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摘 要：汽轮机在启动和停机时，由于各部件结构和所处条件的不同，蒸汽对各部件的传热情况也不一样，各部件中以及它们相互之间必然形成较大的温差，从而产生热应力、热变形和热膨胀。
关键词：超临界;结构;材料;启停
Abstract ：Steam Turbine startup and shutdown， due to the structure and position of the components of the different conditions， steam heat transfer of various components is not the same， the components， as well as between them is bound to form a larger temperature difference， resulting in thermal stress， thermal deformation and thermal expansion.
1. 研究背景和意义
我国一次能源主要以煤为主，因此电力工业的发展也是以火力发电为主。我国火力发电机组的煤耗相对于发达国家来讲，还要高很多，这样不仅仅浪费能源，还会造成严重环境污染，使烟尘、SOX、NOX及CO2的排放量大大增加。我国在电力建设中采用供电煤耗较低的先进超临界机组。对节约能源、减少污染都具有非常重要的意义[1]。为了满足国民经济高速发展对电力供应的需求，我国也积极发展超临界机组[2]。超临界汽轮机组与亚临界机组相比，启动特性有其独特的规律。因此，研究超临界汽轮机的结构和启停很有必要。
2. 本文研究的主要内容
本文主要分析超临界在结构上的特点，体现出超临界机组的优越性;并对超临界机组在材料上的选用作了介绍;对实际机组在启停过程中参数的变化和影响环节进行分析，得出超临界的启停特性;最后对汽轮机运行过程中的常见事故进行分析，总结出事故的起因和处理措施，达到熟练掌握超临界机组运行特性的目的。
3.超临界汽轮机的优点
在发电热力循环中，决定机组热效率的重要参数是蒸汽参数。燃煤火电机组的热力系统是按朗肯循环运行的，提高蒸汽初参数（蒸汽压力和温度），采用再热系统和增加再热次数都能提高机组循环热效率。由于机组的蒸汽参数高，且采用直流锅炉，锅炉管道内壁锈蚀剥离物进人蒸汽中成为固体颗粒，使得高中压阀门、高压调节级、中压第一级固体颗粒腐蚀要比亚临界机组严重[3]，因此在设计中考虑了如何减少固体颗粒腐蚀的措施。
常规超临界机组的典型参数为24.1MPa/538℃ /538℃，对应的发电效率约41%。常规超临界机组热效率比亚临界机组高2%-3%左右。蒸汽参数与相对热效率变化关系见下图。
3.1超临界汽轮机机组材料的选用
汽轮机组的选材需要随具体零部件的使用要求、机组的温度和压力参数以及制造厂的用材习惯而确定。对于超临界机组，从机组用材角度出发，采取以低成本、高国产化率为主要目标。我国超临界机组的选材基本原则可以分为两个参数考虑，在24.2 MPa/ 538/ 566 ℃参数下，高压缸材料可以使用亚临界机组材料，在24.2 MPa/ 566/ 566 ℃参数下，中、低压部分完全相同，而高压部分将适当增加尺寸或者改进材料[4]。
3.2 超临界汽轮机启动特性
从汽机专业来说超临界机组的运行和启动方式与亚临界差别不大，只是由于锅炉是直流炉，要求机炉配合更紧密。超临界600MW机组，可采用定压运行、滑压运行及定-滑- 定等多种运行模式。一般来说，滑压起始点由锅炉最低不投油稳燃压力确定，终止点则可根据机组经济性来决定。
3.3 超临界机组中压缸启动的优点
通过对超临界机组启动的分析，可以得出以下启动优点。
（1） 机组冷态启动时，在经过高压缸暖缸后，高压转子预暖的温度已经超过150 ℃，可避免发生脆性断裂。采用中压缸起动时，中压转子的温升比高中压联合起动时要快，能够使中压转子尽快过低温脆性转变温度，提高了中压转子的安全性。
（2） 通過高压缸的倒暖缸操作，使高压缸直接进入温态，变冷态启动为温态启动，缩短启动时间，而高压缸的倒暖是在锅炉的升温升压过程中进行的，不会额外增加启动时间。如下表，通过各厂家生产的汽轮机的启动时间，可以看出，采用中压缸启动能减少启动时间。
（3）有效地解决了高压缸启动时再热器流量低、中压缸加热缓慢的问题，而且高、中压缸加热均匀，温升合理，使汽缸易于膨胀，容易控制机组胀差。
（4） 通过关闭高排逆止阀，开启抽真空阀，就可隔离高压缸使之在真空状态下运行，从而避免了传统高中压缸联合起动时因空负荷或低负荷长时间运行而引起的高压缸超温。
（5） 再热蒸汽流量比高中压联合启动时的流量要大，有利于保护锅炉再热器。
（6） 进入低压缸的排汽流量比高中压缸联合启动时的排汽流量大，可以有效地降低低压末两级温度和排汽缸温度。
（7） 机组热态启动时，采用中压缸启动可以快速提高再热蒸汽温度，能与中压缸温度更好地匹配，减小了由于再热蒸汽温度偏低而产生的热应力。同时，可以使机组热态启动时出现负胀差的现象得到有效的控制和缓解。
3.4 汽轮机的停机
通过观察汽轮机组的运行，可以得出， 汽缸出现裂纹或损坏， 大多是由拉应力所引起的， 在停机过程中， 由于汽缸内壁面温度低于外壁面温度， 在内壁表面产生拉热应力， 外壁表面产生压热应力， 所以说汽轮机的快速冷却比快速加热更危险， 也就是说热态中采用负温差启动或汽轮机运行中突然甩负荷是最危险的。另外， 在停机过程中减负荷速度应小于启动过程中加负荷速度。 4. 超临界机组启停过程的变化规律
4.1热应力
在启动初期，转子外表面热应力大于中心孔热应力，经过一段时间以后，转子径向应力分布基本呈线性，转子内外表面应力基本相同。热态启动时，与汽缸相同，转子经过一个冷却再加热的过程。转子表面和中心孔表面的热应力完成一个交变应力的循环。
停机过程是对零部件的冷却过程，随着蒸汽温度的降低和流量的减小，汽缸内壁和转子表面被冷却，而外缸壁和转子中心孔的变化稍微滞后些，使得汽缸内壁温度低于外壁，转子表面温度低于中心孔。热应力与启动时正好相反，汽缸内壁和转子表面产生拉伸应力，汽缸外壁和转子中心则产生压缩热应力。
4.2热膨胀
汽轮机从冷态启动到带额定负荷运行，金属温度显著提高，汽轮机的汽缸在各个方向的尺寸都明显增大，即为汽缸的热膨胀。在汽轮机组启动时，汽缸膨胀的数值决定于汽缸本身的长度、质量以及加速度等因素。汽缸沿轴向尺寸最大，在膨胀的数值也最大。在严密监视汽缸绝对膨胀的同时，也要对汽缸左右俩侧的膨胀进行监视，确保汽缸两侧、四角膨胀的正常，保证汽缸在横向与轴向的膨胀正常。
在启动、停机及变工况中，汽缸和转子分别以各自的死点向各个方向进行膨胀。由于蒸汽流经转子和汽缸的相应截面的温度不同、汽缸和转子的质量不同、工作条件也不同等原因，使得转子和汽缸存在较大的温差，互相之间存在着膨胀及膨胀差。
汽轮机转子转动时， 叶片和叶轮产生的离心力作用于大轴上， 对大轴产生径向拉力。由于转子材料泊松效应的影响， 转子在受径向拉力变粗的同时轴向的长度要缩短。这种轴向变形与转速的平方成正比， 与泊松效应参数K 值成正比。因此， 降速时转子要伸长， 升速时转子要缩短。由于低压缸转子的泊松效应参数K 值较大， 因而受泊松效应影响明显。
4.3 热变形
汽輪机在变动工况， 例如启动和停机过程中温度变化率过大， 使汽缸内外壁和法兰内外壁温差过大， 不仅产生热翘曲， 而且产生较大的热应力。
在汽缸内外壁温差趋于零后， 例如停机完全冷却后，这种内壁因受压而产生的永久变形已使内壁圆周变短， 外壁基本不变， 故汽缸法兰接合面处主要呈现内张口变形。汽轮机的降温过程过快， 同样会造成汽缸外张口变形。
5.总结
超临界机组在国际上已经是较为成熟的技术， 因此， 在总结我国已引进的超临界机组制造技术和运行经验的基础上， 发展我国的超临界发电机组， 技术上是切实可行的。要采用引进技术和消化吸收相结合的发展之路， 充分利用我国现有的设备制造、电站设计和运行能力， 加快超临界机组的发展进程。
参考文献
[1] 周海澜.发展高参数超临界发电的几个问题. 东方电气评论，2003.1，1-5
[2] 周海澜，忻鹤龄.论超临界火电机组的发展. 东方电气评论，2000.3，第14期第1卷，35—39
[3] 张素心.超临界汽轮机的发展与展望. 上海汽轮机，2002.3 ，15-18
[4] 白旭，丁秀强.超临界机组技术发展与国产化分析. 热力透平，2003.3， 52—56
[5] 周巧明.超临界600MW汽轮机中压缸启动分析.电力设备， 2004.8 ， 66—68
关键词：超临界;结构;材料;启停
Abstract ：Steam Turbine startup and shutdown， due to the structure and position of the components of the different conditions， steam heat transfer of various components is not the same， the components， as well as between them is bound to form a larger temperature difference， resulting in thermal stress， thermal deformation and thermal expansion.
1. 研究背景和意义
我国一次能源主要以煤为主，因此电力工业的发展也是以火力发电为主。我国火力发电机组的煤耗相对于发达国家来讲，还要高很多，这样不仅仅浪费能源，还会造成严重环境污染，使烟尘、SOX、NOX及CO2的排放量大大增加。我国在电力建设中采用供电煤耗较低的先进超临界机组。对节约能源、减少污染都具有非常重要的意义[1]。为了满足国民经济高速发展对电力供应的需求，我国也积极发展超临界机组[2]。超临界汽轮机组与亚临界机组相比，启动特性有其独特的规律。因此，研究超临界汽轮机的结构和启停很有必要。
2. 本文研究的主要内容
本文主要分析超临界在结构上的特点，体现出超临界机组的优越性;并对超临界机组在材料上的选用作了介绍;对实际机组在启停过程中参数的变化和影响环节进行分析，得出超临界的启停特性;最后对汽轮机运行过程中的常见事故进行分析，总结出事故的起因和处理措施，达到熟练掌握超临界机组运行特性的目的。
3.超临界汽轮机的优点
在发电热力循环中，决定机组热效率的重要参数是蒸汽参数。燃煤火电机组的热力系统是按朗肯循环运行的，提高蒸汽初参数（蒸汽压力和温度），采用再热系统和增加再热次数都能提高机组循环热效率。由于机组的蒸汽参数高，且采用直流锅炉，锅炉管道内壁锈蚀剥离物进人蒸汽中成为固体颗粒，使得高中压阀门、高压调节级、中压第一级固体颗粒腐蚀要比亚临界机组严重[3]，因此在设计中考虑了如何减少固体颗粒腐蚀的措施。
常规超临界机组的典型参数为24.1MPa/538℃ /538℃，对应的发电效率约41%。常规超临界机组热效率比亚临界机组高2%-3%左右。蒸汽参数与相对热效率变化关系见下图。
3.1超临界汽轮机机组材料的选用
汽轮机组的选材需要随具体零部件的使用要求、机组的温度和压力参数以及制造厂的用材习惯而确定。对于超临界机组，从机组用材角度出发，采取以低成本、高国产化率为主要目标。我国超临界机组的选材基本原则可以分为两个参数考虑，在24.2 MPa/ 538/ 566 ℃参数下，高压缸材料可以使用亚临界机组材料，在24.2 MPa/ 566/ 566 ℃参数下，中、低压部分完全相同，而高压部分将适当增加尺寸或者改进材料[4]。
3.2 超临界汽轮机启动特性
从汽机专业来说超临界机组的运行和启动方式与亚临界差别不大，只是由于锅炉是直流炉，要求机炉配合更紧密。超临界600MW机组，可采用定压运行、滑压运行及定-滑- 定等多种运行模式。一般来说，滑压起始点由锅炉最低不投油稳燃压力确定，终止点则可根据机组经济性来决定。
3.3 超临界机组中压缸启动的优点
通过对超临界机组启动的分析，可以得出以下启动优点。
（1） 机组冷态启动时，在经过高压缸暖缸后，高压转子预暖的温度已经超过150 ℃，可避免发生脆性断裂。采用中压缸起动时，中压转子的温升比高中压联合起动时要快，能够使中压转子尽快过低温脆性转变温度，提高了中压转子的安全性。
（2） 通過高压缸的倒暖缸操作，使高压缸直接进入温态，变冷态启动为温态启动，缩短启动时间，而高压缸的倒暖是在锅炉的升温升压过程中进行的，不会额外增加启动时间。如下表，通过各厂家生产的汽轮机的启动时间，可以看出，采用中压缸启动能减少启动时间。
（3）有效地解决了高压缸启动时再热器流量低、中压缸加热缓慢的问题，而且高、中压缸加热均匀，温升合理，使汽缸易于膨胀，容易控制机组胀差。
（4） 通过关闭高排逆止阀，开启抽真空阀，就可隔离高压缸使之在真空状态下运行，从而避免了传统高中压缸联合起动时因空负荷或低负荷长时间运行而引起的高压缸超温。
（5） 再热蒸汽流量比高中压联合启动时的流量要大，有利于保护锅炉再热器。
（6） 进入低压缸的排汽流量比高中压缸联合启动时的排汽流量大，可以有效地降低低压末两级温度和排汽缸温度。
（7） 机组热态启动时，采用中压缸启动可以快速提高再热蒸汽温度，能与中压缸温度更好地匹配，减小了由于再热蒸汽温度偏低而产生的热应力。同时，可以使机组热态启动时出现负胀差的现象得到有效的控制和缓解。
3.4 汽轮机的停机
通过观察汽轮机组的运行，可以得出， 汽缸出现裂纹或损坏， 大多是由拉应力所引起的， 在停机过程中， 由于汽缸内壁面温度低于外壁面温度， 在内壁表面产生拉热应力， 外壁表面产生压热应力， 所以说汽轮机的快速冷却比快速加热更危险， 也就是说热态中采用负温差启动或汽轮机运行中突然甩负荷是最危险的。另外， 在停机过程中减负荷速度应小于启动过程中加负荷速度。 4. 超临界机组启停过程的变化规律
4.1热应力
在启动初期，转子外表面热应力大于中心孔热应力，经过一段时间以后，转子径向应力分布基本呈线性，转子内外表面应力基本相同。热态启动时，与汽缸相同，转子经过一个冷却再加热的过程。转子表面和中心孔表面的热应力完成一个交变应力的循环。
停机过程是对零部件的冷却过程，随着蒸汽温度的降低和流量的减小，汽缸内壁和转子表面被冷却，而外缸壁和转子中心孔的变化稍微滞后些，使得汽缸内壁温度低于外壁，转子表面温度低于中心孔。热应力与启动时正好相反，汽缸内壁和转子表面产生拉伸应力，汽缸外壁和转子中心则产生压缩热应力。
4.2热膨胀
汽轮机从冷态启动到带额定负荷运行，金属温度显著提高，汽轮机的汽缸在各个方向的尺寸都明显增大，即为汽缸的热膨胀。在汽轮机组启动时，汽缸膨胀的数值决定于汽缸本身的长度、质量以及加速度等因素。汽缸沿轴向尺寸最大，在膨胀的数值也最大。在严密监视汽缸绝对膨胀的同时，也要对汽缸左右俩侧的膨胀进行监视，确保汽缸两侧、四角膨胀的正常，保证汽缸在横向与轴向的膨胀正常。
在启动、停机及变工况中，汽缸和转子分别以各自的死点向各个方向进行膨胀。由于蒸汽流经转子和汽缸的相应截面的温度不同、汽缸和转子的质量不同、工作条件也不同等原因，使得转子和汽缸存在较大的温差，互相之间存在着膨胀及膨胀差。
汽轮机转子转动时， 叶片和叶轮产生的离心力作用于大轴上， 对大轴产生径向拉力。由于转子材料泊松效应的影响， 转子在受径向拉力变粗的同时轴向的长度要缩短。这种轴向变形与转速的平方成正比， 与泊松效应参数K 值成正比。因此， 降速时转子要伸长， 升速时转子要缩短。由于低压缸转子的泊松效应参数K 值较大， 因而受泊松效应影响明显。
4.3 热变形
汽輪机在变动工况， 例如启动和停机过程中温度变化率过大， 使汽缸内外壁和法兰内外壁温差过大， 不仅产生热翘曲， 而且产生较大的热应力。
在汽缸内外壁温差趋于零后， 例如停机完全冷却后，这种内壁因受压而产生的永久变形已使内壁圆周变短， 外壁基本不变， 故汽缸法兰接合面处主要呈现内张口变形。汽轮机的降温过程过快， 同样会造成汽缸外张口变形。
5.总结
超临界机组在国际上已经是较为成熟的技术， 因此， 在总结我国已引进的超临界机组制造技术和运行经验的基础上， 发展我国的超临界发电机组， 技术上是切实可行的。要采用引进技术和消化吸收相结合的发展之路， 充分利用我国现有的设备制造、电站设计和运行能力， 加快超临界机组的发展进程。
参考文献
[1] 周海澜.发展高参数超临界发电的几个问题. 东方电气评论，2003.1，1-5
[2] 周海澜，忻鹤龄.论超临界火电机组的发展. 东方电气评论，2000.3，第14期第1卷，35—39
[3] 张素心.超临界汽轮机的发展与展望. 上海汽轮机，2002.3 ，15-18
[4] 白旭，丁秀强.超临界机组技术发展与国产化分析. 热力透平，2003.3， 52—56
[5] 周巧明.超临界600MW汽轮机中压缸启动分析.电力设备， 2004.8 ， 66—68