽参数为 0.785MPa(a)、246℃。

2 汽轮机背压相关故障分析

如果汽轮机背压发生变化，会直接使汽缸内温度和压力的状态发生变化，如果变化较为剧烈，就会对汽轮机两大方面的故障产生一定的影响，而这又是我们不得不考虑的重大问题，下面就简要对这两方面的故障进行分析：

（1）如果由于热电负荷的变化导致汽轮机背压发生的变化比较大，就会使汽缸内温度的分布发生较大的变化，即出口和进口的温差发生变化，这时汽轮机转子沿轴向的温度分布就会有剧烈的波动，如果汽缸内沿转子轴向的温度变化量超过转子所能承受的正常范围，那么就会使转子发生严重的热弯曲，影响转子的对中度，使转子对中不良，转子运转不平衡，进而导致转子与轴承发生剧烈的动静碰摩，使转子的局部温度进一步快速升高，最终会导致转子永久性弯曲以及机组剧烈的振动等一系列的严重问题。

（2）根据汽轮机的结构分布可以看出，如果背压发生变化，还会使蒸汽在汽轮机出口处的压力发生变化，而这时蒸汽在汽轮机入口处的压力保持不变，就会使转子所承受的前后差压发生变化，从而导致转子所受到的轴向力发生变化，如果转子沿轴向所受到的不平衡力超过了限定值，就会使汽轮机转子发生轴向位移，轴向位移如果过大，超过安全值，将导致转子动静部分产生碰摩，加剧机组振动，甚至产生严重事故。

从以上分析可见，汽轮机背压的变化对汽轮机一些故障的影响还是比较大的，所以研究汽轮机背压变化对汽轮机相关关键故障的影响是如何变化的，应该如何调整解决问题还是具有其现实意义的。

3 汽轮机启动过程优化研究

3.1 汽轮机低压排汽并低压热网动态过程的研究

严格控制排汽压力，将背压控制在限制曲线范围内，以保护末级长叶片结构安全，是火力纯凝发电机组在启动过程中的重点关注项之一。对于背压式汽轮机而言，启动过程中排汽压力的选择也是一个值得商榷的话题。定背压启动和向空排汽启动是当前两种可选的主流方案。

所谓定背压启动，即在整个启动过程中，启动排汽向空排汽阀保持全关状态，排汽至低压热网阀处于全开位置，机组排汽全部流入供汽母管(热网)，机组背压为热网压力。该启动方式操作简单，但在冲转时，机组处于小流量高背压状态，易产生通流级鼓风过热问题，给机组带来安全性风险。

所谓向空排汽启动，即在启动冲转前，先将启动向空排汽阀保持全开状态，而将排汽至低压热网电动隔离阀置于全关位置。启动初期，蒸汽直接排向大气，将机组背压保持为大气压或微高于大气压;而待升至一定负荷后，一般为20%～30%负荷，此时缓慢关小启动向空排汽阀，蒸汽排汽压力会逐渐升高，直至稍高于热网压力而顶开低压热网电动隔离阀。至此，机组的背压将由大气压过渡为低压热网蒸汽压力，机组完成了背压切换任务，而后可正常进行升负荷操作。采用此方式可缓解鼓风过热问题，但在冲转及背压切换前的阶段又会面临损失排空蒸汽以及排空噪音污染的问题。

目前，对于背压较低的机组，如背压低于0.5MPa（a），可在电厂尝试进行定背压启动;但当背压值较高时，为安全起见，电厂多采用向空排汽启动方式。本项目由于处于工业园区内，且排汽背压较高，故采用向空排汽启动方式。

3.2 汽轮机高压缸排汽背压主要控制方法的研究

机组并网后，在低负荷阶段尽量不要过久停留，快速升负荷，增大汽机进汽量，同时高压缸排汽压力也会随之上升，当高压逆止阀前压力大于再热热段蒸汽压力时，高排逆止阀能够顺利顶开，为高压缸排汽建立通道，防止因排汽不畅造成高压缸鼓风摩擦发热。

3.3 排汽背压变化对汽轮机运行参数影响的研究

当排汽背压出现了一定的变化之后，对于汽轮机组的运行参数是有直接的影响的，这其中最主要的是对汽轮机组的热损耗影响比较大，同时对汽轮机组的耗煤量也有一定影响。之所以产生这种影响，主要是因为以下几个因素：机组负荷、流量以及循环水温度等。

当排汽背压过低时，末级动叶片的蒸汽接近临界状态。动叶片的喷嘴会承受偏离正常方向的作用力，这个作用力进一步体现在汽轮机的轴向推力的增大，引起轴向位移、轴振动推力瓦温度的增大，有可能会造成机组轴位移和轴振动大联锁停机。甚至会损害推力瓦块，严重了会使汽轮机转子轴向串动，引起动静摩擦损坏机组。汽轮机转速的控制也会产生波动震荡，不利于机组的控制。

当排汽背压过高时，为了机组稳定运行则必须降低负荷运行，若要保证机组额定负荷运行，则必须增大进汽蒸汽流量，使各压力级过负荷，同时轴向推力增大，热损耗和耗煤量也增加。不利于机组的经济性。还会引起排汽温度升高，低压缸排汽缸变形，从而造成机组振动增大，不利于机组的稳定性和安全性。

排汽背压的变化一定要注意控制在曲线范围之内，调整主蒸汽压力、温度、背压、排汽温度等参数，兼顾汽轮发电机组效率。综合考虑汽轮机动静部分金属材质及高低负荷运行实际工况，防止汽轮机背压出现极限情况，影响机组安全稳定运行。

3.4 再热式背压机组启动方式优化的过程研究

单阀控制方式，即所有进入汽轮机的蒸汽都经过几个同时启闭的调节阀后进入第一级喷嘴，也称节流配汽方式。节流配汽的汽轮机在工况变动时第一级的进汽度是不变的，因此可以把包括第一级在内的全部级作为级组，也就是说除了工作原理不同外，调节级与其余各级并无其他区别。采用节流配汽的汽轮机在设计工况下调节阀全开，机组的理想焓降到最大值；低负荷时调节阀关小，减少汽轮机的进汽量，主蒸汽受到节流作用使第一级级前压力下降，其值与蒸汽流量成正比。此时，汽轮机的理想焓降减小但并不是很多，可见节流配汽主要是通过减少蒸汽流量来降低负荷。当然，理想焓降的减少虽然不是很多，但仍然使机组的相对内效率降低，且负荷越低，节流损失越大，机组效率也就越低。因此，节流配汽方式的应用范围不太广泛，一般用于小功率机组和带基本负荷的机组。高参数、大容量机组在启动初期为使进汽部分的温度分布均匀，在负荷突变时不致引起过大的热应力和热变形，也经常使用节流配汽方式。当该启动方式暖机时间和启动时间都较长。

顺序阀控制方式即蒸汽经过几个依次启闭的调节阀后再通向第一级喷嘴，也称喷嘴配汽方式。这种配汽方式在运行当中只有一个调节阀处于部分开启状态，而其余的调节阀均处于全开(或全关)状态，蒸汽只在部分开启的调节阀中受到节流作用，因此，在部分负荷时喷嘴配汽方式比节流配汽方式效率高，蒸汽同时进入高中压缸冲转转子这种启动方式可以使汽缸和转子所受的热冲击减小，加热均匀，启动时间也短，尤其是高中压缸合缸的机组分缸处加热比较均匀。所以被广泛应用。采用喷嘴配汽方式时，第一级喷嘴的通流面积随着调节阀的开启数目不同而变化。调节级的变工况特性也和其余各级有很大区别。当调节级通流面积改变时，蒸汽流量将发生变化，达到调节机组负荷的目的。同时，在部分开启的调节阀中蒸汽流量受到节流作用，改变了理想焓降，但因流经该阀的蒸汽流量只占总流量的一部分，因此蒸汽焓降的改变对机组功率的影响较小。

本工程经过几次会议讨论后最终决定采用高中压联合启动（根据杭汽汽机厂提供资料，暂定高主门与中调门联合TV/HIP高调门与中调门联合1：1的比例开启），高低压旁路自动方式投入。结果表明，采用顺序阀启动方式，利用高低压旁路，可以做到全周进汽，加快暖机，使汽缸和转子受热均匀。避免在暖机和带初负荷期间停留时间过长，可能会因背压变化而导致汽轮机出现极限情况。密切注意调整锅炉主蒸汽参数和汽机背压参数，做到安全性、经济性。

3.5 机组启动过程中汽机与锅炉参数的动态调整

本期工程锅炉和汽机为单元制机组，故可以实现在冷态时滑参数启动，随着汽机电热负荷的升高逐渐增大锅炉负荷，使锅炉负荷不断适应汽机负荷需求。锅炉启动阶段，汽包向空排阀门打开，待汽机冲转定速后，逐渐关小向空排阀门。后期可通过高压旁路与高压减温减压器配合，使锅炉和汽机负荷处于一个相对匹配的状态。

4 结语

本课题的研究对象仅为热电联供汽轮机，虽然具有一定的代表性，但是考虑到汽轮机的 多样性，所以在整体上还有所欠缺，如果能对不同结构不同功能的汽轮机都进行分析，不断 补充和丰富相关的数据库，那么所得到的结果将更为可信。总之，对抽汽背压式汽轮机热电负荷的变化对汽轮机相关故障影响的研究是一个极具现实意义的重要课题，无论对于工程应用还是理论研究都有着重要的意义。但是由于问题本身的复杂性，所以本文对于该课题的研究还只是阶段性的，仍存在很多的不足，希望以后能够不断的去完善。

参考文献：

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[5]费卓, 范圣波，朱文凯. 50MW背压式汽轮机降背压运行实践研究：东北电力技术，2020（03）

作者简介：

1.李振（1989-），男，安徽阜阳，中级工程师，主要从事汽轮机调试技术工作。E-mail:1358341651@qq.com

2.陈大贵（1997-），男，广东潮州，助理工程师，主要从事燃气机组热工维护技术工作。E-mail:1038244856@qq.com

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