1、研究背景和意義
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電力需求的不斷增長(zhǎng)，如何縮短維修周期，增加單位機(jī)組的年利用時(shí)間已成為電力發(fā)展的研究方向之一。從機(jī)組網(wǎng)停止到滿足停車和潤(rùn)滑油的條件，自然冷卻所需的時(shí)間約為5-6天。如果采用技術(shù)手段快速冷卻，時(shí)間可縮短至1-2天，大大縮短了維護(hù)周期。
采用什么技術(shù)手段，采用什么冷卻介質(zhì)，已成為各發(fā)電單位考慮的主要問題。
二、汽輪機(jī)的幾種快速冷卻技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)
中國(guó)對(duì)汽輪機(jī)快速冷卻技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代。目前，汽輪機(jī)快速冷卻基本采用蒸汽和空氣冷卻介質(zhì)，主要冷卻方式有蒸汽冷卻、壓縮空氣冷卻和真空冷卻。
（1）蒸汽冷卻：蒸汽冷卻是鍋爐在停機(jī)過程中產(chǎn)生的過熱蒸汽，在一定程度上降低溫度后，通過高中壓主閥和調(diào)節(jié)門進(jìn)入汽輪機(jī)高中壓缸，達(dá)到冷卻汽輪機(jī)的作用。但蒸汽具有相變性，換熱系數(shù)大，嚴(yán)格限制蒸汽的壓力和溫度，冷卻過程中蒸汽參數(shù)必須穩(wěn)定，對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和操作人員的技能提出了更高的要求。
（2）壓縮空氣冷卻：壓縮空氣冷卻是利用單元壓縮空氣系統(tǒng)的空氣或?qū)ｉT設(shè)置的冷卻系統(tǒng)的壓縮空氣，在滿足溫度、濕度和清潔度要求的情況下，引入汽輪機(jī)高、中壓缸進(jìn)行冷卻。停機(jī)初期，壓縮空氣與金屬溫差大。為避免熱沖擊過大，影響設(shè)備使用壽命，甚至損壞設(shè)備，系統(tǒng)需要配備壓縮空氣專用加熱裝置，通過調(diào)節(jié)溫度和流量來減少熱沖擊，但該方法對(duì)加熱裝置的可靠性和保護(hù)配置要求較高，必須考慮加熱裝置突然故障的應(yīng)急措施，冷壓縮空氣不能直接進(jìn)入汽輪機(jī)，以免對(duì)設(shè)備造成沖擊和損失。
（3）抽真空冷卻：抽真空冷卻是利用冷凝器抽真空裝置，吸入環(huán)境空氣冷卻汽輪機(jī)，通常通過鍋爐、再熱器停止維護(hù)充氮閥吸入空氣，再熱器余熱加熱后進(jìn)入汽輪機(jī)冷卻。
由于真空冷卻方法中冷卻介質(zhì)的濕度和清潔度質(zhì)量難以保證，介質(zhì)流量和冷卻速率難以控制，整個(gè)過程中真空系統(tǒng)需要連續(xù)運(yùn)行，快速冷卻方法不能廣泛使用。
因此，蒸汽冷卻和壓縮空氣冷卻往往是汽輪機(jī)快速冷卻的主要應(yīng)用。但這兩種方法也有各自的缺點(diǎn)。
1、蒸汽冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：適用于大型單元機(jī)組，系統(tǒng)變化很小，甚至不需要更改，不需要額外投資附加設(shè)備。
缺點(diǎn)：使用鍋爐余熱或臨時(shí)蒸汽供應(yīng)時(shí)，介質(zhì)參數(shù)不易調(diào)整，維持所需蒸汽過熱相對(duì)困難。如果操作不當(dāng)導(dǎo)致蒸汽帶水，則不利于停機(jī)后的設(shè)備維護(hù)。
2、壓縮空氣冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn):獨(dú)立于整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，容錯(cuò)率高。前期干燥后，介質(zhì)不會(huì)帶水。在快速冷卻過程中，汽輪機(jī)內(nèi)部應(yīng)順便干燥，有利于設(shè)備維護(hù)。
缺點(diǎn)：早期投資相對(duì)較大，需要相應(yīng)改變系統(tǒng)，確保加熱裝置電源在運(yùn)行過程中穩(wěn)定可靠，最好增加加熱裝置的斷電保護(hù)邏輯。
三、壓縮空氣冷卻的具體應(yīng)用方法及改進(jìn)措施
1、壓縮空氣冷卻方式的細(xì)分選擇
壓縮空氣冷卻是將空氣加熱到所需溫度，然后送入汽輪機(jī)通流部分，利用金屬溫度與熱空氣之間的溫差進(jìn)行熱交換，從而加速汽輪機(jī)內(nèi)部的冷卻速度。系統(tǒng)配備高效干燥器，確保進(jìn)入汽輪機(jī)的空氣足夠干燥。
根據(jù)冷卻壓縮空氣與蒸汽輪機(jī)正常運(yùn)行中蒸汽流動(dòng)方向是否一致，可分為逆流和順流。
順流是將冷卻空氣從高壓調(diào)節(jié)閥前的疏水管中引入，通過高壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高壓缸，從高壓排氣管上的排氣門中排出；中壓缸的冷卻空氣從中壓調(diào)節(jié)閥前的疏水管中引入，通過中壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)入中壓缸，排氣安裝在低壓缸的進(jìn)氣管上。逆流冷卻介質(zhì)流向順流。
順流冷卻冷卻介質(zhì)從高溫區(qū)引入，傳熱溫差大，熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)大于逆流冷卻。但由于全周進(jìn)氣，轉(zhuǎn)子和氣缸冷卻均勻，可使用進(jìn)氣區(qū)原設(shè)計(jì)的金屬溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，便于監(jiān)測(cè)和控制冷卻速率。雖然逆流冷卻進(jìn)口傳熱溫差小，但汽輪機(jī)在高溫階段冷卻時(shí)受熱沖擊的風(fēng)險(xiǎn)小于順流冷卻，但由于其不具備順流冷卻的均勻性優(yōu)勢(shì)和進(jìn)氣區(qū)沒有現(xiàn)成的金屬溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不易監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，介質(zhì)順流冷卻優(yōu)于逆流冷卻，因?yàn)槠淅鋮s參數(shù)易于監(jiān)測(cè)，機(jī)組冷卻狀態(tài)相當(dāng)于滑動(dòng)參數(shù)停止，氣缸熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)由于閥門和導(dǎo)管空氣吸熱，溫度升高，只要控制得當(dāng)就可以防止。因此，在快速冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向上，基本上傾向于采用順流冷卻方法。
通過以上介紹和分析，可以看出，在汽輪機(jī)快速冷卻中，順流冷卻是最佳選擇。
2、壓縮空氣冷卻方法的具體應(yīng)用方法
山西某發(fā)電廠采用的壓縮空氣快速冷卻系統(tǒng)是將壓縮空氣從廠用雜項(xiàng)壓縮空氣儲(chǔ)氣罐中引出，經(jīng)油水分離器凈化干燥后，分兩種方式進(jìn)入電加熱器。加熱達(dá)到要求溫度后，通過高壓缸導(dǎo)氣管疏水門進(jìn)入高壓缸，順流通過高壓缸通流部分，然后通過高排止回門前的排氣管排出。另一種方式通過左右再熱導(dǎo)氣管疏水門順流進(jìn)入中壓缸，然后通過中低壓缸連接管，最后從低壓缸人孔門排出。
3、改進(jìn)壓縮空氣冷卻方法的措施
根據(jù)上述具體工藝，高壓缸冷卻和中低壓缸冷卻可視為兩個(gè)冷卻系統(tǒng)。高壓缸冷卻后的高溫排氣不能很好地利用，導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)輸出和壓縮空氣電加熱系統(tǒng)能耗增加，整個(gè)快速冷卻過程的成本增加。
為了減少快速冷卻期間的氣體消耗，降低電加熱器的功耗，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了以下改進(jìn)：將高壓缸冷卻后的高溫排氣送入集箱，稍加處理后再送入中壓缸冷卻。
改進(jìn)前多次統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，高壓缸冷卻后的排氣溫度與中壓缸進(jìn)口溫度相差不大，中壓缸所需的冷卻氣量與高壓缸冷卻后的排氣量相差不大。高壓缸冷卻后的排氣再利用不存在設(shè)計(jì)缺陷。為了滿足中壓缸足夠的冷卻氣量，在高壓缸排氣集箱上增加通過加熱器（附加旁路）的供氣管道，以補(bǔ)充特殊情況下中壓缸的額外用氣量和用氣溫度。
改進(jìn)后，壓縮空氣快速冷卻系統(tǒng)的高壓缸、中壓缸和低壓缸串聯(lián)連接，整個(gè)冷卻過程中的冷卻空氣消耗量基本達(dá)到改進(jìn)前的一半，大大降低了空氣壓縮機(jī)和電加熱器的功耗。
四、汽輪機(jī)快冷對(duì)其壽命損耗的分析
在汽輪機(jī)快速冷卻的應(yīng)用和推廣中，很大一部分電廠對(duì)這種方法有“可用但不推薦”的看法。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)氣缸和轉(zhuǎn)子在快速冷卻過程中保持溫降率在10℃/小時(shí)以內(nèi)時(shí)，對(duì)其使用壽命的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)工廠的使用參數(shù)，冷卻速度基本控制在4℃/小時(shí)-5℃/小時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)的使用壽命幾乎沒有影響。此外，壓縮空氣冷卻方法獨(dú)特的容錯(cuò)率高，在保證操作人員技能水平的前提下可以放心使用。
五、結(jié)語
隨著材料技術(shù)的發(fā)展，性能越來越好的保溫材料將用于汽輪機(jī)外部，導(dǎo)致大型發(fā)電機(jī)組停機(jī)后自然冷卻時(shí)間越來越長(zhǎng)，使汽輪機(jī)快速冷卻技術(shù)越來越受到重視，逐漸作為常規(guī)冷卻手段投入生產(chǎn)實(shí)踐，快速冷卻期節(jié)能降耗也將成為新的研究課題。
通過一些小的改進(jìn)，降低了壓縮空氣快冷模式能耗的近50%，對(duì)汽輪機(jī)快冷模式的推廣起到了積極的作用。
