300mw汽轮机通流控制及热态启动方式的研究

300mw汽轮机通流控制及热态启动方式的研究

上海机械厂有限公司设计并制造的300吨预补偿式多功能汽轮汽机最初安装在天津杨柳青厂，共有2台，配备了#5和#6台。两台机组的传输充分体现了该设备经济、可靠性、运营灵活、适应性强、自动化水平高的特点。它充分满足了中国能源工业的布局和节约能源的要求，此外，还改善了分散在城市中的加热环境，在中国具有广阔的前景。本文将机组有关特性和运行情况作一综述。130电厂汽机机组冷态和热态启动的设计及实现汽轮机的控制系统采用DEHⅢ型数字电液控制系统。DEHⅢ型系统是高可靠性的汽机转速/负荷控制器。此控制器是冗余的,以提高汽轮发电机的可用率。DEHⅢ型与以前的DEH控制器相比,其先进性是它的分散结构和以微处理器为基础的控制。以上两种特性加上冗余处理特性使其具有更大的能力,从而增加了汽机可靠性,使在线维修更加容易,并且扩展了控制和监视功能,DEHⅢ型基本控制系统具有转速控制、超速保护控制(OPC)、主汽压力补偿和限制,并且有阀门管理功能。华能杨柳青电厂安装的300MW汽轮机组的锅炉由德国巴布科克公司设计制造,部份受热面为武汉锅炉厂分包制造的飞灰复燃、液态排渣、中间再热复式循环直流炉,该锅炉不允许再热器干烧,为防止再热器干烧,锅炉设计上要求机组在启动过程中必须有一定量的蒸汽流过。这一流量比机组空负荷时的流量大得多,因此,机组启动时,锅炉要求旁路系统运行。为适应锅炉岛的要求,满足机组运行的需要,在汽机本体结构设计、系统配置和调节系统的设计中采用了一系列的措施,实现了在冷态启动条件下带旁路的高中压缸联合起动方式,即在启动过程中,中压调速汽门参与调节,这样既满足了机组启动的要求又满足了锅炉必须带旁路运行的需要。通过电厂的运行,高中压缸联合启动方式获得了成功。运行实践表明,高中压缸联合启动方式成功的关键是启动过程中控制住高压缸排汽温度,维持汽机的正常运行,机组在高中压缸联合启动方式冷态和热态启动中,高压缸排汽温度均在制造厂允许的温度范围内,并且有以下两个特点:高转速时高排温度大于低转速时高排温度;转速维持时的高排温度大于升速过程中的高排温度。这充分说明在保证高压缸适当的通流量和加大高排通风阀及管道尺寸上采取的措施,对控制高压缸排汽温度是非常有效的。机组的调控性能好,达到了设计要求,满足了机组的调控性能:(1)DEHⅢ型调节系统投入率达到100%;(2)机组保护装置投入率达到100%;(3)甩50%有功负荷的试验时,甩负荷前转速3002r/min,机组甩去152MW有功负荷,甩负荷后最高转速3076r/min;甩100%有功负荷试验时,甩负荷前转速3003r/min,机组甩去301.9MW有功负荷,甩负荷后最高转速3200r/min。2发电机转子结构300MW供暖抽汽汽轮发电机组中汽轮机有高中压转子和低压转子,每根转子均采用双支承结构,发电机有两根转子,即发电机转子和励磁机转子,采用三支承结构,即励磁机仅有后轴承,其前端支承于发电机后轴承上。对轴系振动特性进行了分析计算,主要内容有:(1)轴系静态参数计算;(2)临界转速的计算和分析;(3)扭振频率和短路应力的计算和分析;(4)稳定性计算和分析。2.1轴系静态参数的计算轴系静态计算主要按轴系和轴承的几何参数,求出各轴承的标高及联轴器张口和错位。2.1.1通过计算轴系高度和开口倾角按轴系静态参数,我们计算了轴系安装时各轴承理想杨度曲线下的标高,计算结果如下表1所列。其对应的联轴器张口错位如下表:2.1.2轴的振动随轴承标高的变化机组在运行中,因真空的变化、氢温氢压的波动、基础的不均匀下沉、汽缸的热胀等因素,均会引起轴承标高偏离设计值,导致轴承负荷和油膜动态特性的变化,这样,就会改变轴的振动峰值。为了估算标高变化对负荷的影响,我们分别计算了每个轴承标高变化0.0254mm时,各轴承负荷的变化值。计算结果得知:当某一轴承抬高时,该轴承的负荷就增加,相邻轴承负荷就降低,由理论分析得知,标高变化与负荷变化之间近似线性关系,因此当轴系的一个或几个轴承标高发生变化时,可利用线性叠加的原理,估算各个轴承负荷的变化。2.2轴系不平衡响应计算临界转速的计算就是要求出产生共振值转速的大小,由于材质的不均匀,加工误差和装配不良等因素,均会造成转子残存一定的不平衡,产生引起振动的不平衡力。轴系不平衡响应计算就是假定转子上存在一定的不平衡量时,考虑支座和轴承的刚度和阻尼,计算轴系各轴颈达到响应峰值时的弹性阻尼临界转速。我们计算了轴系中各转子的刚性临界转速和轴系各阶阻尼临界转速,结果如下表所示:2.3轴系危险截面的剪切应力我们计算了轴系扭振频率;按二相机端短路方程,计算了轴系各危险截面的剪切应力,计算结果得知:最大剪切应力发生在励磁机电机端轴头第一个截面上,但剪切应力很快随时间衰减,见下表。2.4轴系振动特性稳定性的计算主要是求出各转子的失稳转速和对数衰减率,当前,因国内外尚无统一的标准,故各公司的计算内容和考核标准各异。我们应用西屋公司方法求出各转子的失稳转速和对数衰减率,计算结果表明,失稳转速均大于4000r/min,满足大于工作转速的125%规定。额定转速时各转子对应其临界转速下的对数衰减率列于下表:通过以上计算分析,300MW抽汽机组轴系振动特性可归纳为以下几点:1.轴系的阻尼临界转速相对工作转速避开了±10%。确保工作转速时有较小的响应峰值。2.轴系各阶扭振频率均避开了工频和倍频的±10%,轴系短路剪切应力均小于转子材料的许用应力,轴系的扭振特性是良好的。3.轴系各转子的失稳转速大于4000r/min,各转子的对数衰减率均大于零,轴系振动是收敛的。综上所述,300MW抽汽机组的横振特性是良好的,扭振特性是安全的,稳定性是可靠的。该机组的设计符合振动方面的要求。3第三、关于3.3工况下的相3变形计算是采用1:1的模型,采用有限元方法。我们按计算模型对机组定压运行的5个工况分别进行变形计算:·最大抽汽压力工况·73%最大流量工况·额定抽汽压力工况·55%最大流量工况·纯凝汽工况通过计算可得出如下结论:1.300MW抽汽机组高中压缸因抽汽口增加,致使外缸的轴向总长增加,从而使其轴向热变形亦相应增加,但其增加的量不大,且在合理的范围内。2.该汽缸的各工况,在水平径向的最大位移与最小位移的差值最大变量不大,且各工况的变形均向外,故在该方向不会引起静动部件相碰现象。3.该汽缸各工况,在垂直、径向的位移,上半缸与下半缸的位移差值不大,且各工况的变形均向外,故在该方向不会引起动静部件相碰现象。综上所述,杨柳青发电厂300MW抽汽机组的高中压外缸的变形均处于合理的范围内,且无扭曲和绕曲的现象,因而不会引起动静部件相碰。通过运行实践证明,机组运行情况良好。4反力依然考虑中压3号抽汽管对汽缸变形影响的计算还利用上述计算模型,对中压3号抽汽的管道反力进行了对比计算,以了解该反力对汽缸变形的影响。在不考虑中压3号抽汽管道反力(其它管道反力依然考虑)的情况下,我们计算了汽缸的变形,计算结果表明,在该情况下最大位移为1.063mm。在考虑中压3号抽汽管道反力(其它管道依然考虑)的情况下,我们计算了汽缸的变形,计算结果表明,在该情况下最大位移为1.201mm,即中压3号抽汽管道反力对汽缸变形影响为1.201-1.063=0.138mm。从上述数据得知,中压3号抽汽管道的反力对汽缸变形的影响的最大值为0.138mm。这就是说,中压3号抽汽管道无论粗细,它所产生的反力对汽缸变形的影响均可忽略不计。5调整抽汽压力和抽汽量控制机组低压通流部分通流能力设计与调整抽汽调节方式的选择。1.通流部分的通流能力决定了调整抽汽调节阀的工作特性。典型的调整抽汽段示意图为:其中Vc——通流部分的调节阀Vp——抽汽管网上的调节阀Pc——调整抽汽压力PIP——中压缸排汽压力、即为Vc阀前压力PLP——低压缸通流部份进口压力,不计管道损失,该压力即为Vc阀后压力另外假设:最大设计的调整抽汽压力为Pc,max,最小设计的调整抽汽压力为Pc,min。采暖抽汽段,即低压缸最大通流流量为Gmax,对单机单炉模式,Gmax等于最大进汽量纯凝汽工况时的低压缸流量。对母管制,该流量为最大纯凝汽工况下的低压缸流量。在下面分析时,Vc、Vp阀门全开情况下可忽略阀门压损,认为PIP=PLP或PIP=Pc。在实际运行工况下,调节阀Vc,Vp处于什么状况完全取决于该工况下调整抽汽压力与低压缸通流部分进口压力PLP之差△P=Pc-PLP大小,具体如下表所列:即在低压缸进口压力低于调整抽汽压力时,随着低压缸汽量的减少,通流部分的调节阀Vc关闭度增加;反之Vc逐步打开,到△P=0时,阀门全开。在上述过程中始终是一个阀门(Vc或Vp)参与调整抽汽压力的调节。这是最为典型的调整抽汽方式。如果在通流部分设计时,按Gmax设计的PLP<Pc,min,那么在所有的调整抽汽压力及抽汽量范围内,都不会出现△P<0的工况。这时,只需配置Vc阀。当前,工业调整抽汽段大都采用这种模式。对于采暖抽汽段而言,由于调整抽汽压力Pc较低,一般按Gmax设计的PLP>Pc,min,此时,在运行工况中就有可能出现△P<0的情况。若仍要保证所有的调整抽汽压力及抽汽量范围,必须再配置Vp阀,在△P<0时,由Vc调节转移到Vp阀控制。2.大功率采暖抽汽机组会出现更为复杂的情况,即轴向空间及叶片安全性要求对中压排汽压力有一个最低允许的PIP,min,当Pc<PIP,min时,在满足PIP>PLP条件下还必须增加PIP=PIP,min条件,此时,对应不同的△P,阀门的工作状态如下表所列:显然,在Pc<PIP,min时,除非PLP=PIP,否则系统总是处于Vc、Vp双阀共同调节的状态。双调节阀与单调节阀相比具有下列优点:1.先进的控制模式·通过电调DEH实现,调节性能平稳且更有利于防止超速;·中压排汽压力与调整压力分离,适应大功率大流量供热。