任春
四川广安发电有限责任公司?四川?广安??638000
摘要：本文基于转子应力-温差公式计算快冷中冷却空气与转子金属之间允许温差；采用有限元方法对超超临界机组高压汽缸和转子整体进行停机冷却模拟；分析快冷过程中的温度和应力变化，预测冷却时间；评估快冷过程中的寿命损耗。
关键词：超超临界；汽轮机；灵活性
1 汽轮机快冷方式
经典的快冷方式是压缩热空气快冷。采用空气加热设备将滤清、除水后的压缩空气加热为干燥热空气，经快冷接口输入汽缸本体。根据冷却空气与工作蒸汽流动方向可分为逆流和顺流两种冷却方式。典型顺流冷却方式为高压缸冷却空气由主阀后疏水管引入，经高压缸排汽缸疏水管排出。逆流冷却方式即冷却空气与工作蒸汽流向相逆流过汽轮机通流部分。
筒型高压缸形式的1000MW超超临界机组目前在国内同类机组中占有率最高，筒型缸具有温度梯度小、滑销系统顺畅等特点。该机型采用了常温空气快冷方式:拆除高压阀门和中压阀门的快冷接口(位于主阀与调阀之间)的闷板，接入快冷滤网。由于凝汽器的抽吸，接口周围的冷空气进入汽轮机，沿着通流方向冷却汽轮机，最终进入凝汽器。
超超临界机组正常停机或者故障停机时，进入第一阶段冷却，待高压转子温度降到380 ℃时方可投入快速冷却，正常停机时可以采用滑参数冷却或自然冷却，故障停机时只能采用自然冷却。第二阶段冷却则是冷空气快冷，以调阀开度来控制冷却空气的流量，实现较均匀的温降，制造商要求冷却的温降速率不超过7℃/h，一般快冷后期温降速率偏小，所需要流量也更大。待高压转子温度下降至100℃左右，则完成快冷，可停盘车开展检修。
超超临界机组高压缸在快冷阶段的主要测点为高压内缸进汽区90%金属温度测点。需要说明的是，转子无法布置测点，测得的转子温度实际上是由内缸测点温度根据相关算法推算得到，与转子真实温度有一些差异。
两种汽轮机快冷方式的对比见表1。冷空气快冷方式相比于压缩热空气快冷，设备简单，操作方便，不过冷空气带来的初始温差达360℃左右，对阀门阀座、叶片和转子等冷冲击更大。
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2 快冷允许温差的解析解
快冷过程中，冷却空气与转子金属之间允许温差可以用公式来计算。汽轮机的寿命损耗取决于热应力大小，而热应力的大小是由冷却空气温度与金属温度之间的温差决定的。可以通过严格控制冷却空气与金属之间的最大允许温差避免产生冷冲击。
快冷过程中，选高压转子进汽区应力释放槽作为转子热应力和寿命损耗的校核截面。名义热应力的经验公式为：
式中，?ΔT为冷却空气与金属之间的温差，K；?Bi为毕渥数；?R为转子半径，m；?α为传热系数，W/(m2·K)；?λ为金属导热系数，W/(m·K)；?E为弹性模量，MPa；?v为泊松比；?β为线胀系数，1/K。
考虑到转子关键截面存在应力集中，其局部最大应力σmax为:
式中，?n为安全系数，可取1.5；?Kth为应力集中系数。
利用有限元方法对1000MW超超临界机组的高压转子应力释放槽的应力分布进行计算，得到该机组高压转子应力释放槽的应力集中系数Kth为2.25。
当最大应力σmax≤200MPa时，寿命损耗可以忽略。因此，从寿命损耗准则考虑取最大许用应力为[σmax]=200MPa。可得冷却空气与转子金属之间的最大允许温差为:
参考西屋公司600MW汽轮机快冷试验数据，在采用压缩空气强制冷却时，介质对高、中压缸在300℃～500℃的对流换热系数最大不超过10W/(m2·K)，在100℃～300℃的对流传热系数最大不超过20W/(m2·K)。对于非压缩常温空气，其换热系数更小。
1000MW超超临界汽轮机通常在转子温度下降到380℃时投入快冷，利用式(3)可得此时最大允许温差[ΔTmax]=310K，该冷却空气与转子金属之间允许温差较600MW超临界机组高，主要得益于更小的换热系数、应力集中系数和线胀系数等。
根据该结果，要求快冷空气的温度应达到70℃以上，即常温空气原则上不满足要求。不过，有限元模拟表明，由于轴承油的强冷却效果，转子冷却比汽缸快，空气和转子温度之间的实际温差比根据汽缸测点推算出的温差明显低，因而也能满足冷却空气与转子金属之间允许温差的要求。
因此，常温空气快冷可以被应用到超超临界汽轮机中。
3 有限元模拟
3.1?有限元建模
对1000MW超超临界汽轮机的高压缸全模型进行有限元建模，包括高压外缸、高压内缸、高压转子等。以轴对称模型进行计算，采用二阶四边形单元。转子应力释放槽等关键部位的局部网格细化到1mm，具有较好的精度。
汽缸、转子的换热系数对汽缸、转子的温度场计算影响很大，在快冷过程中，可以使用下面的经验公式计算相关换热系数:
式中，?λ为冷却介质的导热系数；?d为流道的直径； Re为雷诺数，Pr为普朗特数。
有限元模拟的准确性则通过电厂运行数据来验证，模拟得到的自然冷却至开缸所需时间、自然冷却至可投快冷所需时间、快冷中的温度变化等与电厂实际数据均符合较好。
3.2?自然冷却阶段模拟
停机后自然冷却计算结果表明:停机自然冷却后，汽缸和转子的温度趋于均匀。
由于转子两侧有轴承油的强冷却源，转子的冷却速度显著快于汽缸。实际转子温度相比于根据汽缸上温度监控测点所推算得到的转子温度明显偏低。因此，实际控制时可将开缸温度准则提高些，高压缸温度测点温度低于390℃可投入快冷，测点温度低于120℃可开缸。
停机53h后，汽缸温度测点低于390℃，可投入快冷。此时转子最高温度较汽缸温度低70℃，常温空气快冷的空气温度为20℃～30℃，则冷却空气与转子金属之间的温差为300K，小于由式(3)得到的最大许用温差[ΔTmax]=310 K，因此，常温空气快冷满足冷却介质与金属之间允许温差的要求。
自然冷却满足开缸条件，大约需要270h，即11.3天。自然冷却耗时长，也验证了快速冷却的必要性。
3.3?快冷阶段模拟
停机后冷却过程中第一阶段采用自然冷却，第二阶段快冷分别采用常温空气快冷和压缩热空气快冷两种方式。
第一阶段，自然冷却至390℃后投入快冷。第二阶段，冷空气通入后温度降低明显加快，大约92h后(总时间)可满足开缸条件，大大缩短了停机检修时间。在冷空气快冷过程中，由调门开度控制进气流量，由于真空抽吸的动力有限，最大流量一般小于100m3/min，在后期冷却速率变慢，很难做到均速下降。
压缩热空气快冷的初始空气温度为300℃，之后冷却空气温度逐渐降低。第二阶段的温度下降曲线更均匀，且可以利用压缩空气的压力来达到足够的冷却流量和不同的冷却速率。
参考文献
[1]?曾纪添.大型汽轮机快速冷却技术研究综述[J].汽轮机技术，1997，39(5):267-277.