汽轮机快冷系统的研究及优化改进方案

汽轮机快冷系统的研究及优化改进方案

逯彪

冀建投寿阳热电有限责任公司

山西省晋中市  045400

摘要：随着经济发展，电力需求日益增长，如何缩短检修工期增加单元机组的年利用小时数，成为电力发展研究方向之一。从机组解网停运到满足停盘车、停润滑油的条件，通过自然冷却大概所需要的时间为5-6天，若采用技术手段进行快速冷却则该时间可缩短至1-2天，大大缩短了检修工期。

关键词：汽轮机快速冷却、快冷方式改进、节能降耗

一、研究背景及意义

随着经济发展，电力需求日益增长，如何缩短检修工期增加单元机组的年利用小时数，成为电力发展研究方向之一。从机组解网停运到满足停盘车、停润滑油的条件，通过自然冷却大概所需要的时间为5-6天，若采用技术手段进行快速冷却则该时间可缩短至1-2天，大大缩短了检修工期。

而采用何种技术手段，通过何种方式，使用何种冷却介质就成为各发电单位考虑的主要问题。

二、汽轮机的几种快冷技术及其优缺点

我国对汽轮机快冷技术的研究是从20世纪80年代开始的。目前，汽轮机快速冷却基本采用蒸汽和空气两种冷却介质，主要冷却方式有蒸汽冷却、压缩空气冷却和抽真空冷却3种。

（1）蒸汽冷却：蒸汽冷却是单元机组通过停机过程中锅炉产生的过、再热蒸汽在一定程度上降低温度后经高中压主汽门、调门进入汽轮机高中压缸，以达到冷却汽轮机的作用，但蒸汽存在相变的特性，换热系数大，此操作对蒸汽的压力、温度有严格的限制，且要求冷却过程蒸汽参数必须保持稳定，对控制系统调节特性和操作员的技能提出了较高的要求。

（2）压缩空气冷却：压缩空气冷却是利用单元机组压缩空气系统的空气或专门设置的冷却系统的压缩空气，在符合温度、湿度、洁净度要求的条件下引入汽轮机高、中压缸冷却。在停机初始阶段，压缩空气和金属温差大，为避免产生太大的热冲击，影响设备寿命甚至损害设备，系统需要配置压缩空气的专门加热装置，通过温度、流量的调整来减小热冲击，但此方法对加热装置工作的可靠性和保护配置有较高的要求，必须考虑加热装置突然故障停运的应急处置措施，此时，冷的压缩空气不能直接进入汽轮机，以免对设备造成冲击和损耗。

（3）抽真空冷却：抽真空冷却是利用凝汽器抽真空装置，吸入环境空气来冷却汽轮机，通常是经过锅炉过、再热器停运保养用的充氮阀吸入空气，经过、再热器的余热加热后进入汽轮机冷却。

由于抽真空冷却方法中其冷却介质的湿度、洁净度的品质难以保证，介质流量以及冷却速率不好控制，另外整个过程中真空系统需要持续运行等问题，导致该快冷方式无法广泛使用。

因此，蒸汽冷却和压缩空气冷却常作为汽轮机快冷的主要应用方式。但该两种方式也有其各自的有缺点。

1、蒸汽冷却方式优、缺点：

优点：适用于大型单元机组，系统改动很小甚至不需要改动，不必另外进行附加设备的投资。

缺点：利用锅炉余热或者临机供汽时，该介质参数一来不易调节，二来维持要求的蒸汽过热度相对困难，若操作不当造成蒸汽带水，反而不利于停机后的设备保养。

2、压缩空气冷却方式优、缺点：

优点：独立于整个发电系统，操作相对简单，容错率高，前期干燥处理后，不会出现介质带水的情况，快速冷却过程中，顺带对汽轮机内部进行干燥，对设备保养有益。

缺点：前期投资相对较大，需要对系统进行相应改动，需要保证运行期间加热装置电源的稳定可靠，且最好增设加热装置断电保护逻辑。

三、压缩空气冷却的具体应用方法及改进措施

1、压缩空气冷却方式的细分选择

压缩空气冷却是将空气加热到所需要的温度后，送入汽轮机通流部分，利用金属温度和热空气的温差来进行热交换，从而加速汽轮机内部冷却速度。系统配套高效干燥器，以保证进入汽轮机的空气足够干燥。

根据冷却压缩空气与汽轮机正常运行中工作蒸汽流动方向是否一致可分为逆流和顺流两种。

顺流是将冷却空气从高压调节汽阀前疏水管引入，经高压调节汽阀进入高压缸，从高压排汽联通管上的排汽门排出；中压缸的冷却空气从中压调节汽阀前疏水管引入，经中压调节汽阀进入中压缸，排气安装在低压缸的进汽管上。逆流的冷却介质流向顺流相反。

顺流冷却的冷却介质自高温区引入，传热温差大，比逆流冷却有大的热冲击风险，但由于是全周进气，对转子、汽缸冷却比较均匀，进气区原设计的金属温度监视测点可用，便于监视和控制冷却速率。逆流冷却虽然进口传热温差小，在汽轮机处于高温阶段冷却时受热冲击的风险比顺流冷却小，但因其不具有顺流冷却的均匀性优点及进气区无现成的金属温度监视测点，因此不便于监视及调节。

根据有关资料表明，介质顺流冷却比逆流更加优越，因为其冷却时参数便于监视，机组冷却状态相当于滑参数停机，而汽缸的热冲击风险因空气已在阀门及导管中吸热，温度已升高，故只要控制得当是可以防止的。因此，在快冷介质流向上基本倾向于采用顺流冷却方式。

通过上述介绍与分析，可知在汽轮机快速冷却中，采用顺流冷却方式是为最佳选择。

2、压缩空气冷却方式的具体应用方法

山西某发电厂采用的压缩空气快冷系统是将压缩空气由厂用杂项压缩空气储气罐引出，经过油水分离器净化及干燥器干燥后分两路进入电加热器，被加热达到要求的温度后一路由高压缸导气管疏水门进入高压缸，顺流通过高压缸通流部分，再由高排逆止门前排空管排出。另一路分别经左、右侧再热导气管疏水门顺流进入中压缸，后经中、低压缸连通管，最后从低压缸人孔门排出。

3、压缩空气冷却方式的改进措施

由上述具体流程知，高压缸冷却和中、低压缸冷却可看作两套冷却系统。高压缸冷却后的高温排气不能很好被利用，这就造成空压机出力以及压缩空气电加热系统的能耗增大，整个快冷过程的成本增大。

为了减少快冷期间的用气量，降低电加热器的功耗，对整个系统做了如下改进：将高压缸冷却后的高温排气送入集箱，对其经行稍微处理后重新送入中压缸进行冷却。

改进前多次统计发现，高压缸冷却后的排气温度与中压缸进口处温度相差很小，中压缸需要的冷却气量与高压缸冷却后的排气量相差很小。将高压缸冷却后的排气进行再利用不存在设计上的缺陷。为满足中压缸足够的冷却气量，将高压缸排气集箱上增加一路经过加热器（另加旁路）的供气管道，用来补充中压缸特殊情况下额外的用气量及用气温度。

改进后，压缩空气快冷系统的高压缸、中压缸、低压缸串联连接，整个冷却过程中冷却空气用量基本达到改进前的一半，对于空压机的功耗和电加热器的功耗都大大减少。

四、关于汽轮机快冷对其寿命损耗的分析

在汽轮机快冷应用推广中有很大一部分电厂对于此方法都存在“可用但不建议”的观点。根据有关资料计算证明，对于气缸和转子来说，快冷过程中维持温降率10℃/小时以内时，对其寿命的影响是可以忽略不计的。根据本厂使用参数来看，基本按照4℃/小时-5℃/小时的降温速度来控制，对汽轮机使用寿命几乎没有影响，再加上压缩空气冷却方式独有的容错率高，在保证运行人员技能水平的前提下可放心使用。

五、结语

随着材料技术的发展，性能越来越好的保温材料将会用在汽轮机外部，因而导致大型发电机组停机后自然冷却时间越来越长，这就使汽轮机快冷技术越来越被重视，逐渐作为冷却的常规手段投入生产实践，而快冷期间的节能降耗也将成为新的研究课题。

本文通过一些微小的改进，降低了压缩空气快冷方式能耗量的将近50%，对汽轮机快冷方式的推广起到了一定的积极作用。

参考文献：

[1]肖曾弘 快乐装置的使用对机组寿命的影响《内蒙古电力技术》1997，（1）：68-70

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[3]刘茁汉 300MW汽轮机快冷系统优化改进《全国火电300MW级机组能效对标及竞赛第二十四届年会论文集》

[4]卢允谦、刘海宝、周兰欣、张小桃 300MW汽轮机快冷系统的改进及应用《汽轮机技术》2009（5）：379-382

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