大型气轮机强迫冷却关键技术浅谈

　　评论：　更新日期：2018年12月22日

摘要：近年来，大型汽轮机停机后强迫冷却这一研究课题越来越得到重视。论文对某汽轮机及其系统的实际情况和特点，通过对国内外大量的汽轮机加速冷却系统实例的分析和研究，提出了汽轮机停机后加速冷却的方案，并提出了应该注意的问题。

Abstract: In recent years, after the forced shutdown of large turbine cooling has been more attention to this research. Thesis of a steam turbine and the actual situation and characteristics of the system by a large number of domestic and international examples of turbine cooling system to accelerate the analysis and research, the turbine accelerated cooling after the shutdown program, and suggests that we should pay attention to.

关键词：大型气轮机强迫冷却设计

汽轮机参数、容量及其保温材料性能的提高和保温工艺的改进，使得汽轮机停机后自然冷却速度降低，导致在停机检修时需要很长的等待冷却时间，减少了有效检修时间，直接影响检修工期的充分利用和机组的可用率，机组容量越大，矛盾越为突出，因此缩短大型汽轮机检修时停机时间，提高机组投运率，在我国目前电力紧缺的情况下，具有重大的意义和经济效益。

1现有强迫冷却方法的比较

停机以后加速冷却的方法，各发电厂由于根据其各自系统的特点采用不同的方法，根据所采用的冷却工质，目前可分为蒸汽冷却和空气冷却两大类。

1）蒸汽冷却法。利用低温低压蒸汽快速冷却，目前国内报导的有邻机抽汽冷却法和锅炉余汽冷却法，这些方法在125mw机组成功地应用过。山东辛店电厂125mw机组在高压缸排汽管上接有邻机二级抽汽和除氧器平衡汽源，目的在冷态启动前用来加热汽轮机。2）空气冷却法。利用空气的强迫通风冷却有抽真空冷却法和压缩空气冷却法两种。压缩空气冷却法已有二十多年的历史，英、法等西欧国家普遍采用，国内亦有成功的报导；抽真空冷却法在国内实际用得最多，近年来正式报导却没有见到，在国外，前苏联在这方面有研究。压缩空气冷却根据冷却空气与工作蒸汽流动方向的异同，冷却方式可以是顺流，亦可以是逆流。采用压缩空气冷却又有对压缩空气进行预热和直接通入压缩空气两种。

采用蒸汽作为工质的冷却方法诸如邻机抽汽冷却和锅炉余热冷却其优点是不增加设施、冷却效果好，但是由于蒸汽的传热系数远大于空气且过热度低有相变的危险，蒸汽的压力和温度控制和监视很困难，具有很大的风险性，在大机组很少使用。采用逆流抽真空法有一个担心就是吸入的低温潮湿的空气对转子和汽缸的腐蚀。压缩空气冷却法需要增加设备和管道而且需要大量的压缩空气，但是具有下述明显的优点：压缩空气冷却法可配备空气加热器，这种方法技术上切实可行、安全可靠，可控性强；以干燥洁净的空气作为冷却介质，由于其对流换热系数小，无相变换热问题，比低温蒸汽作为冷却介质要方便和安全；若压缩空气容量足够，可以通过调节空气的温度和流量保持平稳均匀地控制在最优冷却速率下全过程冷却；压缩空气冷却是正压冷却，不需投轴封汽，且能保证低温阶段的冷却速率，可控手段多于抽真空冷却法，比抽真空冷却法明显优越；总之，从安全性角度出发，大容量汽轮机停机后加速冷却采用带预热的压缩空气强迫通风方式比较合适。

2电厂汽轮机强迫冷却方案设计

2.1压缩空气量的确定

汽轮机的快速冷却，最优先考虑的是安全性。冷却速率是按膨胀性能和机械应力并使寿命消耗可忽略不计来考虑的，确定冷却空气的流量是最重要的一件事，国内、外在这方面进行了大量的、系统性的试验和研究，通过在大小不同机组上的现场试验及大型计算机的仿真计算，得出了最优化冷却所需的最佳空气量。表1所示为BrownBoveri的研究成果，不论汽轮机的容量大小，冷却速率可达10～12 。

表1 不同容量汽轮机强迫冷却时的最佳空气流量

汽轮机容量（MW）	200	300	350	500	600～700
空气流量（m³/min）	45	54	66	78	108
冷却时间(小时）	30～40

2.2顺流与逆流方式的选择

采用压缩空气强迫冷却可以有顺流和逆流两种方法:顺流冷却空气自高温区引入，传热温差大于逆流冷却，故有比逆流冷却大的热冲击可能。但由于顺流冷却是全周进气，在汽缸内沿圆周流动比较均匀，对转子和汽缸的冷却亦比较均匀；汽缸高温段沿流程原来都有的金属温度监视测点可以利用，便于监视和控制冷却速率；即使空气在室温状态下被引入，但因空气经较长的管道加热后进入汽缸，不会使转子和汽缸受到过大的热冲击；顺流冷却传热温差大，冷却效果好，因此，采用顺流冷却方式比较合适。

2.3压缩空气管道的设计

1）主空气管道的设计。设在主要冷却过程中的空气温度为150℃，压力为0.6MPa表压，流速为30m/s，则所需的空气管通流面积为9800mm²，。为减少空气管的锈蚀，主管道选用 127x5.0mm的YB232—70锅炉钢管。但应考虑到有可能气压不足，则主管道选用中 200mm。

2）机侧引入管的设计。机侧压缩空气引入管的设计原则是在满足通流截面的基础上尽可能地减少管子数量、减少焊口和阀门以最大限度的减少高温、高压蒸汽泄漏的可能性。由于中压缸排汽口通过连通管与低压缸相连，虽然中压转子及汽缸的质量大于高压缸，但冷却条件优于高压缸，因此，要使高、中压缸保持相同的冷却速度，高压缸的冷却空气流量应不小于中压缸。该汽轮机的实际停机自然冷却曲线，在缸温较高的时段，中压缸的自然冷却明显快于高压缸，但在冷却的主要时段即缸温在200℃以下时，高、中压缸的冷却速度基本相等，若用相同流量的压缩空气进行强迫冷却，估计高压缸的冷却速度会快于中压缸，因此，设计时，高、中压缸取相等的冷却空气流量，即取相等的引入管通流面积，各为2500mm²左右(最大流速为60m/s）。

2.4强迫冷却系统

空气预热温度的控制设备装在配套的电气控制柜内，采用手动设定。自动调节的方式控制预热温度，在设定温度相应最大流量以下时，调节偏差在士3℃左右。因空气对缸壁的换热系数比蒸汽小得多，又不存在相变换热，故在自动调节正常波动范围内，此温度波动对冷却不会发生明显影响，因而温度设定后，在相应最大流量以下时可看作是恒定的。由于设置了汽轮机快速冷却装置，对冷却空气可根据停机后金属温度水平及换热温差要求预加热，故冷却汽轮机的进气口位置可任意选择，而且不仅可用于滑参数停机后的继续冷却过程，亦可直接用于新汽额定温度条件下紧急停机后即开始的冷却过程。

冷却过程应注意的问题：1）为保证高中压缸实现上述流程，冷却时应利用进气和排气门有意识作些调整，使高缸排气压力稍高于中缸进气压力，否则机组会有部份区域无气冷却。2）左、右侧高压调门后疏水均经节流孔板后再合并为一，因节流孔板孔径小，故压缩空气均应从节流孔板后送入。送气管未端均设有法兰堵板，在与汽机导汽管的疏水管相连的送气阀未开前供冲管用，冲管结束后即复装。3）高中压缸送气管电动门前均装有Dg25就地排气阀，供暖管时排气用，同时吹出锈屑等杂物，冷却开始后则逐渐关闭。4）压缩空气与导汽管疏水管的送气接点，高压缸采用两只串接高压阀，中压缸用一只，均只须手动阀。但为防止正常运行中漏汽造成空气管中超压，故在压缩空气管道适当位置加一Dg15泄压阀，保证安全。5）冷却系统的排气口，除二抽管上采用电动阀实现远动调整高缸排汽压力外，其余均采用手动阀。安装时应避免因阀门泄漏造成积水可能，可在阀后管子最低部位装一考克或钻一小 5孔。