摘要：联合循环是当今动力工业发展的方向之一。联合循环电站具有热效率高、调峰性能好等特点,在世界范围内发展很快。联合循环机组启停频繁，直接影响机组寿命。本文对联合循环机组汽机启动过程中的热应力控制进行了分析。
关键词：汽机；起动；热应力，温度变化率；
由于电网调峰的需要，并受天然气的供应情况影响，燃气一蒸汽联合循环机组启停非常频繁。这种运行方式对联合循环电厂的设备，尤其是汽轮机的寿命造成了很大的影响。
一、联合循环汽轮机的技术特点
自20世纪80年代以后燃气-蒸汽联合循环电站快速发展,由于它具有快速启动等优越性和承担调峰运行,这就要求联合循环中的汽轮机也需要具有这些特点,对传统常规电厂中的汽轮机提出了许多新的要求,主要体现在以下几方面:
1.排汽流量大。联合循环中的汽轮机一般不设回热系统,其进汽全部由低压缸排入凝汽器,对于双压或三压系统,汽轮机中间级还有中压或低压补充进汽,使排汽流量比进汽流量还大20%左右。因此联合循环中的汽轮机低压缸模块容量和凝汽器面积要大很多。
2.节流调节,滑压运行。联合循环汽轮机在配汽上采用滑压运行方式,适合于快速启动和调峰运行,提高汽轮机变工况运行的循环效率。同时在变工况时,由于是滑压运行,热力过程线在焓熵图上右移,末级所处的蒸汽湿度也不至于过大,使运行更加安全。
3.配置旁路系统。联合循环电站在调峰运行时需要机组频繁启停,由于燃机启动快,汽机启动慢,系统通常设有旁路系统,回收多余蒸汽,并且一般在汽机主汽门前的旁路系统中进行一级减温减压,在冷凝器喉部进行二级减温减压。由于有了旁路系统,汽轮机滑参数启动更加方便,使得整个联合循环电站启动时间大大缩短。对于汽轮机多压进汽系统,需要考虑设置多套减温减压系统。另外在汽轮机故障停机时,余热锅炉蒸汽直接排入冷凝器。因此冷凝器的冷却面积要根据汽机旁路的设计容量来确定,在要求100%旁路容量时,冷凝器体积较常规的要大得多,使成本增加,为此在冷凝器设计时采用了具有较高冷却效果的螺纹管,可使当量冷却面积提高20%以上,使冷凝器的整体体积减小。
4.采用数字电液控制系统。实现调节、控制和保护快速、灵活、精确,适应快速启停和变工况频繁的要求。
二、起动过程的热应力控制方式
随着原材料、应力分析和计算机控制方面的技术进步，通过更完善的操作控制可以极大程度地降低出现严重故障的可能性。汽轮机控制系统的自动汽轮机起动(ATS)功能可实时计算高温转子应力，并对汽机起动、升负荷等控制加以限制，使其满足汽机热应力要求，提高机组运行寿命。然而在某些模式下，如机组调试初期或余热锅炉特性有所变化时，可能会采用手动方式起动汽机。ATS不进行控制，而只是提供指导，操作人员将更直接地面对控制系统并做出可影响热应力控制的决定。即由操作人员决定汽机的升速速率、目标速度，这些参数可以通过查曲线的方式算出，也可以参照ATS的操作指导。无论何种方式都以制造厂提供的周期寿命曲线、变温曲线等为基础，决定汽机的升速、升负荷和变负荷。鉴于手动控制在起动过程中，不涉及允许条件的满足与否，系统协调不如ATS完善，制造厂并不推荐使用该方式起动汽机。但由于了解手动方式能更深入地掌握热应力控制策略，且其也涵盖了ATS的控制原则。因此，文中对手动方式做主要介绍，自动方式只简单涉及。
三、手动起动汽机的热应力控制策略
1.起动过程的状态划分。汽机起动按照不同的主蒸汽温度、第一级金属温度，分为热态、温态和冷态。
具体的划分如下：热态：第一级金属温度大于371℃；主蒸汽温度同第一级金属温度的之差大于一73℃，小于176℃}在以下图纸中以卜出现。温态：第一级金属温度大于204℃，小于371℃；主蒸汽温度同第一级金属温度的之差大于一17℃，小于176℃；在以下图纸中以卜出现。冷态：第一级金属温度小于204℃；主蒸汽温度同第—级金属温度的之砉驮于一17℃，小于315℃；在以下图纸中以卜出现。在主蒸汽温度或第一级金属温度出现异常时，将不允许汽机起动，同时出现报警显示。
2.起动曲线简介。图1典型锅炉特性曲线。图中的曲线表示第一级金属温度从起动到一定负荷的变化过程；图2高压部分循环寿命曲线。循环寿命损耗是指一个完整的循环(任何起动和停机，任何两个方向的负荷改变，或使第一级金属温度超过38℃的变化)对出现裂纹所起的热应力作用。曲线是以函数(1)每循环百分比表示的转子表面循环寿命损耗，函数(2)理想的金属温度变化量来表示的温度缓变率曲线。图1和图2确定总体第一级金属温度缓变率。即实际操作中，选择的循环寿命百分比所对应最大允许热应力温度变化率。
由主蒸汽和主汽压力决定的第一级金属温度目标值。当蒸汽开始进入汽轮机时，如果在所允许的范围内，蒸汽温度与汽轮机的金属温度不匹配，则很可能会产生过大的热应力。横坐标表示决定的第一级金属温度目标值，纵坐标表示目标值同当前第一级温度之差对应的温度匹配，斜线表示当前第一级金属温度对应的温度匹配(最大温度允许变动值)。
4. ATS热应力指示。为减少运行人员在手动起动汽机过程中的压力，ATS系统根据主蒸汽温度、第一级金属温度等参数计算出汽机推荐速率和转子应力指示。在转子应力画面中，有汽机高压部分表面和内孔温差显示，在应力计算有效的前提下，上述两个显示依据实时数据计算相应的应力值，当该值小于10℃是时允许汽机进行下一步加速或升负荷；同时在机组主控画面中，有推荐的加速值显示，ATS内部宏模块通过对蒸汽温度和金属温度的计算，给出推荐的加速率，在实际起动过程中，该推荐值即最大加速率，当该值接近6％～8％／min时，允许汽机进行下一步加速或升负荷。
5.ATS自动运行。在ATS控制方式下，运行人员只要按“AUTO”，“AUTO START”即可实现机组从盘车到并网的自动起动过程。在此方式下，ATS控制会根据主蒸汽温度、第一级金属温度自动选择冷态、温态或热态，相应地汽机暖机时间可能较手动方式长。
四、燃机排气温度控制
为减少汽机热应力产生，汽机起动过程中，要求进口主蒸汽温度必须比第一级金属温度大93℃，而汽机进口主蒸汽温度基本等同于燃机排气温度。因此，在起动阶段，汽机第一级金属温度作为排气温度的参考引入燃机控制。当燃机带最小负荷时，若汽机第一级金属温度加上93℃仍小于排气温度，且燃机不处于预混燃烧模式，燃机将增加IGV(进口导叶)的角度，由于IGV角度变化对于燃机负荷影响最小，因而可以使燃机保持最小负荷不变的同时，达到冷却排气温度目的。此时，IGV的控制设定值即为同汽机第一级温度匹配的排气温度。当燃机排气温度达到该值时，IGV仍将保持控制，直到汽机起动完成后复位。必须注意的是，燃机排气温度最低不能小于371℃，若该温度仍大于匹配的排气温度，鉴于汽机冷起动不是非常频繁，在可以接受的循环寿命损耗内，燃机将保持371℃的排气温度。
通过以上介绍的控制策略，大致可以了解联合循环机组汽机在起动过程中的热应力控制。总体而言，通过控制汽机主要部件的温度、温度变化率，可以很大程度地降低汽机热应力，提高汽机运行寿命。
参考文献：
[1]李涛.联合循环发电技术的发展及在我国的应用前景[R].中国动力工程学会第六届学术年会论文集,2018.
[2]李力.联合循环机组启停过程中汽轮机转子热应力控制及运行调整.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司[R].2018.