上汽660MW超超临界汽轮机自启动控制策略及其热应力计算
660MW超临界空冷汽轮机
迷宫式汽封中蒸汽压力下降图
蒸汽在迷宫式汽封中的膨胀过程
各汽源的调节阀压力整定值
在正常运行时，靠高中压缸两端轴封 漏汽作为低压缸两端的轴封供汽，不 需另供轴封用汽，这种系统叫做自密 封系统。
下降，油膜将难以形成；
但粘度太大，会使油的
分布不均匀，增大摩擦
二、径向支撑轴承
损失 ，减小偏心距。
F
G为重力； F为油膜
F’ F2 F1
o
支撑的合
力。
o1
G=F
G
G
一旦出现扰动，则合垂直方向，前者使轴回到原中心 位置，而后者使轴颈绕原中心位置o涡动，经计算其涡动 频率为转速的一半
大型汽轮机汽缸结构
一、采用双层缸结构
双层缸的优缺点: 缸壁内外表面之间的温度差较小。 气缸壁和法兰厚度较薄。 贵重金属材料消耗少。 结构复杂，零件增多。 内缸承受蒸汽的温差小、压差大，而外缸承受的温差大、压
差小。因此内缸壁中温度梯度不大，引起的热应力较小；外 缸承受大温差，但由于缸壁承压小，在工况变化过程中，能 承受较大的热应力。 将一定压力的蒸汽引入夹层，使蒸汽的总压差、温差分别由 内、外壁承担。减小单层汽缸壁厚、法兰厚度，减小热应力
汽缸
汽缸的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，将蒸 汽包容在汽缸中膨胀做功，完成其能量转换过程。
汽缸内部装有喷嘴室、喷嘴、隔板套、隔板和汽封等部 件。分成高压缸、中压缸和低压缸。
一般汽缸都是上下缸结构，中间通过法兰螺栓连接 但大机组、尤其是超临界机组高压缸为了减小热应力，采用 了一些其它方式。 西门子公司： 外缸为圆筒形结构；内缸有中分面，用螺栓固 定；内缸受外缸约束、定位。 石洞口二电厂（ABB）、元宝山电厂等 内缸无法兰螺栓，而采用7只钢套环将上下缸热套紧箍成一圆 筒，仅在进汽部分加四只螺栓来加强密封。 同时外缸可采用较薄的法兰和细螺栓，减小对汽机启停的限 制。
660 MW超临界直接空冷汽轮机整套启动中的问题及处理措施
电力建设Electric Power ConstructionV ol.32，No.2Feb ，2011第32卷第2期2011年2月ABSTRACT ：This paper analyzes the problems encountered inunit start-up of the 660MW supercritical direct air cooling turbines and proposes measures to address them;summarizes the operating characteristics of this type of units,which can be used as a reference for start-up and commissioning of similar types of units.KEYWORDS ：supercritical ；direct air cooling ；turbine ；unitstart-up ；commissioning ；660MW unit摘要：对660MW 超临界直接空冷汽轮机在整套启动中遇到的问题进行研究分析，并采取措施予以解决；对该类型机组的运行特点进行了总结，供同类型机组的启动调试参考。
关键词：超临界；直接空冷；汽轮机；整套启动；调试；660MW机组doi ：10.3969/j.issn.1000-7229.2011.02.0190引言国华定洲发电有限公司二期工程2×660MW 汽轮机发电机组，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的CLNZK660-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、二缸二排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，空冷岛为西北电力设计院设计、江苏双良集团供货。
本文针对此类型汽轮机在整套启动调试中遇到的问题进行分析，并提出处理方法。
1冷态启动参数优化1.1冷态启动存在的问题根据哈尔滨汽轮机厂推荐的机组启动曲线，汽机冷态启动的冲转参数为：主蒸汽8.92MPa/360℃，再热蒸汽1.0MPa/320℃。
660MW超超临界汽轮机(三缸)
冷却室可以在汽轮机停机后降低汽轮机上缸的金 属温度，进而就能防止上缸和下缸之间出现大的温差。 停机后满足以下三个条件，才可提供冷却空气 ：
a.上缸和下缸之间的金属温度差≥0℃； b.盘车运行； c.调节级出口金属温度≥250℃。
1029mm末级动叶片的低压缸模块
末级静叶采用弯扭加前掠 弯扭静叶片
转子冷却蒸汽系统
转子蒸汽冷却试验
调节级喷嘴
子午面收缩 表面渗硼 固粒腐蚀下降为原材料0.2
焊接喷嘴 刚性好热应力小 热膨胀性好
高中压缸结构特点：
调节级动叶片
三胞叶片，高强度
多层缸设计
弹性密封
热膨胀性能好 运行时无泄漏
高 压 进 汽
全三维反动式自带围带叶片
静叶
动叶
上汽缸冷却系统
汽轮机停机以后，由于下缸冷却较快，故上缸和 下缸之间存在温差，会引起引汽缸变形，俗称“猫 背”。由于汽缸下半向上变形，转子轴向中央部位附 近和汽缸下半发生接触，导致汽封齿碰磨。特别是多 次启停机组后会导致机组下半汽封片磨损严重，甚至 引起转子的磨损，导致通流间隙不断增大，进而影响 机组效率。因此为了降低停机后汽缸上下温差，在汽 缸上半设置了冷却腔室，如下图所示：
mm
17 通流级数：
18 高压缸
级
19 中压缸
级
20 低压缸
级
21 机组外型尺寸（长、宽、高）
超超临界汽轮机热应力控制技术分析
超超临界汽轮机热应力控制技术分析王志杰;陈厚涛;朱晓星;傅强【摘要】上汽超超临界汽轮机引入热应力控制技术,使得其在自启动及变工况运行过程中能够在快速性与减少汽轮机寿命损耗之间自动择优.对上汽超超临界汽轮机热应力控制技术的原理、实现途径以及监视手段等方面进行了详细论述,并对该类型机组在调试及试运行过程中由于热应力限制而产生的若干问题进行了描述,对以后此类型机组的调试、运行及维护等具有一定的指导意义.【期刊名称】《中国电力》【年(卷),期】2017(050)001【总页数】4页(P97-100)【关键词】超超临界汽轮机;热应力评估;热应力控制;温度裕度【作者】王志杰;陈厚涛;朱晓星;傅强【作者单位】国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司电力科学研究院,湖南长沙410007【正文语种】中文【中图分类】TK323要注意的若干问题进行了归纳，对以后此类型机组的调试、运行及维护均具有一定的指导意义。
随着中国节能减排政策的推进，超超临界火电机组以其高效率、低能耗、低污染的优点得到了迅速发展，已成为在建的主力机型[1-3]。
截止到2016年年初，在国内已投运的超超临界火电机组中，上海汽轮机厂有限公司（简称上汽）生产的超超临界660 MW和1 000 MW等级汽轮机均超过40多台，占同类型机组的60%以上。
对其设计思想和技术特点进行学习和消化吸收，有助于该类型机组的日常运行及维护工作。
热应力控制技术是上汽引进西门子技术中的一大特色。
在汽轮机启动和变工况运行过程中，热应力控制器（TSC）对其主要部件的热应力进行监控，并据此对汽轮机控制器产生影响，从而限制汽轮机的运行状态，将其热应力控制在许可范围内，使得汽轮机能在最小寿命损耗的前提下达到最大的运行灵活性，实现了汽轮机在快速、灵活性与安全、经济性之间的自动择优。
660MW超临界汽轮机机组进汽阀热应力优化
660MW超临界汽轮机机组进汽阀热应力优化蒋建斐;忻建华;陈永照;黄庆华;徐嗣华【摘要】分析了某出口660 MW超临界汽轮机机组高压进汽阀门启动、运行过程的热应力分布情况.通过有限元计算与分析,得到了机组启动过程中主汽阀最大应力出现的时刻和位置,据此提出了优化运行过程中阀门热应力的思路和建议.【期刊名称】《热力透平》【年(卷),期】2014(043)004【总页数】6页(P281-286)【关键词】进汽阀;热应力;优化【作者】蒋建斐;忻建华;陈永照;黄庆华;徐嗣华【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TK262汽轮机进汽阀在汽轮机的运行控制过程中占有重要地位，阀门的寿命设计对机组启停和变负荷的灵活运行有着至关重要的影响。
机组的启停会导致阀门承受较大的热应力，而据统计热应力低周疲劳是导致阀门阀壳失效的主要因素［1］。
随着印度等国外电力市场对高参数、大容量机组需求的不断上升，针对新设计的高参数阀门进行热应力分析和优化，对于提升自主设计能力意义重大。
本文对660MW 超临界汽轮机机组的高压主调阀进行非稳态温度场、应力场的计算，分析启动过程中进汽结构热应力的大小和集中区域，提出相应的优化方案，从而为机组的安全运行及温度控制提供参考依据。
1 研究方法和步骤本文研究框架如图1所示，反映了启动阶段热应力分析和优化的思路，主要工作包括：（1）利用UG 三维建模软件，按照660MW 超临界汽轮机机组高压进汽阀门的设计图纸要求进行实体建模；利用ANSYS软件进行网格划分，得到有限元模型；（2）采用第三类边界条件，在660 MW 超临界机组实际启动曲线的基础上分析蒸汽和阀门的换热过程，利用逐步逼近法确定所研究阀门的换热系数组；（3）模拟机组实际启动过程，分析启动各阶段高压进汽阀的应力变化和分布规律，确定最大应力时刻及最大应力点，提出应力优化方案。
汽轮机热应力控制介绍
汽轮机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。
图3-1 DEH热应力控制的原理图3.1 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量（Margin ）监视。
它是汽轮机部件的实际温差和设计温差的差值，温度裕量越大，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 根据温度裕量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。
660MW超超临界机组极热态启动方式优化
660MW超超临界机组极热态启动方式优化摘要：常德电厂一期工程2×660MW超超临界机组是采用背压式汽动引风机、无炉水循环泵的机组。
单机运行时，机组跳闸后，如何在极热态、无外来辅助蒸汽情况下，做到安全、快速、经济启机。
本文对我厂启动过程进行深入研究,提出了一系列有针对性的措施和方法,对机组停运后迅速并网带负荷具有重要的指导意义,对同类型机组也有一定的借鉴作用。
关键词：超超临界背压式汽动引风机无炉水循环泵单机运行极热态启机前言由于湖南地区电网结构等原因，常德电厂经常面临着单机运行情况，一旦机组遇到突发情况导致机组跳闸，此时运行机组跳闸后需要重新启动。
通常情况下,超临界机组直流锅炉由于没有汽包,锅炉蓄热量少，机组故障停止运行后,依靠其自身难以提供足够的辅助蒸汽,要实现可靠、快速启动,就需要外来辅助蒸汽作为启动汽源。
因此,要求锅炉点火前,先投入相邻锅炉辅助蒸汽或投入启动锅炉运行来提供辅助蒸汽。
这样的附加启动环节,不仅延长了机组的热态启动时间,而且还加大了机组热态启动的费用。
针对上述情况,根据600MW超临界机组的厂家说明书,依据相关超临界机组直流锅炉启动理论,并借鉴国内同类型机组的经验以及电厂机组启动经验,探索出一套无外来辅助蒸汽,不需要投入启动锅炉运行的机组快速热态启动方案,具有十分重要的意义。
【正文】一、系统概述我厂2×660MW机组锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，型号为：SG-2035/26.15-M6011；型式为：单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、干式风冷除渣、全钢架悬吊结构、半露天布置Π型锅炉。
锅炉启动系统为无炉水循环泵系统，引风机为2台汽动引风机和一台电动引风机，无油等离子点火系统。
汽轮机为上海汽轮机有限公司和德国SIEMENS公司联合设计制造的超超临界汽轮机，型号为：N660-25/600/600，该汽轮机为一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、纯凝汽式汽轮机。
660MW超临界空冷汽轮机及运行
660MW超临界空冷汽轮机及运行随着社会对能源需求的日益增长，汽轮机作为重要的能源转换设备，其效率和可靠性对于满足人们的能源需求至关重要。
本文将重点介绍660MW超临界空冷汽轮机及其运行。
一、超临界空冷汽轮机简介超临界空冷汽轮机是一种高效、清洁的能源转换设备，它采用了超临界蒸汽技术，可以在高温高压下提高蒸汽的效率，从而实现能源的高效利用。
这种汽轮机主要应用于大型火力发电厂、石油化工等领域，为工业生产和人们的生活提供稳定的电力供应。
二、660MW超临界空冷汽轮机结构及特点1、结构：660MW超临界空冷汽轮机主要由进汽系统、主轴、叶片、发电机、控制系统等组成。
其中，进汽系统负责将锅炉产生的蒸汽引入汽轮机，主轴是支撑整个机组的核心部件，叶片则用于将蒸汽的动能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能，控制系统则对整个机组进行监控和调节。
2、特点：660MW超临界空冷汽轮机具有效率高、容量大、可靠性强的特点。
其采用超临界蒸汽技术，可以在高温高压下运行，提高蒸汽的效率。
该汽轮机还采用了先进的密封技术和控制系统，保证了设备的可靠性和稳定性。
三、660MW超临界空冷汽轮机的运行1、启动：在启动660MW超临界空冷汽轮机之前，需要进行全面的检查和准备工作，包括确认设备状态良好、控制系统正常等。
启动后，汽轮机需要经过暖机、加速等阶段，直至达到额定转速。
2、运行：在正常运行过程中，660MW超临界空冷汽轮机需要保持稳定的转速和负荷，以实现高效的能源转换。
同时，需要对设备进行定期检查和维护，确保设备的正常运行。
3、停机：在停机时，需要进行逐步减速、停机等操作，同时进行设备的检查和维护。
还需要对设备进行定期的保养和维护，以延长设备的使用寿命。
四、结论660MW超临界空冷汽轮机作为一种高效、清洁的能源转换设备，对于满足人们的能源需求至关重要。
在实际运行中，需要采取科学合理的措施进行设备的监控和维护，以确保设备的稳定性和可靠性。
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上汽660MW超超临界汽轮机自启动控制策略及其热应力计
算
摘要：以上汽3号机组为例，介绍上海汽轮机厂引进的德国西门子公司超超临界汽轮机自启动控制系统策略，详细阐述了数字电液(DEH)控制系统自启动的控制步骤，X准则、Z准则和控制裕度的计算方法以及相应的控制策略，为国内同类型机组的自启动控制设计提供了一个可借鉴的思路。
关键词：660Mw超超临界汽轮机；自启动控制；X准则；z准则；裕度
目前我国几乎所有电站的机组启停均靠人工判断和控制，这种方式存在的缺点包括：(1)严重依赖运行人员的经验和水平：(2)人工控制费时费力，延长了启停过程的时问：(3)有时候仅靠运行人员的经验判断．缺乏科学依据和数据支持．为了追求运行的方便。
难免存在设备热应力过大、减少设备寿命、甚至设备损害的现象上海汽轮机厂引进的德国西门子公司超超临界汽轮机技术．采用一系列热应力计算．实时监视汽轮机应力变化，数字电液(DEH)控制系统自启停顺控步骤的执行．不仅大大减轻了运行人员的负担．提高了机组启停速度．而且也保证了机组的安全使用寿命这项技术已在几个电厂得到成功应用．
1、DEH控制系统硬件配置
上汽3号机组DEH控制系统采用西门子T3000控制系统．该系统集成了超高速处理器以及与之相配合的专用输人输出模件．和西门子标准处理器以及输人输出模件．以满足DEH控制各个子系统对处理器运算速度的不同要求
(1)控制器。
在号控制柜中，采用了2对冗余的处理器417H和FM458．实现双控制器冗余切换．切换时间为毫秒级417H为西门子的标准处理器．而FM458即为超高速处理器FM458具有高性能闭环控制和运算处理．高速响应能力以及高分辨率的特点．最小运算周期达到0．1ms的水平．正常控制逻辑运算处理周期一般选取几毫秒DEH控制系统的转速控制、ETS紧急遮断和甩负荷预测及控制等要求快速处理能力的控制系统均由FM458实现．因此．1号控制柜也被称为核心控制柜。
2、3号控制柜主要用于辅助系统控制和一些对处理速度要求不高的运算控制
(2)I／O模件除了常规的通用模件ET200M之外．与FM458相配合的是DEH 专用控制接口模块ADDFEM．该模块不同于传统输入输出模块．它包含了16个DI通道、l2个AI通道、3个PI通道、12个DO通道以及8个AO通道模拟量输出信号可直接驱动伺服阀，具有完善的自诊断功能、传感器断线监测功能、在线插拔功能
(3)系统通信。
工业以太网通信协议，用于AS417H控制器、工程师站、操作员站总线问的通信，速度可达100Mb／s。
PROFIBUS—DP通信协议用于AS417H 控制器与ET200M及FM458与ADDFEM接口间的通信．速度可达12Mb／s。
2、自启动控制步骤及X准则和Z准则
围绕自启动控制策略有两个核心问题．一个是执行自启动每一步骤的判断条件是什么．另一个是根据当前工况如何既安全又高效的执行自启动步骤前者是实现控制的基础．系统将通过X准则、Z准则来监视、判断各热力参数是否满足工况或应力的要求．从而决定是否进行下一步骤。
从汽机盘车到并网带负荷．自启动步骤共经历35步．其中逻辑设计较为复杂．下面简要列出其步序要领
(1)汽机本体及辅助系统进行自检．检查各个设备、阀门状态是否正常；并将各相关设备投入联锁．以备自启动控制：
(2)白启动油系统，打开汽机各疏水阀，开始进行暖管、暖阀：
(3)暖管一定程度使得满足X2准则、z准则、Z4准则后，打开主汽门，继续暖管、暖阀；
(4)暖管、暖阀充分并满足)(4准则、X准则、X准则后，由运行人员进行了蒸汽品质确认，开始冲转汽机至600r／m暖机转速．进行低速暖机：
(5)增加汽机高压缸的暖机程度，在满足相应条件和X，准则后，还是由运行人员进行升速确认，将汽机冲转至额定转速：
(6)逐渐关闭部分疏水阀．进一步暖机．满足X准则后．发电机并网，机组带初负荷。
3、汽轮机热应力监控及控制裕度
汽机自启动过程中如何做到既安全平稳地运行机组。
又能及时快速地响应用户的需求．发挥机组最大的性能．是一个关键性的问题在保证设备热应力较小、不超限的前提下，快速改变机组的运行工况，这种变化速度的能力．称之为控制裕度。
显然．控制裕度是由当前设备的热应力所决定的．如何准确地表征和计算热应力则是控制机组运行的重要前提
3.1应力监视及应力计算
汽轮机的启动过程中．随着高参数的蒸汽涌人汽缸．蒸汽不断给汽缸和转子加热．这时汽缸的内壁温度高于外壁温度．内壁的热膨胀由于受到外壁的约束而受到压缩．产生压缩热应力：外壁则由于受内壁膨胀的拉伸，产生拉伸热应力同样．此时转子外表面和中心存在温差．温度高的外表面受到压缩热应力的作用，而中心则受到拉伸热应力的影响。
机组在停机过程中．汽机各部件则是一个冷却过程．各个部位所受到的应力与启动时正好相反这些热力都是不可避免的．但是如何将热应力控制在设备可以承受的范围之内却是我们关心的问题西门子独有的汽轮机应力估算器——TSE模块从温差的角度出发．监视并计算应力。
由热弹性理论可知．部件的热应力与金属部件内部的温度梯度成正比．故可采用部件的表面温度和平均温度的差值来表征热应力的大小．选取设备关键部件．采用热电偶测量其与蒸汽接触的表面的温度和50％深度壁厚处的温度．计算两者之间的温差．以温差表征热应力。
通过预先设置各部件的最大允许温差．将计算后的温差与其进行比较．来决定是否应力超限因此，应力监视最终通过测量温差得以实现应力监测示惹50深度壁厚处的温度可看作该部件的平均温度．那么最大允许温差(包含允许上限和允许下限)则是的函数，部件表面温度与的差值与允许温差进行比较即可得到机组运行的温度裕量。
3.2汽轮机自启动控制裕度
在尽快改变汽轮机负荷的同时．将各部件应力控制在允许范围内．选取汽轮机热应力比较集中的5个关键部位：高压主汽门阀体、高压调门阀体、高压缸缸体、高压缸转子、中压缸转子为应力监视对象．实时采集数据并进行比较，将最小的上升和下降温度裕量作为此时汽轮机的上升和下降温度裕量。
据此再从透平应力评估WTG中产生出负荷上升控制裕度WTO和负荷下降控制裕度U，并将其与系统设定的最大允许裕度FBMAX相比．分别得出相应的比值该比值可看作机组负荷变化的控制裕度．它随机组运行状态、应力情况的改变而改变，一旦上升或下降裕度为零，则停止该方向的负荷变化。
将此比值与固定的转速设定值梯度NSVG相乘即得到转速设定值的变化速率：与固定的负荷设定值梯度PSVG相乘即得到负荷设定值的变化速率。
由此来控制机组的负荷升降的快慢．保证机组的安全运行。
4、总结
西门子660MW超超临界汽轮机自启动控制系统很好的解决了启动过程中应力估算和应力控制的问题。
采用了X准则、Z准则和控制裕度等概念，在应力合适的前提下．大大提高了机组的启动速度．系统自我决策．减轻了运行人员的负担并降低了机组启动的风险．值得国内同类型机组的学习和借鉴。
参考文献
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