第三章单元机组调峰运行及寿命管理

1、第三章 单元机组调峰运行及寿命管理§3.1 单元机组调峰运行一、电网负荷分析 电网负荷曲线机组按年负荷率和年运行小时数可分为两类：承担基本负荷机组；调峰负荷机组。1.基本负荷机组 承担最低负荷线以下的部分，机组年运行小时数超过7000h，年负荷率90以上。 要求满负荷长期高效率满负荷稳定运行。如大型核电、火电、水电机组。 2.调峰负荷机组 承担最低至最高负荷线之间（即峰谷差）部分，分两类： 1) 尖峰负荷机组：承担平均负荷线至最高负荷线的部分。年运行小时数不超过2000h，年负荷率低。机组应能随时迅速启停。通常为中小型火电、水电、燃气轮机、柴油机机组。2) 中间负荷机组：承担最低负荷

2、线至平均负荷线的部分。机组年负荷率4050%，年运行小时数约为20004000h。应能在夜间长时间稳定运行而效率下降不多，或按两班制运行。通常为大容量火电、水电机组。二、火电机组调峰性能要求 良好的启停灵活性。夜间低谷负荷时，机组能及时停机或带低负荷稳定运行，次日早晨迅速再启动并按电网要求变负荷运行。因此，机组应有良好的协调控制系统，热态启动时间短，启停热损失和寿命损耗小。良好的低负荷运行性能。最低连续稳定运行负荷：燃煤机组40%MCR；燃油机组25%MCR。快速的负荷变化能力。机组负荷变化率应大于5%MCR。较高的热经济性。 三、调峰机组的运行方式 l 两班制启停方式 l 两班制低速热备用方

3、式 l 两班制调相运行方式 l 变压运行方式 1.两班制启停方式 白天运行，夜间停机8h以内，清晨高峰负荷时再重新启动并网。 优点：调峰幅度大，低谷负荷时间长时经济性好。缺点：交变热应力大，故障可能性大。2.两班制低速热备用方式 电网低谷负荷时解列后，用蒸汽驱动汽轮发电机组低速旋转，处于热备用状态。优点：启动时金属温度高（相当于极热态），负荷适应性好，操作简单。缺点：消耗低压蒸汽，需维持低速运转时的转速稳定。 3.两班制调相运行方式 又称为电动机方式。指调峰时停炉、停机，但发电机不解列，以电动机方式带动汽轮机以额定转速转动。此时，发电机从电网中吸收电能，用以克服汽轮机的机械摩擦损失，同时向电网

4、补偿无功功率。优点：在向正常带负荷运行方式过渡时，机组无需并网；金属温度变化小，启动时金属温度高（相当于极热态），负荷适应性好，操作简单。缺点：高速旋转下产生的鼓风摩擦损失产生的热量可能导致汽轮机过热，需对汽轮机通流部分进行冷却。4.变压运行方式 变压运行：在不同工况下，汽轮机维持主汽门全开，调速汽门全开或固定在某一适当开度，蒸汽压力随负荷变化而变化，主蒸汽和再热蒸汽温度保持不变。定压运行：汽轮机自动主汽门前的蒸汽压力保持不变，在不同工况时，依靠改变调门开启个数及调门开度来调整机组输出功率，以适应负荷变化的需要。优点：变压运行时只有很小的节流，汽轮机的进汽压力是调整机组出力的一个组成部分。是近

5、年来大容量承担基本负荷机组参与调峰的主要运行方式。缺点：锅炉最低负荷和负荷变化率限制调峰能力。 四、单元机组变压运行方式 1.变压运行的分类与选择 变压运行也称为滑压运行。 有纯变压、节流变压和复合变压运行三种方式。纯变压运行 在整个负荷变化范围内，汽轮机所有调门均全开，完全利用锅炉调压力来改变机组输出功率。负荷的增减完全依靠锅炉增减燃烧来适应。 该方式从加热均匀和热应力角度来看是有利的，但由于锅炉存在较大的时滞，无法满足电网负荷变化的要求，故调节时滞大。从提高机组的负荷适应性以维持对电网频率控制的角度出发，汽轮机应在额定负荷附近做必要的定压运行，即有一定的调节阀的节流。 节流变压运行 正常情

6、况下，调门不全开，对主蒸汽保持515节流。 负荷降低时变压运行，负荷突升时可立即全开调门，利用锅炉蓄热快速适应负荷要求。 负荷适应性优于纯变压方式，但节流造成损失大。 复合变压运行 复合变压运行常用于有若干个调节汽阀，能部分进汽的汽轮机上。可分为三种： 1) 低负荷变压运行（滑-定）； 2) 高负荷变压运行（定-滑）； 3) 高负荷和极低负荷定压运行，中间负荷滑压运行（定-滑-定）。定-滑-定复合变压运行是指：汽轮机满负荷时保持定压运行，初始的减负荷是在定压下通过依次关闭一两个调节汽阀来实现； 再继续降负荷时，在第一个或两个汽阀关闭的情况下，保持其余调节汽阀全开，同时降低汽轮机的进汽压力； 极

7、低负荷下继续关小剩下的调门，在较低压力下作定压运行。 在该方式既有定压运行的快速负荷响应能力，又具有变压运行在较低负荷下的优点。 变压运行方式举例（永昌）： 机组允许“定压”和“定滑定”两种方式调峰运行，但优先采用“定滑定”方式。 定滑定方式 ：1) 90以上额定负荷，定压（17.5Mpa）运行，即保持主汽参数为额定参数，通过改变高调门开度来调节负荷； 2) 9035额定负荷之间，保持高调门开度不变，锅炉滑压运行，汽压随负荷降低而下降（16.75.9MPa）； 3) 35以下额定负荷，定压（5.9MPa）运行，用高调门改变负荷。机组调峰运行最低负荷为35额定负荷。 2.变压运行的优点 减小高温

8、部件热应力，提高机组负荷适应性 1) 机组负荷下降时，若采用定压运行 喷嘴调节方式：调节级后温度变化最高可达100左右。 节流调节方式：第一级后的汽温也会随工况变动，但变化幅度比喷嘴调节小。 2) 若采用变压运行 由于工况变动时新蒸汽温度不变，所以即使负荷从额定值发生了较大的变动，汽轮机各级温度几乎保持不变。 定压运行与变压运行汽轮机调节级后温度比较变压运行在部分负荷下新蒸汽压力降低，改善了锅炉的高温管道、汽轮机的进汽部分等的应力状态和抗蠕变性能，明显地提高了机组的可靠性和机组寿命。再热汽温易于维持1) 定压运行时 负荷下降，进汽量减小，高压缸排汽温度降低，再热器进口汽温降低。 再热汽温呈对流

9、特性，即使进口汽温不变，低负荷下出口汽温也会下降，再加上进口汽温降低，使得再热器出口汽温难以维持。 再热汽温降低，导致汽轮机中、低压缸汽温都降低。不仅影响机组效率，还将产生热应力和热变形。2) 变压运行时 负荷下降，蒸汽压力降低，蒸汽比热容减小，每千克蒸汽在再热器中所需吸热量减少，使过热汽温和再热汽温在较大负荷变化范围内基本维持不变。 中、低压缸的温度变化很小，对防止产生过大的热应力和热变形都十分有利。 给水泵功耗减小 定压运行时，锅炉出口压力不变，所以在部分负荷下，给水泵功率仅因给水流量减少而降低。 变压运行时，部分负荷时不仅给水流量减少，而且锅炉出口压力也降低，所以给水泵的功率降低幅度比较

10、大。 大容量、高参数机组可明显降低热耗，提高热效率。提高部分负荷的热效率 1)高压缸效率高 a) 定压运行 喷嘴调节时：负荷减小，调节级通流面积减少，工作动叶数目减少，使调节级的效率降低，而且负荷越低，调节级焓降越大，使更多的焓降发生在效率降低了的调节级中；而高压缸其它各级级效率基本不变。因此高压缸总的效率会大幅度降低。 节流调节时：负荷减小，汽轮机保持全周进汽，因此级效率保持不变，但随着负荷的下降，调节阀的节流损失变大，使蒸汽做功的热力过程线在焓熵图上右移，蒸汽的理想焓降越来越小，高压缸的效率会因调节阀的节流损失不断增大而明显下降。 b) 变压运行 新汽压力随负荷而降低，机组内蒸汽的容积流量

11、近乎不变，同时汽轮机调节阀开度和第一级通流面积都保持不变，因而蒸汽的节流损失很小，调节级的效率也几乎不变。 因此，变压运行机组其高压缸总的效率在实用变工况范围内几乎不随负荷而变化，可始终保持最高值不变。 2)主再汽温高，热耗率低a) 定压运行负荷降到5060，主汽温就开始下降，负荷每降10，新汽温度约降10，汽轮机的理想焓降就会比变压运行时要小，因此热耗增高。 b) 变压运行负荷下降，主汽温几乎不变，再热蒸汽温度又得到提高（因为蒸汽参数在亚临界范围内，随着压力下降，蒸汽升高到同一温度所需过热热减少），中、低压缸效率也基本不变使汽轮机效率基本上无变化。 因此，在低负荷下，变压运行与定压运行相比，

12、由于获得了较高的主蒸汽和再热蒸汽温度，其热耗率约下降0.51。3.变压运行对锅炉的影响 负荷适应性和热应力 有两个显著的不利因素 1) 锅炉负荷适应性较差 定压运行时：锅炉利用蓄热可对小的负荷变化作出快速响应。 变压运行时：通过加强燃烧来实现增负荷，负荷响应能力变差。 2) 锅炉热应力增大 通过改变燃烧率适应外界负荷的变化，锅炉热应力增大。 对各受热面吸热量分配的影响 变压运行时：负荷降低，主蒸汽压力也降低，锅炉各受热面内工质的压力降低。对汽包锅炉会造成省煤器、过热器工质所需热量减少，水冷壁工质所需热量增加。因此，低压力下运行或机组负荷迅速上升时，变压运行有可能发生省煤器汽化。而定压运行时：加

13、热、蒸发和过热所需热量在不同负荷下变化很小。 对工质流动的影响 变压运行时：负荷降低，工质压力降低、比体积增大。 比体积增大，将使自然循环锅炉的流动压头增加，水循环可靠性提高。 §3.2单元机组的寿命管理一、影响机组寿命的因素 高温蠕变和低周疲劳。1.高温蠕变 高温蠕变的概念：金属在高温和未超过其屈服极限的工作应力（蒸汽压力）下长期工作，发生的缓慢的塑性变形的现象。 设备材质一定，在某一工作温度和应力下，对应一定蠕变断裂时间。在该工作温度和应力下运行，消耗其蠕变寿命，最终产生裂纹直至断裂。工作温度和应力值越高，蠕变断裂时间越短。 高温蠕变发生在机组带负荷连续运行状态下。 其对机组的寿

14、命损耗用百分比的形式表示，称为高温蠕变寿命损耗率。 2.低周疲劳 低周疲劳的概念：金属在启停和负荷变化过程中，在交变应力的作用下，经过一定周次的循环，最终在金属表面产生裂纹的现象。 交变应力的特点是：交变周期长、频率低，疲劳萌生的循环周次少。 低周疲劳消耗金属材料的疲劳寿命，最终产生裂纹直至断裂。 低周疲劳发生在启停和机组负荷变化过程中。 其对机组的寿命损耗用百分比的形式表示，称为低周疲劳寿命损耗率。 二、锅炉寿命管理 任务 ：预先估计主要承压部件在规定参数下的安全运行期限，在运行中对寿命损耗值及剩余寿命进行监督、测算和统计，对存在缺陷部件及时维修、更换，必要时对锅炉参数进行调整。 锅炉寿命管

15、理方案举例（甘肃永昌武锅1025t/h）： 锅炉各主要承压部件的使用寿命大于30年。 锅炉从点火到带满负荷的时间，在正常启动情况下达到以下要求：Ø 冷态启动 68小时Ø 温态启动 34小时Ø 热态启动 1.52小时 锅炉允许启停次数及寿命损耗率如下： 项 目 次 数 总寿命损耗率 冷态启动 200次 4% 温态启动 1200次 22.4% 热态启动 5000次 16% 极热态启动 500次 1.8% 正常停炉 4000次 14.1% 负荷阶跃变化（10%BMCR） 12000次 6% 合 计 64.3% 三、汽轮机寿命管理1. 任务：正确评价汽轮机零部件的寿命(包

16、括无裂纹寿命和剩余寿命)，合理分配机组服役年限内各种工况下的寿命损耗率，延长汽轮机的使用寿命，避免灾难性事故的发生。 通常，单元机组的寿命指的是汽轮机的寿命。 汽轮机的全寿命：从汽轮机初次投运到转子出现临界致断裂纹期间的时间。 汽轮机的无裂纹寿命（有效寿命）：从汽轮机初次投运到转子出现第一道宏观裂纹期间的总工作时间。 汽轮机的剩余寿命（残余寿命）：从汽轮机转子出现第一道宏观裂纹到转子出现临界致断裂纹期间的时间。 2. 汽轮机寿命管理包含两层内容： 第一是在服役年限内，合理分配、使用汽轮机寿命，制定汽轮机寿命分配方案（包括启停类型、次数，负荷变化种类，甩负荷次数等）以指导运行，取得最大的经济效益

17、。承担基本负荷机组和调峰负荷机组应有不同的分配方案。调峰负荷机组启停次数多，每次启停应分配给较小的寿命损耗率；基本负荷机组反之。第二是进行汽轮机寿命的离线或在线监测，在汽轮机启停和变负荷运行时，控制蒸汽温度和负荷的变化率，控制汽轮机零部件的热应力，使机组的寿命损耗不超过其预分配值，在机组规定的使用年限内，实现最佳的安全经济运行。 汽轮机寿命管理方案举例（甘肃永昌上汽300MW）： 汽轮机的零部件(不包括易损件)的设计使用寿命不少于30年，在其寿命期内能承受下列工况: 冷态启动（停机72h以上，且汽缸金属壁温已低于该测量点满负荷时金属壁温值的40%以下）300次；温态启动（停机1072h，且壁温

18、为原值的40%80%） 1000次；热态启动（ 停机10h以下，且壁温为原值的80%以上） 3000次；极热态启动（停机小于1h，且壁温为接近原值） 150次；负荷阶跃（负荷变化大于10%）12000次。 上汽300MW汽轮机寿命分配：启动方式 次数 寿命损耗/次 总寿命损耗率冷态 300 0.01% 3% 温态 1000 0.008% 8% 热态 3000 0.005% 15% 极热态 150 0.0025% 0.375% 负荷阶跃 12000 0.0025% 30% 合计 56.375% 其余43.625%作为高温蠕变寿命损耗率和富裕量。ABB 600MW汽轮机寿命分配：运行方式每次寿命损

19、耗率(%)30年内使用次数每年寿命损耗（）30年内寿命损耗（）冷态启动0.00501000.01670.50温态启动0.003012000.123.6热态启动0.001345000.1955.85极热态启动0.00105000.01670.50负荷突变0.0002545000.03751.125合计0.385911.575其余88.425%作为高温蠕变寿命损耗率和富裕量，该机组设计寿命富裕是非常大的。§3.3单元机组启停过程的主要热力特点一、 锅炉的热力特点1.汽包温差与热应力 （1）锅炉上水时，内、外壁温差引起的热应力 锅炉上水汽包壁温度变化（内高外低），金属有厚度（约100mm）

20、沿壁厚方向有温差温差热应力。热应力的变化规律是“热压冷拉”，故内壁产生压缩热应力，外壁产生拉伸热应力。 内壁热应力： 外壁热应力： 内、外壁最大温差： 结论：1) 启动时，汽包被单向加热，内壁产生压缩热应力、外壁产生拉伸热应力；2) 最大热应力与壁内外最大温差成正比；3) 壁内外最大温差又与壁厚的平方及温升率成正比。 4) 为减小热应力，运行中应控制金属温升率，即控制进水温度与速度。启动上水时，汽包处的给水温度与汽包壁温差50；上水时间：冬季4小时、夏季2小时 。（2）锅炉升压时，上、下壁温差引起的热应力升压初期，汽包上部接触饱和蒸汽，随着汽压的升高，tb，蒸汽凝结放热，放出q汽化，放热量大；

21、下部与水接触，水流动缓慢，放热量少。汽包上壁温下壁温，上壁产生压缩热应力、下壁产生拉伸热应力。上下壁温差产生拱背变形，与汽包相连的管子产生牵拉、变形。规定：1) 启停期间，汽包上、下壁温差50；2) 控制汽包内工质温升速度1.52.0/min，应严格按升压曲线进行；3) 保持汽压稳定，防止波动。2.水冷壁温差与热应力 自然循环锅炉，启动初期水循环基本停滞，炉膛热负荷不均匀，同一联箱上的水冷壁管间存在较大温差，产生温差热应力，甚至下联箱变形、管子拉坏。措施：1) 不允许水冷壁管间温差过大，应控制相邻管子出口工质温差50；2) 对称投用燃烧器，燃料适中，多油枪、少油量；3) 水冷壁下联箱定期放水、

22、炉底加热；4) 采用强制循环。3. 过热器和再热器 锅炉点火后，屏式过热器内的存水（点火前屏内的凝结水、水压试验的积水）会逐渐蒸发或排走。但在存水未排净或完全蒸发之前，有些管子内无蒸汽流过（即“水塞”现象），导致金属管壁温度接近烟气温度，可能超温损坏。措施： 1) 锅炉蒸发量10时，必须限制过、再热器入口烟温（538）： 限制燃烧率（控制燃料量）； 调整火焰中心位置（如摆动喷燃器倾角、调整燃烧器运行方式或配风方式），控制炉膛出口烟温。 2) 锅炉蒸发量10时 喷水减温（注意控制喷水量，防止发生水冲击）； 采用旁路系统保护再热器（两级串联）。4. 省煤器 点火后的一段时间，锅炉不需进水或只需间断

23、进水。停止进水时，省煤器内的水可能汽化，若蒸汽停滞不动，该处管壁可能超温；间断进水使省煤器内水温间断变化，导致管壁金属产生交变热应力，引起金属、焊缝疲劳。措施：1) 在汽包与省煤器下联箱间（自然循环汽包炉）或水冷壁下水包与与省煤器下联箱间（强制循环汽包炉）建立省煤器再循环。2) 锅炉进水时关闭再循环门（防止给水直接进入汽包）；停止给水时打开再循环门。二、汽轮机热应力、热膨胀、热变形 1.汽轮机的热应力 （1）加热时（启动、加负荷工况） 汽缸：因汽缸被单向加热，内壁产生压缩热应力、外壁产生拉伸热应力；最大热应力与壁内外最大温差成正比；壁内外最大温差与壁厚的平方及温升率成正比。转子：外壁产生压缩热

24、应力，中心（孔）产生拉伸热应力；转子中心（孔）应力大（拉伸热应力再叠加离心拉应力）。 减小汽缸与转子热应力的措施：1) 采用双层缸;2) 运行中控制金属温升率，即控制升速率与升荷率。（2）冷却时（停机、减负荷工况） 汽缸：外压内拉。转子：中心（孔）压外拉。转子外表面应力大（拉伸热应力与离心应力叠加） 从冷态启动到停机全过程，产生低周交变热应力。 启、停及负荷变化时，应限制进汽量和进汽温度的变化速度：温升速度2.5/min；温降速度1.5/min。 2. 汽轮机热膨胀绝对膨胀：规律“热胀冷缩” 相对膨胀 ：由于转子、汽缸的结构不同，受热条件不同，膨胀受限的条件不同等，使转子和汽缸的膨胀值不同，形

25、成汽轮机的相对膨胀现象。转子和汽缸的轴向膨胀值之差，称为转子与汽缸的相对膨胀差，简称胀差。转子轴向膨胀值大于汽缸轴向膨胀值，产生正胀差；反之产生负胀差。 正胀差使本级静叶和动叶之间轴向间隙增大，本级动叶与下级静叶之间轴向间隙减小；负胀差使本级静叶和动叶之间轴向间隙减小，使本级动叶与下级静叶之间轴向间隙增大。 启动过程中胀差的影响因素 ：1) 汽轮机滑销系统的工作状态；2) 蒸汽温升速度和蒸汽流量变化速度；3) 轴封供汽温度的影响；4) 排汽温度与凝汽器真空的影响； 5) 汽缸保温和疏水的影响；6) 暖机不当；7) 空负荷或低负荷运行时间过长（会产生鼓风损失）； 8) 泊桑效应。 减小胀差应从上

26、述因素进行考虑。3. 汽轮机热变形 （1）汽缸上、下缸温差引起的热变形拱背变形。 上下缸温差产生原因： 1) 下缸的散热面积大； 2) 上缸的保温效果比下缸的好； 3) 汽缸外部冷空气由下向上流动； 4) 启动中汽缸疏水不畅，停机后有冷蒸汽从抽汽管道返回汽缸； 5) 上缸的蒸汽凝结放热大于下缸的凝结水放热。 减小上下缸温差引起的热变形的措施： 1) 加强下汽缸保温，必要时加装下缸挡风板； 2) 保证启、停机时汽缸疏水畅通； 3) 高中压缸回热抽汽管道上必须安装电动截止阀和逆止阀； 4) 严格控制蒸汽温度变化速率； 5) 启动时，尽可能使高加随机启动； 6) 停机后，必须立即投盘车装置。 （2）

27、法兰内外温差引起的热变形 汽缸椭圆变形，法兰结合面漏汽。 加热工况下，汽缸中部截面产生立椭圆变形，法兰内张口；加热工况下，汽缸两部截面产生横椭圆变形，法兰外张口。减小法兰内外温差引起的热变形的措施： 1) 严格控制蒸汽温度变化速率； 2) 尽可能采用窄法兰。 法兰内外温差产生原因：法兰被单向加热或冷却，壁厚较厚。 （3）转子热翘曲 上、下缸温差作用在静止的转子上转子热弯曲动静碰磨弯曲加剧摩擦加剧高温造成塑性变形。 规定：冲转前，转子偏心度小于0.076mm（哈汽洛热）（东汽张掖0.02mm）； 防止转子热翘曲的措施： 1) 启动时采用全周进汽冲转汽轮机； 2) 启动前盘车不少于4h； 3) 停机后，及时投盘车。 §3.4单元机组经济运行一、单元机组主要经济指标