CN110410161A - 一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法 - Google Patents

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    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling

Abstract

本发明公开了一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，包括负压冷端系统，所述负压冷端系统包括背压机和冷却水母管，所述背压机输出端的一侧连接有本体疏水扩容器，另一端连接凝汽器，所述凝汽器连接有凝结水泵和射汽抽汽器，所述射汽抽汽器排出口连接有冷凝器。本发明在使用时，能够提高汽缸的加热速度，减少汽轮机上下缸温差，降低动静碰磨和大轴弯曲的风险，使汽轮机更加安全稳定的运行，提高电厂安全性，同时可以减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，回收背压机排汽疏水热量，同时增加电厂向外供汽量，提高电厂经济性。适用于各种背压式汽轮机的启动过程，适宜推广使用。

Description

一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法
技术领域
本发明涉及汽轮机的运行技术领域，尤其涉及一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法。
背景技术
汽轮机启动是指汽轮机转子由静止加速到额定转速，并逐步升到额定负荷的动态过程。合理的启动方式，不仅要保证零部件在加热过程中安全可靠，而且要求保证最佳温升速率，经济方便，缩短启动时间。
目前，背压汽轮机不论热态还是冷态启动，通常采用向空排汽启动方式.即在冲转、暖机升速、到并网之前，所用蒸汽全部排入大气，既浪费了能源，同时还产生100dB以上的噪音，干扰工作环境。向空排汽启动方式，进入汽缸内的工质焓降较集中地发生在速度级。因此，速度级及其之前附近的金属部件加热剧烈，温升速率高(5℃/min以上)，而工质在各压力级的焓降甚微，金属吸热量很少，温升速率很低(0.5～1.0℃/min)，并且温升上限也不高，形成了汽轮机前段与后段的大温差。这种工况甚至延续到并网带负荷阶段，后部汽缸温度仍然偏低(在低温脆性温度线附近)。向空排汽启动方式，使得启动初始阶段的汽轮机高压侧金属热应力很大，而在并网接带负荷的初阶段，汽机后部低压段金属热应力加大。实际操作中，只得限制加负荷的速度，延长机组启动时问，以减轻其热应力，从而降低了机组效率。此外，在并热网的操作过程中，如果向空排汽门关闭过快，背压排汽阀门开启过慢，就会使排汽压力升至过高，致使安全阀起座(如安全阀失灵，可使爆管)；反之，如果背压排汽阀门开启过快，而向空排汽阀门关闭过慢，又会导致排汽压力下降，影响供热质量。因此，综合考虑经济角度、操作安全及保证热用户工作质量，背压机向空排汽启动方式有待改进。
从汽轮机冲转至整个接带负荷的过程，是一个暖机加热过程。目的是提高汽轮机各部金属温度，控制差胀、振动等指标在一定的范围内，继而顺利过渡到工业运行，是启动过程中应遵循的原则。
由于背压机大部分采用单层缸设计，没有夹层加热，在启动阶段机组正胀差较大，经常触发胀差报警信号；主要原因是气缸本体与疏水扩容器间的压差较小，疏水不畅，气缸存在积水问题，盘车时出现“动静碰磨”现象；暖机阶段平均需要一到两次“闷缸”过程，直接拉长暖机时长；即使在冲转后期，疏水已经排尽，由于汽缸各疏水管排汽量有限，仍然不能满足汽缸加热的需要，正差胀仍然很大，严重影响机组安全，为此我们设计出了一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法来解决以上问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，包括负压冷端系统，所述负压冷端系统包括背压机和冷却水母管，所述背压机输出端的一侧连接有本体疏水扩容器，另一端连接凝汽器，所述凝汽器连接有凝结水泵和射汽抽汽器，所述射汽抽汽器排出口连接有冷凝器，所述冷却水母管一端连接凝汽器，另一端连接冷凝器，所述冷凝器的输出端的一侧与凝结水泵连接，所述冷凝器的输出端的另一侧连接冷却水系统，所述冷却水系统包括轴封加热器，所述轴封加热器的另一端连接有补水加热器，所述补水加热器的输出端连接有除氧器，所述除氧器连接有热力循环系统。
优选的，所述凝结水泵不限于转动式凝结水泵，还包括喷汽(气)式抽水泵、喷水式抽水泵等各种抽水泵。
优选的，所述背压机与本体疏水扩容器之间连接有本体疏水扩容器进口隔离阀。
优选的，所述冷凝器与蒸汽器之间连接有输水管，所述冷凝器中经冷却后的疏水回至凝汽器中，再经过凝结水泵升压后回至冷却水系统，再经过轴封加热器和补水加热器进入除氧器，回收至热力循环系统。
优选的，射汽抽汽器排出口和凝结水泵出口直接引至本体扩容器中。
优选的，冷却水源可采取多种水源，包括机组除盐水补水、凝结水、开式水和闭式水。
一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其参数的确定按以下步骤进行：
S1、确定背压机汽缸热排放流量
对于背压机，调节级动叶后内表面和最后一级动叶前的内表面传热强度，可以参照光滑内表面。确定对流换热表面传热系数。其计算公式为汽缸光滑内表面的对流换热表面传热系数计算：
(1)在背压机启动时，汽缸内壁为热压应力，外壁为热拉应力，且内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力。计算公式为：
(2)在背压机在停机过程中，内壁表面为热拉应力，外壁表面为热压应力。由于应力上限是已知的，由此可以确定温升率，再由汽缸的质量、比热确定吸热率，根据热平衡原理、蒸汽的温度、压力和汽-壁温度差，可以确定蒸汽流量。
S2、冷端压力的确定
在S1中背压机汽缸疏水位置已定时，疏水管道直径一定，控制冷端压力排出一定量的蒸汽，通过疏水管道长度不大，而且上下落差不大，可知蒸汽位能差和沿程阻力可以忽略不计，利用伯努利方程求出冷端压力。
S3、射汽抽汽器参数确定
当冷端压力和蒸汽流量确定后，射汽抽汽器设计参数可以确定；
射汽抽汽器是利用流体流动时的静压能与动能相互转换的气体动力学原理来形成真空。具有一定压力的水蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喉径时达到声速，到喷嘴的扩散部时,静压能全部转化为动能，达到超声速，同时喷嘴出口处形成真空，被抽气体在压差的作用下，被抽入吸入室和超声速的蒸汽一边混合一边进入文丘里管，然后以亚声速从文丘里的扩散管排出，同时混合的气体速度逐渐降低，压力随之升高，而后从排出口排出。如果将几个喷射泵串联起来使用，泵与泵中间加入冷凝器使蒸汽冷凝,便可得到更高的真空度。整套蒸汽喷射真空系统由若干级泵体与冷凝器两大部分组成。各级泵体均由喷嘴、入室及扩压器组成,喷嘴可以是单只，也可以是多只，喷嘴一般采用不锈钢材料，吸入室和扩压器等其它部件可采用不锈钢、铸铁及碳钢等材料；
根据奥·芳夫的计算模型，得出了蒸汽喷射器中被抽气体为空气、工作汽体为蒸汽(绝热指数不变)、在扩压器喉部有激波存在时的压缩比与引射系数和膨胀比的函数关系为：
优选的，所述S3中计算方式的字母表达方式为：Y—压缩比，即喷射泵排出压力与吸入压力之比；PK—喷射泵排汽压力；PS—喷射泵吸汽压力；ηd—为能量效率，反映气体在流动时动能与压力能转换过程中的能量损失情况；—混合气体平均绝热指数，其值为：
所述CpS为被抽汽体的定压比热容；CpT为动力蒸汽的定压比热容；CνS为被抽汽体的定压比热容；CνT为动力蒸汽的定压比热容；μ为引射系数；为混合气体进入混合室速度与混合气体临界速度之比，由膨胀比决定。
优选的，所述S1中计算方式的字母表达方式为：d2—汽缸内直径；d1—转子外直径；Cz—轴向流速；Cu—切向流速；λ—流体导热系数；ν—流体运动粘度；Pr—流体普朗特数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过所述背压机输出端的一侧连接有本体疏水扩容器，射汽抽汽器的吸入口连接有凝汽器，背压机启动过程中的疏水排汽经过进口隔离阀引入凝汽器中，凝结成水，并且形成负压，由于凝汽器中建立的是负压，因此背压机汽缸中的压力与凝汽器的差压大于背压机汽缸中的压力与原疏水扩容器的差压，因此背压机的疏水排汽量急剧增加，加强了蒸汽对汽缸的加热能力，减少了汽缸内上下壁间的温差，降低汽缸的热应力，减少了差胀和汽轮机启机时间。
(2)减少汽轮机上下缸温差，降低动静碰磨和大轴弯曲的风险，使汽轮机更加安全稳定的运行，提高电厂安全性；
(3)缩短启机时间约1/3-1/2，降低厂燃油和燃煤消耗量，减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，回收背压机1排汽疏水热量，同时增加电厂向外供汽量，提高电厂经济性。
该发明在使用时，不但能够减少汽轮机上下缸温差，降低动静碰磨和大轴弯曲的风险，使汽轮机更加安全稳定的运行，提高电厂安全性，且可以减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，回收背压机1排汽疏水热量，同时增加电厂向外供汽量，提高电厂经济性，适应于各种类型的背压式汽轮机，可推广使用。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法的流程图。
图中：1-背压机；2-射汽抽汽器；3-凝汽器；4-冷凝器；5-凝结水泵；6-本体疏水扩容器；7-轴封加热器；8-补水加热器；9-凝汽器进口隔离阀；10-本体疏水扩容器进口隔离阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一
一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其工作过程如下：建立一个负压冷端，将背压机1的本体疏水引入其中，使排汽疏水在其中凝结，降低疏水、排汽压力，同时用射汽抽汽器2、凝结水泵5维持负压冷端的真空，背压机1输出端的一侧连接有本体疏水扩容器6，另一端连接凝汽器3，凝汽器3连接有凝结水泵5，射汽抽汽器3排出口连接有冷凝器4，冷却水母管一端连接凝汽器3，另一端连接冷凝器4，冷凝器4中经冷却后的疏水回至凝汽器3中，再经过凝结水泵5升压后回至冷却水系统，保证了凝结水的正常水位，使冷凝器4不被凝结水淹没，从而保证了凝汽器3正常工作，形成负压；之后疏水再经过轴封加热器7和补水加热器8进入除氧器，回收至热力循环系统。
凝结水泵5的类型不限于转动式凝结水泵，同时包括喷汽(气)式抽水泵、喷水式抽水泵等各种抽水泵，射汽抽汽器2排出的汽气混合物和凝结水泵5排出的凝结水，也可以不回收，直接排至本体疏水扩容器6中，闪蒸后排入环境中去。凝汽器3和冷凝器4所用的冷却水，来自于凝结水(除盐水)母管，吸收热量后经过轴加和补水加热器直接进入除氧器中，由于凝汽器3中建立的是负压，因此背压机1汽缸中的压力与凝汽器3的差压大于背压机1汽缸中的压力与原疏水扩容器的差压，因此背压机1的疏水排汽量急剧增加，加强了蒸汽对汽缸的加热能力，减少了汽缸内上下壁间的温差，降低汽缸的热应力，减少了差胀和汽轮机启机时间；其中，射汽抽汽器2利用蒸汽的动力，在喷射器内形成负压，将凝汽器3中的不凝结气体和残余水蒸气抽出，有利于凝汽器3形成真空。凝结水泵5用于排出凝汽器3中的凝结水，保证了凝结水的正常水位，使冷凝管4不被凝结水淹没，从而保证了凝汽器3正常工作。
同时，该发明在使用过程中，满足于以下条件：
(1)凝结水泵5的类型不限于转动式凝结水泵，也包括喷汽(气)式抽水泵、喷水式抽水泵等各种抽水泵。
(2)射汽抽汽器2排出的汽气混合物和凝结水泵5排出的凝结水，也可以不回收，直接排至本体疏水扩容器6中，闪蒸后排入环境中去。
(3)凝汽器3和冷凝器4所用的冷却水，不只包括机组除盐水补水和凝结水，如果不考虑热量回收，可以选用开式水作为冷却水源，将热量直接排入环境。
操作该方案能够得到以下效果：
采用背压机冷端优化技术，可有效降低背压机1本体的疏水背压和排汽背压，增加背压机本体的疏水流量和排汽流量，提高汽缸表面的蒸汽流速，增强蒸汽对汽缸表面的加热能力，使汽缸的金属温度迅速上升，同时，减少汽轮机上下缸温差，降低动静碰磨和大轴弯曲的风险，使汽轮机更加安全稳定的运行，提高电厂安全性；缩短启机时间约1/3-1/2，降低厂燃油和燃煤消耗量，减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，回收背压机1排汽疏水热量，同时增加电厂向外供汽量，提高电厂经济性。
该发明在使用时，不但能够减少汽轮机上下缸温差，降低动静碰磨和大轴弯曲的风险，使汽轮机更加安全稳定的运行，提高电厂安全性，且可以减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等的排放，回收背压机1排汽疏水热量，同时增加电厂向外供汽量，提高电厂经济性，适用于各种类型的背压式汽轮机，可推广使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，包括负压冷端系统，其特征在于，所述负压冷端系统包括背压机(1)和冷却水母管，所述背压机(1)输出端的一侧连接有本体疏水扩容器(6)，另一端连接凝汽器(3)，所述凝汽器(3)连接有凝结水泵(5)和射汽抽汽器(2)，所述射汽抽汽器(2)排出口连接有冷凝器(4)，所述冷却水母管一端连接凝汽器(3)，另一端连接冷凝器(4)，所述冷凝器(4)的输出端的一侧与凝结水泵(5)连接，所述冷凝器(4)的输出端的另一侧连接冷却水系统，所述冷却水系统包括轴封加热器(7)，所述轴封加热器(7)的另一端连接有补水加热器(8)，所述补水加热器(8)的输出端连接有除氧器，所述除氧器连接有热力循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述凝结水泵(5)不限于转动式凝结水泵。
3.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述背压机(1)与本体疏水扩容器(6)之间连接有本体疏水扩容器进口隔离阀(10)。
4.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述冷凝器(4)与凝汽器(3)之间连接有输水管，所述冷凝器(4)中经冷却后的疏水回至凝汽器(3)中，再经过凝结水泵(5)升压后回至冷却水系统，再经过轴封加热器(7) 和补水加热器(8)进入除氧器，回收至热力循环系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述凝汽器(3)包括混合式凝汽器和表面式凝汽器。
6.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，射汽抽汽器(2)排出口和凝结水泵(5)的出口直接引到本体疏水扩容器中去。
7.根据权利要求1所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，冷却水源可采取多种水源，包括机组除盐水补水、凝结水、开式水和闭式水。
8.一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其参数的确定按以下步骤进行：
S1、确定背压机汽缸热排放流量
对于背压机，调节级动叶后内表面和最后一级动叶前的内表面传热强度，可以参照光滑内表面。确定对流换热表面传热系数。其计算公式为汽缸光滑内表面的对流换热表面传热系数计算：
(1)在背压机启动时，汽缸内壁为热压应力，外壁为热拉应力，且内外壁表面的热压和热拉应力均大于沿壁厚其他各处的热应力。计算公式为：
(2)在背压机在停机过程中，内壁表面为热拉应力，外壁表面为热压应力。由于应力上限是已知的，由此可以确定温升率，再由汽缸的质量、比热确定吸热率，根据热平衡原理、蒸汽的温度、压力和汽-壁温度差，可以确定蒸汽流量。
S2、冷端压力的确定
在S1中背压机汽缸疏水位置已定时，疏水管道直径一定，控制冷端压力排出一定量的蒸汽，通过疏水管道长度不大，而且上下落差不大，可知蒸汽位能差和沿程阻力可以忽略不计，利用伯努利方程求出冷端压力。
S3、射汽抽汽器参数确定
当冷端压力和蒸汽流量确定后，射汽抽汽器设计参数可以确定；
射汽抽汽器是利用流体流动时的静压能与动能相互转换的气体动力学原理来形成真空。具有一定压力的水蒸汽通过拉瓦尔喷嘴喉径时达到声速，到喷嘴的扩散部时,静压能全部转化为动能，达到超声速，同时喷嘴出口处形成真空，被抽气体在压差的作用下，被抽入吸入室和超声速的蒸汽一边混合一边进入文丘里管，然后以亚声速从文丘里的扩散管排出，同时混合的气体速度逐渐降低，压力随之升高，而后从排出口排出。如果将几个喷射泵串联起来使用，泵与泵中间加入冷凝器使蒸汽冷凝,便可得到更高的真空度。整套蒸汽喷射真空系统由若干级泵体与冷凝器两大部分组成。各级泵体均由喷嘴、入室及扩压器组成,喷嘴可以是单只，也可以是多只，喷嘴一般采用不锈钢材料，吸入室和扩压器等其它部件可采用不锈钢、铸铁及碳钢等材料；
根据奥·芳夫的计算模型，得出了蒸汽喷射器中被抽气体为空气、工作汽体为蒸汽(绝热指数不变)、在扩压器喉部有激波存在时的压缩比与引射系数和膨胀比的函数关系为：
。
9.根据权利要求8所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述S3中计算方式的字母表达方式为：Y—压缩比，即喷射泵排出压力与吸入压力之比；PK—喷射泵排汽压力；PS—喷射泵吸汽压力；ηd—为能量效率，反映气体在流动时动能与压力能转换过程中的能量损失情况；—混合气体平均绝热指数，其值为：
所述CpS为被抽汽体的定压比热容；CpT为动力蒸汽的定压比热容；CνS为被抽汽体的定压比热容；CνT为动力蒸汽的定压比热容；μ为引射系数；为混合气体进入混合室速度与混合气体临界速度之比，由膨胀比决定。
10.根据权利要求8所述的一种基于冷端优化的背压式汽轮机快速启动方法，其特征在于，所述S1中计算方式的字母表达方式为：d2—汽缸内直径；d1—转子外直径；Cz—轴向流速；Cu—切向流速；λ—流体导热系数；ν—流体运动粘度；Pr—流体普朗特数。
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