1.引言

现代大型汽轮机多数机组设计的启动方式为中压缸启动，即汽轮机冲转-升速-发电机并列至10%额定负荷阶段均采用中压缸进汽，高压缸封闭且抽至高真空状态，然后高压缸再进汽投入联合运行。该启动方式下机组冲转前高压缸提前完成一定程度的加热，可提高机组的启动速度，加快中压缸的膨胀，减少低负荷段时间，节约机组的启动费用。

多数采用中压缸启动的机组，启动过程中经常出现高压缸封闭状态下其排汽口温度较低，在高压缸投运操作过程中，其排汽口温度经历快速上升，随后短时间（3-5min）内快速下降的大幅波动过程，部分机组最大波动幅度达120℃以上，蒸汽温度波动速率超过25℃/min，导致对应部件金属温度短时间内大幅波动，波动最大值可达到60℃，金属内外壁温差可达到70℃以上，引起较大交变热应力，严重时引起部件裂纹，运行寿命大幅缩短。部分机组由于高压缸排汽温度过高引起机组非计划停运事故。

2.高压缸排汽温度大幅波动机理分析

我国典型的超临界600MW机组中压缸启动流程，机组为两级串联旁路系统，高压缸排汽逆止门前设置一路至凝汽器喉部的抽真空阀（称为VV阀），为了保证高压缸加热正常设置了一路由辅助蒸汽至高压缸排汽逆止门前的预暖蒸汽管路。机组的启动参数为p₀=8.7MPa,t₀=380℃；p_z=1.2MPa,t_z=340℃；高压旁路开度≥60%，低压旁路开度≥60%。汽轮机冲转前高压缸通过辅助蒸汽进行倒暖加热至150℃以上（金属壁温），高压缸排汽口蒸汽温度可达到180℃。

2.1中压缸启动过程中，高压缸排汽温度状态观察

调查300MW容量及以上机组冷态中压缸启动操作，其中包括2台300MW，4台600MW，2台660MW，2台1000MW共计10台机组，机组冲转参数的数据如表一所示（高压缸排汽金属温度为高压缸完成预暖后，机组冲转前的缸温状态）：

上表中参数是现场根据各厂实际启动时抄录参数，大型机组中压缸启动时，各厂采取的冲转参数及旁路开度基本接近，高压缸排汽金属温度均加热至150℃以上。进汽参数主蒸汽压力在8.3MPa左右，主蒸汽温度在380℃左右，再热压力取1.1-1.2MPa，温度取360-370℃。旁路开度多在60%左右。

从冲转至高压缸并缸投运全过程，高压缸排汽温度变化趋势调查，变化如表二所示。

上表可得出，结论一：在高压缸进汽前排汽温度从冲转前的状态逐渐上升，各类机组上升幅度差别较小，机组冲转至10%额定负荷暖机结束时间一般均控制在200min左右，高压缸排汽温升速度各类机组基本保持在0.5℃/min以内，对高压缸金属部件不造成热冲击，且热应力较小满足安全系数的要求。结论二：高压缸进汽开始，至投运操作结束，所有机组的切缸时间差异较大，参与调查的10台机组中，切缸时间在3′15″以上占60%，其温度波动均较大，其中10号机组1000MW容量，最高温度达到396℃，波动幅度128℃。10台机组切缸操作中高压缸排汽温度峰值平均达到375℃以上，波动幅值平均达120℃以上。通过实际调查，切缸时间较长时，切缸过程中，机组负荷波动较大，一般达到10%额定负荷以上。

2.2高压缸排汽温度波动机理

2.2.1 汽轮机鼓风摩擦机理：

高速旋转的汽轮机转子（轴、叶轮、动叶片），与汽缸腔室内蒸汽摩擦，蒸汽对旋转的转子产生阻力，要克服阻力必然消耗一部分机械功。蒸汽与静止部分流道之间产生相对流动摩擦，损耗一定的蒸汽动能，两部分能量损失之和称为汽轮机的摩擦损失。

汽轮机转动时蒸汽质点随叶轮一起绕轴旋转而产生离心力，靠近叶轮壁面的蒸汽圆周速度大，离心力亦大。靠近隔板处的蒸汽圆周速度小，离心力小。在离心力偏差的作用下，蒸汽在叶轮与隔板之间产生涡流运动，消耗叶轮机械功，形成了鼓风损失。鼓风与摩擦两部分损耗的机械功以热能的形式被蒸汽重新吸收，导致蒸汽温度上升。

鼓风摩擦损耗的大小与转速的三次成正比，与叶片的长度成正比，与蒸汽质点的平均密度成正比。机组转速越高，叶片越长，汽缸内蒸汽压力越高鼓风摩擦损耗越大。

鼓风摩擦产生热量的条件之一是高速旋转，汽轮机启动达到3000转/分的高转速无可避免；另一个条件是具有大量的工作介质（即蒸汽），当采取中压缸启动方式时，高压缸内不进入蒸汽，且如图一所示，设置有高压缸抽真空的VV阀，将缸内存留的蒸汽抽至凝汽器，缸内蒸汽密度极低，从冲转-升速-发电机并列至低负荷过程中始终保持较低鼓风摩擦损耗，产生的热量较少，高压缸排汽温度上升较为缓慢。从表二中温度变化可以证明该项结论。

2.2.2 高压缸鼓风摩擦热量堆积：

当汽轮机进入蒸汽作功时，较大流量的蒸汽在鼓风摩擦产生热量的同时即时带走该部分热量，不会造成蒸汽温度上升，即鼓风摩擦产生的热量不会堆积在汽轮机内。中压缸启动时如果高压缸内蒸汽滞留，汽轮机内蒸汽不流动不作功，大量的热量被滞留的蒸汽吸收，引起热量大幅堆积，极易导致温度快速上升。

2.3高压缸排汽温度波动幅度影响因素分析

通过实际现场数据分析，高压缸排汽温度的波动均发生在中压缸启动方式的高压缸切缸操作阶段，时间约为3min左右。切缸时间前半段为高压缸排汽温度突升阶段，温度的最高值和突升幅度与该段时间有关，时间越长温度突升幅度越大，实际生产现场导致前半段时间较长的主要原因为高压缸排汽逆止阀开启时间。

2.3.1再热蒸汽压力设置过高

调查显示，各台机组中压缸启动的冲转再热压力一般设置1.0-1.2MPa，且一直保持至高压缸切缸操作结束。切缸操作时必须将高压缸内压力上升至大于再热压力后，才能将逆止门正常打开，升压过程受高压调门的开启时间限制，且受机组负荷上升速度的影响，当维持正常的调门开启速度，并控制机组负荷变化时，高排逆止门开启滞后，导致高压缸一定程度的闷缸现象发生，高压缸排汽温度大幅上升。

2.3.2高压缸切缸控制：

1.高压缸切缸逻辑中，当进行自动切缸操作时，没有旁路系统对再热压力的调节控制模块，不能实现自动调节与控制。

2.高排逆止门未能正常开启前，VV阀始终处于开启状态，减弱了高排逆止门的开启能力。

3.切缸操作时，开启高压调门时，中压缸进汽阀对机组负荷自动控制，会正常的关小，导致再热压力上升，同时低压旁路自动调节滞后引起高排逆止门不能快速开启。

4.高压缸进汽初期，由于排汽逆止门未打开，高压缸仍没有通流量，主蒸汽压力短时内未下降，导致高压旁路自动根据主汽压力下降关小过程滞后，高压缸排汽逆止门后压力仍保持较高。

2.4高压缸排汽温度超温、大幅波动的危害

2.4.1高压缸排汽温度超温引起排汽口金属温度超过高温蠕变温度，引起塑性变形，导致机械强度下降。

2.4.2高压缸排汽温度上升速度过快，引起相应金属部件加热时内、外壁过大的温差，造成较大的热应力，严重时形成热冲击事故。

3.控制高压缸排汽温度波动的措施

3.1中压缸启动时高压缸切缸操作的参数控制

切缸操作前降低再热压力，调节开大低压旁路的开度（可设置自动方式下进行控制），逐渐降低再热压力，在维持机组负荷不变的工况下，逐渐开大中压调速汽门至80%开度以上。注意厂用蒸汽不足时，应强加辅助蒸汽系统的压力监控，如投用了再热冷段至厂用蒸汽系统时，应在保证厂用蒸汽使用正常的前提下完成再热压力控制。

建议控制再热压力在0.5MPa，低压旁路开度60-80%。通过试验的基础上可以进一步下降低至0.3MPa。

3.2中压缸启动时高压缸切缸操作方法

3.2.1切缸操作前的准备

切缸操作前适当关小高压旁路，开大低压旁路，控制再热压力缓慢下降，观察中压调门开启情况，且稳定机组负荷。操作时间控制在5min以上，保证参数稳定变化。

稳定锅炉燃烧，保持主汽压力稳定在定压模式下。检查高压旁路、低压旁路均在自动状态下。

汽轮机保持DEH功率控制方式，退出“TF”自动控制模式。

3.2.2切缸操作方案改进

按正常的切缸操作模块未改进前仍按原始切缸模块执行，在高压调门自动始开时，同步开大低压旁路，且手动关闭高压缸VV阀，提高高压缸排汽逆止阀前的压力，快速开启逆止阀。

4. 应用实例

4.1机组概况

某350MW超临界机组，N350-24.2-569/569一次中间再热、单轴、三缸两排汽、单背压、凝汽式汽轮机，八级抽汽、单汽泵（无电泵）。机组启动方式为中压缸启动，启动参数为：p₀=6.0MPa,t₀=370℃；p_z=1.2MPa,t_z=330℃；高压旁路开度≥75%，低压旁路开度≥65%（旁路容量为30%）。

4.2存在的问题

机组于2018年投产，2018-2021年采用中压缸启动方式启动了7次，其中6次为冷态启动。6次启动操作中，高压缸切缸操作时，高压缸排汽温度升高的最高值达到424℃，该次启动造成了保护动作跳机，其余各次启动均造成高压缸排汽温度上升至380℃以上，且平均值超过了395℃。切缸过程中温度波动幅度平均达到136℃，波动范围在240-395℃之间。切缸操作时，再热压力一直保持在1.2MPa以上。每次切缸操作时间多为3min以上，且高压缸进汽流量大幅波动，其中两次导致高压缸两侧轴承振动上升，与本文分析现象相同。

5.结束语

高压缸排汽温度在中压缸启动方式下出现严重的波动，导致高压缸金属部件的应力异常，影响机组的寿命，是寿命管理过程的一个突出异常原因，在实际生产现场通过分析研究，本文提出改进操作方案，控制启动参数，设置切缸控制模块等措施，在实践中应用，证明方案可行，措施能达到预期目的。

参考文献：

[1]300MW-600MW级汽轮机运行导则 DL/T608-2019，中华人民共和国电力行业标准，中国电力出版社

[2] 汽轮机启动调试导则 DL/T863-2016，中华人民共和国电力行业标准，中国电力出版社

[3] 《集控运行》1000MW超超临界机组发电技术丛书，张志挺主编，中国电力出版社

[4] 大型火电机组运行维护培训教材《汽轮机分册》，高澍芃著，中国电力出版社