1、研究背景和意義
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和電力需求的不斷增長，如何縮短維修周期，增加單位機組的年利用時間已成為電力發(fā)展的研究方向之一。從機組網(wǎng)停止到滿足停車和潤滑油的條件，自然冷卻所需的時間約為5-6天。如果采用技術(shù)手段快速冷卻，時間可縮短至1-2天，大大縮短了維護周期。
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、汽輪機的幾種快速冷卻技術(shù)及其優(yōu)缺點
中國對汽輪機快速冷卻技術(shù)的研究始于20世紀80年代。目前，汽輪機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)門進入汽輪機高中壓缸，達到冷卻汽輪機的作用。但蒸汽具有相變性，換熱系數(shù)大，嚴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，引入汽輪機高、中壓缸進行冷卻。停機初期，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，但該方法對加熱裝置的可靠性和保護配置要求較高，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入汽輪機，以免對設(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，通常通過鍋爐、再熱器停止維護充氮閥吸入空氣，再熱器余熱加熱后進入汽輪機冷卻。
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，整個過程中真空系統(tǒng)需要連續(xù)運行，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快速冷卻的主要應(yīng)用。但這兩種方法也有各自的缺點。
1、蒸汽冷卻方式優(yōu)缺點：
優(yōu)點：適用于大型單元機組，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：使用鍋爐余熱或臨時蒸汽供應(yīng)時，介質(zhì)參數(shù)不易調(diào)整，維持所需蒸汽過熱相對困難。如果操作不當導(dǎo)致蒸汽帶水，則不利于停機后的設(shè)備維護。
2、壓縮空氣冷卻方式優(yōu)缺點：
優(yōu)點:獨立于整個發(fā)電系統(tǒng)，操作相對簡單，容錯率高。前期干燥后，介質(zhì)不會帶水。在快速冷卻過程中，汽輪機內(nèi)部應(yīng)順便干燥，有利于設(shè)備維護。
缺點：早期投資相對較大，需要相應(yīng)改變系統(tǒng)，確保加熱裝置電源在運行過程中穩(wěn)定可靠，最好增加加熱裝置的斷電保護邏輯。
三、壓縮空氣冷卻的具體應(yīng)用方法及改進措施
1、壓縮空氣冷卻方式的細分選擇
壓縮空氣冷卻是將空氣加熱到所需溫度，然后送入汽輪機通流部分，利用金屬溫度與熱空氣之間的溫差進行熱交換，從而加速汽輪機內(nèi)部的冷卻速度。系統(tǒng)配備高效干燥器，確保進入汽輪機的空氣足夠干燥。
根據(jù)冷卻壓縮空氣與蒸汽輪機正常運行中蒸汽流動方向是否一致，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)閥進入中壓缸，排氣安裝在低壓缸的進氣管上。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，熱沖擊風險大于逆流冷卻。但由于全周進氣，轉(zhuǎn)子和氣缸冷卻均勻，可使用進氣區(qū)原設(shè)計的金屬溫度監(jiān)測點，便于監(jiān)測和控制冷卻速率。雖然逆流冷卻進口傳熱溫差小，但汽輪機在高溫階段冷卻時受熱沖擊的風險小于順流冷卻，但由于其不具備順流冷卻的均勻性優(yōu)勢和進氣區(qū)沒有現(xiàn)成的金屬溫度監(jiān)測點，不易監(jiān)測和調(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，因為其冷卻參數(shù)易于監(jiān)測，機組冷卻狀態(tài)相當于滑動參數(shù)停止，氣缸熱沖擊風險由于閥門和導(dǎo)管空氣吸熱，溫度升高，只要控制得當就可以防止。因此，在快速冷卻介質(zhì)的流動方向上，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壓縮空氣儲氣罐中引出，經(jīng)油水分離器凈化干燥后，分兩種方式進入電加熱器。加熱達到要求溫度后，通過高壓缸導(dǎo)氣管疏水門進入高壓缸，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)致空氣壓縮機輸出和壓縮空氣電加熱系統(tǒng)能耗增加，整個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，對整個系統(tǒng)進行了以下改進：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。
改進前多次統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，高壓缸冷卻后的排氣溫度與中壓缸進口溫度相差不大，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，以補充特殊情況下中壓缸的額外用氣量和用氣溫度。
改進后，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，整個冷卻過程中的冷卻空氣消耗量基本達到改進前的一半，大大降低了空氣壓縮機和電加熱器的功耗。
四、汽輪機快冷對其壽命損耗的分析
在汽輪機快速冷卻的應(yīng)用和推廣中，很大一部分電廠對這種方法有“可用但不推薦”的看法。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，當氣缸和轉(zhuǎn)子在快速冷卻過程中保持溫降率在10℃/小時以內(nèi)時，對其使用壽命的影響可以忽略不計。根據(jù)工廠的使用參數(shù)，冷卻速度基本控制在4℃/小時-5℃/小時，對汽輪機的使用壽命幾乎沒有影響。此外，壓縮空氣冷卻方法獨特的容錯率高，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外部，導(dǎo)致大型發(fā)電機組停機后自然冷卻時間越來越長，使汽輪機快速冷卻技術(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，降低了壓縮空氣快冷模式能耗的近50%，對汽輪機快冷模式的推廣起到了積極的作用。
