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1、1000MW超超临界汽轮机自启动中热应力控制,金属部件受热不均，出现温差就会产生热应力。温差越大，热应力也越大。部件加热时受到压缩应力，部件冷却时收到拉伸应力。而压缩和拉伸应力得不断交错循环，将会导致金属产生疲劳裂纹，消耗设备的使用寿命，并逐渐扩大直到断裂失效。对于汽轮机而言，在非稳定状态下运行（如启停，增、减负荷或变温度运行）时，其金属部件将受到固定大小和频率的热应力影响，会导致材料处于一个高水平的疲劳度而出现裂纹。减少部件疲劳，控制热应力的最好方法就是控制部件内外温差，控制部件内外温差的最好方法则是延缓部件的升、降温速率。因此合理的消耗寿命，以便设备在使用寿命内发挥最大的效益就是设备热应力
2、控制的目的。为,此一般厂家都会根据设备的运行特性，合理分配设备的寿命消耗。如汽机厂会提供全寿命内汽机冷、温、热态的启动次数限制，以及升降负荷的速率限制。,西门子DEH的热应力控制就是将汽机厂的这些要求和手段转换成程序，测取（或模拟计算）受温度剧烈变化影响的汽机主要厚重部件如高中压主汽门阀体、高中压缸体、高中压转子等部件的内外壁温，然后计算出可能的最大应力（用温差进行表征）并与规定限值进行比较，从而构成汽机监视系统的一部分，并根据应力决定汽机启动过程中的升速率以及变负荷时最大的允许负荷变动率。,热应力评估TSE汽轮机热应力评估TSE的基本功能就是对汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压
3、外缸缸体等厚重部件的温差进行监视，防止由于蒸汽温度与金属温度的不匹配导致金属部件产生过大的热应力，影响部件的使用寿命。这里的温差监视实际上是所谓的温度裕度（Margin）监视。它是汽轮机部件的实际温差和设计温差的差值，温度裕度越大，说明温差越小，部件所受的热应力也越小。为了确保机组启动和变工况时，其热应力处于可控范围，DEH根据温度裕度的大小自动设置升速率和最大允许的负荷变动率。而且TSE出现故障时，DEH将不允许机组启动，并闭锁汽轮机升速或变负荷。热应力与温差的线性关系汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压缸,体是汽轮机中最厚重的部件，因此只要控制了这五个部件的热应力，其它部件也就
4、不存在热应力超标问题。由于汽轮机上述部件都是规格和形状复杂的部件，因此在计算他们的热应力前，需要先进行简化：在双层缸汽机很薄的外缸中的热流或汽机缸体法兰中的热流可类似为一个平板中的热流；一个管子或一个很厚的汽机缸体，可看作一个中空的柱体；一个实心轴看作一个实心柱体；阀体在计算时假定为一个空的半球。经过简化的部件，就可以根据应用热应力计算公式进行计算了。在弹性模量范围内，一个理想物体的热应力计算公式如下：,从公式上可见，热应力与温差存在严格的线性关系，因此用温差来表示热应力是可行的，也是合理的。,温差裕度（Margin）的计算由于热应力与部件的温差之间有线性关系，因此监视热应力最方便的办法就是监
5、视部件的温差值。对于高压主汽门阀体、高压调门阀体和高压缸外缸等静止部件，测量部件温差的方法比较简便，只要在部件上打个孔，安装两只位置相邻、但插入深度不同的热电偶作为内壁温和平均壁温的温度测点，具体布置见图1。插入100深度处的温度T1 泛指直接接触蒸汽并进行热交换的相应阀体(缸体) 温度，插入50 %深度处的温度Tm泛指相应阀体(缸体) 的平均温度。由于热传导的延迟， Tm 的变化总会慢于T1 的变化，从而存在温差,这一温差的大小,即表示应力的大小.,图1 用于热应力控制的温度测点的布置,图2 高压缸外缸表面温度和平均温度的变化曲线,目前实测高、中压转子的温度是十分困难的，只能采用仿真计算的方
6、法来实现。首先，用高压(中压) 内缸的温度来近似表示高压(中压) 转子表面的温度Ta ，计算转子动叶根部的温度作为转子平均温度,也用Tm 表示,另外再计算转子中心的温度Tax 。转子表面温度Ta 和转子平均温度Tm 的差值就表示转子应力的大小。,图3 高压转子表面温度、平均温度和中心温度的变化曲线,部件的热应力限制曲线,材料的寿命取决于疲劳强度和疲劳周期。对汽轮机而言，强度较大的应力交变主要发生在启动和停机阶段，由于机组启停的一次需要间隔较长的时间，因此它是低周疲劳。而机组每时每刻的都有可能的增、减负荷，若蒸汽温度发生变化时，材料也将面临交变压力的影响。汽轮机进行设计时，需要通过统计汽轮机在基
7、本负荷或最大负荷区间的计划使用情况来确定预期应力周期的数量，选用的材料必须能满足这些疲劳周期数量。汽轮机厂将材料的允许应力以温差限制的方式做成曲线用于指导生产运行。曲线的形式与基于假设周期数量的部件绝对温度相关。在限制曲线的计算中，部件的设计特征（例如：它们的外形和槽口的影响）都必须考虑。图4就是部件的温差限制曲线。,图4 部件的热应力（温差）限制曲线,温度裕度、允许温度裕度和剩余温度裕度,部件的热应力限制曲线是根据材料寿命确定的，一旦越限就有可能影响设备的正常寿命。为此，在机组正常运行中，需要留出一定的安全裕量，这就是所谓的温度裕度。温度裕度是部件内外壁的实际温差和允许温差的差值，裕度越大，
8、说明温差越小，部件所受的热应力也越小。温度裕度的计算方法见图5。,对于每一个部件都有一个允许的温度变化裕度，允许值和运行人员选择的机组启动模式有关，分为快速、正常和慢速启动三种。快速启动的允许温度裕度最大，正常启动其次，慢速启动最小。这一允许值减去实际温差值就是剩余温度裕度，分剩余上升裕度和剩余下降裕度，其公式为：,图5 汽缸和转子部件的温差裕度（Margin）计算,允许的温度裕量总是正的，但实际的温度差 dT有正负。当剩余温度裕量为正时，表示最大允许的温度差还没有达到，机组还有上升(或下降)空间。但是当剩余温度裕量为负时，则表示允许的温度差已经超过了。这些部件的剩余裕量都以数字和棒状图的形式
9、显示在操作员画面上，给运行人员提供操作指导。温度裕量会参与计算各种x准则。另外，各部件剩余裕量中的最小值作为机组当前有效的温度裕量，并根据这个裕量来控制汽轮机升速或者升负荷的速度。,图6 TSE温度裕度画面,温度裕度的作用前面已经讲过，只有汽轮机处于启停或变负荷等不稳定工况下，因蒸汽温度的波动才有可能引起部件的温度变化，产生温差。因此在这些阶段，通过温度裕度来决定或限制机组转速和负荷的变化速率，就能达到控制热应力的目的。1）升、降速率机组启停期间是，是汽轮机部件加热或冷却最厉害的阶段，此时金属部件的热应力处于高强度状态，因此在这个阶段的热应力控制显得尤为重要。所以SIEMENS DEH的ATC
10、程控中，将根据高压缸体和高、中压转子这三个部件中的最小温度裕度值，来决定机组的升速率OFBN和降速率UFBN，且不允许运行人员手动设定。以此达到热应力控制在最小，启动时间最短的目的。,OFBNMin（WTO，30K）600r/min/min30K其中WTO是应力计算程序WTG来的上限温度裕度同理：UFBNMax（WTU1，-30K）600r/min/min30K其中WTU是应力计算程序WTG来的下限温度裕度,因此，只要部件的温度裕度大于30K，此时机组的启动将以最大的升速率600 r/min/min来冲转汽机，汽轮机将以不到5min的时间实现从暖机转速升至额定转速。若部件的温度裕度小于30K，
11、此时的升速率将受限制。如果温度裕度很小，汽轮机将有可能无法快速过临界，导致冲转失败。因此在冲转前，应适当提高温度裕度。,由于DEH可以在转速调节器作用下带负荷运行，因此在该方式下的负荷变化速率只能通过机组转速变化率来实现。此时的OFBN和UFBN的计算方法同上面一样，只是最大的允许升、降速率从600 r/min2变为PSVGPNOM。其中 PSVG是DEH允许的最大变负荷率，MW/min； 是转速不等率，0.15r/(minMW)； PNOM是机组额定出力，1000MW,2）负荷变化率负荷变化率的计算方法同转速变化率的方法基本相同。但实际中，还是以运行人员手动设定为主，OFBP和UFBP只是用
12、于限制。因此在这里不展开过大的叙述。,温度裕度的影响即TSE INFL子环可以在OM上投切，同时显示相应的信息。在正常情况，该子环必须投入，否则机组无法启动或负荷升降。而温度裕度影响功能投入时，若应力估算程序故障，发出WTST1信号，将自动把TSE INFL子环切除，此时闭锁（BLOCK）延时目标转速NSV或目标负荷PSV的变化，只有等到故障信号消失，运行人员在OM再次投入子环后，同时投入设定值复位子环，发出SWFQ命令后，使WTS复位，机组才能再冲转或负荷变化。,X准则概述和启动阶段热应力控制策略SIEMENS DEH的一个显著特点及优点就是汽轮机的启动冲转必须由其提供的程控子组完成，系统未
13、提供运行人员手动操作的界面。为了实现汽轮机的ATC，DEH需,要对启动过程中的很多设备、系统以及汽轮机相关的重要参数进行监视和确认。X准则就是其中一个重要的条件，其实质是变温度准则，就是根据金属部件不同的温度，确定不同的蒸汽温度，并使之与汽轮机金属部件温度匹配，温差控制在TSE差值内，从而实现汽轮机在启动过程中的热应力控制，并使启动时间最小，最佳。目前使用的X准则有六个，分别是X2、X4、X5、X6、X7A/B和X8。根据X准则在汽轮机自启动程控中的步骤，可划分为： 顺控第13步：X2准则，打开主蒸汽管道上的主汽门并对阀体预热的条件；顺控第20步：X4、X5、X6，汽机冲转，开调门的条件；,顺
14、控第23步：X7A、X7B，汽轮机中速暖机结束，升速到额定转速的条件顺控第第29步： X8，发电机并网带负荷的条件根据功能划分： 最低蒸汽温度的限定，避免热部件不必要的冷却：X5、X6蒸汽与金属部件的温差，限制热应力：X7A、X7B、X8、X2在汽轮机用蒸汽冲转之前过热度的限定：X4,西门子DEH自动化程度较高，通过执行汽轮机主顺控来自动完成整个启动过程，从汽轮机冲转、升速到360 r/min、低速暖机、升速到额定转速3 000 r/min、高速暖机一直到并网带负荷。在各个阶段，主顺控会通过x准则的判断来确定热应力是否符合要求，以决定是否可以进行下一步，或继续在本步等待，直到条件满足，其逻辑示
15、意图如图7所示。这些判断由程序自动实现，不需运行人员干预，否则反而会导致应力超限。另外，在主顺控中还会自动投入高压级压力控制，以减少启动初期高压缸部分的热应力。,图7 汽轮机主顺控及准则判断示意图,X2准则用途：用来确定开高压主汽门进行暖高压阀门腔室前的主汽压力值。说明：在冷态启动时，汽轮机高压调门的阀体温度低于主蒸汽的饱和温度。在打开主汽门后，蒸汽与调门接触，以凝结换热的方式向调门阀体传递热量。由于凝结换热的放热系数很大，剧烈的换热将使阀体的温度很快上升到蒸汽的饱和温度。如果阀体内部温度过低，就会在阀体内部产生很大的热应力。所以要使主蒸汽的饱和温度低于高调阀阀体内部温度加某一值，则需满足X2
16、准则。使用时机：开高、中压主汽门前，顺控第13步。,X4准则,用途：用来确定汽机冲转前的主汽温度值。说明：该准则用来避免湿蒸汽进入汽轮机，确保主汽温度高于主汽饱和温度某一值，即主汽要有一定的过热度，这样可以防止湿主汽进入汽轮机。使用时机：开调门冲转前，顺控第20步。,X 4为允许的最低过热度，该过热度又是饱和温度的函，饱和温度越高，要求的过热度越高，其函数关系见表1,X5准则,用途：用来确定汽机冲转前的主汽温度值。说明：该准则用来避免高压汽轮机部分被冷却，确保主汽温度高于高压缸的平均壁温和高压转子的平均温度某一值，即满足X5准则。在极热态启动时，允许蒸汽的温度可以略低于高压缸缸体和转子的温度。
17、使用时机：开调门冲转前，顺控第20步。,X6准则,用途：用来确定汽机冲转前的再热蒸汽温度值。说明：该准则用来避免中压汽轮机部分被冷却，确保再热蒸汽温度高于中压转子的平均温度某一值，即满足X6准则。在极热态启动时，允许蒸汽的温度可以略低于中压转子的温度。使用时机：开调门冲转前，顺控第20步。,X7准则,X7A准则,用途：用来判断汽机暖机是否结束，进而可以升速至额定转速。说明：该准则在冲转到额定转速前使用，目的是使高压汽轮机充分暖机，汽轮机的启动过程是一个对汽轮机各部件加热的过程，为了使缸体和转子的应力不超过许用应力，要使缸体和转子的内外表面温差小，必须对汽轮机进行暖机，暖机是否完成，由X7准则来
18、判断使用时机：升速至额定转速前，顺控第23步,X7B准则,X7B准则在汽轮机主顺控第23步，即结束低速暖机准备升速至额定转速前加以判断，目的是在低速暖机时使蒸汽充分加热汽轮机高压缸。汽轮机的启动是对汽轮机各部件加热的过程，为了使高压缸的热应力不超过允许应力，要使高压缸的内外温差小，所以必须对其进行充分暖机。从暖机转速加速到额定转速过程中，要快速通过临界转速区，但又不得超过应力限制。高压缸暖机是否合适，需由X 准则判断：,温度准则X8,X8准则在汽轮机主顺控第29步，即结束高速暖机准备并网带负荷前加以判断，目的是在汽轮机并网之前使汽轮机中压转子充分暖机。当汽轮机并网后，为防止逆功率动作，会带上一定的初负荷。随着负荷的增加，中压缸的蒸汽流量也会不断加大，中压缸的应力也开始加大，X8准则的目的就是让再热蒸汽温度能和中压转子的暖机匹配，或者说让中压缸充分暖机从而能够不受应力的限制而在并网后带上一定的初负荷。在汽轮机冲转不带负荷时，中压调门的开度很小，在带负荷后才开始开大，故高压缸主要在暖机转速时就能得到暖机，而中压缸主要在带负荷后才得到暖机。这使得中压缸很容易在带负荷初始阶段受到应力的限制，故在并网前满足X8准则非常必要。,
