广东中山嘉明电力有限公司 528400
摘要：为缩短大型汽轮机停机后汽缸冷却冷却时间，某电厂GE燃气-蒸汽联合循环S109FA型机组采取多种冷却方式，包括滑参数停机、以及对汽轮机增设快速冷却装置，使冷却时间大大缩短。通过对比不同案例，分析其经济效益。
关键词：汽轮机；快速冷却；滑参数；快冷装置
1．前言
大型汽轮机组目前多采用自然冷却的方式，以GE燃气-蒸汽联合循环S109FA机组为例，正常停机后汽轮机缸温在550℃左右，停运盘车条件是缸温低于250℃，过长的冷却时间不利于机组快速消除缺陷。特别是电力市场改革后，对发电机组调峰运行提出更高的要求，某电厂未应对这一情况，对汽轮机增设了快速冷却装置，并结合滑参数停机，使冷却时间大大缩短。
2．汽轮机冷却方式
2.1正常停机冷却
S109FA联合循环机组正常停机过程，随着燃机负荷的降低，汽轮机负荷逐渐降低，当燃机排烟温度低于566℃时，关闭高压主汽门，关停汽机，后解列燃机。正常停机机组解列约30分钟，停机后汽缸温度接近工作温度，达到550℃。转速到零后盘车投入运行，转子以每分钟4转的速度转动，带动汽机叶片转动，形成一定的气体流动。汽轮机本体主要通过导热方式与环境热交换，自然冷却降温。
2.2 滑参数停机冷却
S109FA联合循环机组汽轮机从额定参数和额定负荷开始，改变燃机负荷，使汽轮机负荷逐渐降低，降低蒸汽参数。随着蒸汽参数降低逐步退出低压和中压并汽，并退出汽轮机的“压力控制”模式，保持高中压主汽门全开。在燃机排烟温度低于566℃时，投入机组“温度匹配控制”，可以控制燃机的排烟温度为设定值，逐步降低燃机排烟温度从而降低主蒸汽温度，达到使用蒸汽冷却汽轮机的目的。
待主蒸汽参数接近371℃时，解列发电机，机组打闸停机。滑参数停机冷却方式，缩短了缸体冷却时间，但是滑参数停机方式，停机过程机组效率降低，且汽轮机会出现负差胀，既汽缸膨胀大于转子膨胀，容易造成机组振动增大，甚至水冲击。但停机后，汽缸温度大大降低，有利于缩短汽机冷却时间。
3．快速冷却装置
3.1快速冷却装置简介
滑参数停机冷却后，汽轮机缸温仍高达370℃，远未达到250℃的停盘车条件。某电厂因此增设了一套快速冷却装置，与滑参数停机相结合，加快缸体冷却速度。该套快冷装置采用压缩空气为冷却媒介，顺流模式，即空气流动方向与蒸汽流动方向一致。
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图1 快速冷却装置示意图
工艺流程图如图1，冷却气源取自本厂压缩空气母管经过冷却装置本体的两个加热器，将压缩空气加热至与汽轮机缸温温相差50℃左右，加热后的压缩空气从高中压主蒸汽闸阀前的疏水管道进入，根据汽缸温度逐步设低压缩空气的温度，达到冷却汽轮机汽缸的作用。
据上海交通大学进行汽缸冷却速度及温度变化做有限的应力分析计算，汽轮机高中压转子材料为 30Cr1Mo1V，高压缸的金属温度高于300℃时加热后的压缩空气与金属温差一般控制在小于等于50℃，对汽轮机的寿命几乎没有影响。
3.2快速冷却装置成本
快速冷却装置成本主要分为一次建造成本，以及使用成本。
一次建造成本包含快冷装置本体、供气管道以及施工费用，合计约40万元。
由于加热器极限温度在350℃，故必须在汽缸温度低于370℃后方可投用。由于压缩空气取自大气，冷却媒介成本为0，考虑压缩空气带来的用电量，根据实际运行情况，并不需要单独多开一台空压机，只是运行空压机加载频率更为频繁，折算成本为0.5万元；而本体加热器用电量按最大功率240KW计算，用时约26小时，折算成本为0.2万元，二者合计使用成本为0.7万元。
4．案例分析
4.1冷却效果分析
对比同一机组不同冷却方式下，采集汽轮机高压缸上缸温度做对比分析。
案列一：自然冷却；
案例二：滑参数失败（510℃）+投入快冷装置；
案例三：滑参数成功（370℃）+投入快冷装置。
将汽轮机冷却分为两个阶段。第一阶段是由550℃冷却至370℃，此阶段汽缸温度较高，压缩空气达不到相应的温度冷却，只能使用蒸汽冷却，也就是滑参数停机的方式冷却；第二阶段是由370℃冷却至250℃，此阶段温度已经降低至可投用经加热的压缩空气冷却。采集数据及汽缸冷却趋势图如下。
表一 不同冷却方式用时
图2 汽缸冷却趋势图
从表一分析可知：
案例一由550℃冷却到250℃需要120小时，前期从550℃ 冷却到370的阶段，冷却时间为64小时，冷却速度每小时2.8℃。后期从370℃降到250℃阶段冷却时间为56小时，整个过程冷却速度下降到每小时2.5℃，且随着缸温降低，缸体与环境热交换趋缓，下降1℃耗时更长。
案例二由550℃冷却到250℃只需90小时，前期采取滑参数停机，但因状态异常，缸温在510℃时中断，冷却到370摄氏度用了52小时，缸温达到370℃后投入快速冷却装置，由370℃冷却到250℃只用了38小时，整个过程冷却速度每小时3.33℃。
案列三由550℃冷却到250℃只需48小时，第一阶段采取滑参数停机的方式，从550℃冷却到370摄氏度只用了10小时，冷却速度每小时18℃。后期投入快速冷却装置，从370℃冷却到250℃只用了38小时，整个过程冷却速度每小时6.25℃。
从以上案例分析，使用滑参数停机和快冷装置相结合的方式，大大缩短了停盘车等待时间，以自然冷却和成功滑停两个案例比较，为缺陷的快速处理争取了宝贵的72小时，缩短了检修工期，减少了机组故障造成的损失。
4.2经济效益分析
某电厂机组正常带负荷运行，按现行基数上网电价统一为每千瓦时0.665元，加上长协电量、月度竞价、月度转让以及调频辅助市场收益，扣除天然气费用、人力成本及其他设备运行成本，平均一天收益约40万元。而使用滑参数停机方式，随效率降低带来的成本增加，一次成功的滑参数停机成本约为22万元（滑停期间发电收益扣除天然气费用）。
根据《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》和《南方区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》，机组在电网报备用后，即使不带并网，72小时后仍可获得冷备用补偿25元/兆瓦时，某电厂机组额定负荷为390MW，则机组报备72小时后一天收益23.4万元。
快速冷却装置本次计算只考虑使用成本，每次使用折合用电量以及压缩空气成本在0.7万。
经济效益从以下几个方面分析：
1.若检修机组根据市场预测，报备后有较大机会开机，希望缩短检修工期，则采用滑参数停机以及投入快冷装置，可获得收益计算如下：
【收益】=【缩短检修工期】X【运行收益】-【滑参数停机成本】-【使用快冷成本】
则收益=3天（72小时）× 40 – 22 - 0.7=97.3万元
2.若检修机组预计不具备并网带负荷运行条件，但具备报中调恢复备用条件，采用滑参数停机与投用快冷装置冷却结合的方式比自然冷却方式缩短工期72小时，机组长期备用比自然冷却方式多收益3天冷备用补偿费用，共计70.2万元，扣除滑参数与快冷装置成本可收益47.5万元。
3.若检修机组计划检修工期较长，时间充裕，则采用正常停机方式，汽缸自然冷却的形式，达到经济效益最大化。
5．总结
通过分析不同冷却方式案例，采用滑参数停机与快冷相结合方式可使冷却时间缩短约72小时。结合机组实际运行条件，采取不同的汽轮机缸体冷却方式，可缩短的检修工期，提高机组方式的灵活性，获得可观收益。快速冷却装置充分利用机组现有的设备，用较少的改造成本，带来了长远的收益，可作为同类汽轮机的参考。
参考文献：
[1]山西省电力工业局，汽轮机设备运行[M].北京：中国电力出版社
[2]陈良哲.《增设汽轮机快速冷却装置/提高停机速率成果报告》[M]，2017
作者简介：
陈志军，出生年月：1991年05月。