【汽轮机智能暖阀模块】

上汽智能运维联合团队

1.     背景

汽轮机的ATC（AutomaticTurbine Control）自动控制也称为汽轮机自动启停，包括启停和负荷变动两大功能。该功能主要通过对关键部件的热应力监控来实现汽轮机的自动启动、自动升速、自动负荷变动和自动停机。机组运行中，部件的热应力大小是无法直接测得的，但热应力的大小是和部件的温度和不同位置之间的温度差异密切相关的。ATC自动控制过程中，汽轮机厂商通过监视并控制各部件不同位置的温差来控制启动过程中各部件的热应力的大小。

热应力低周疲劳损伤是汽轮机零部件寿命损伤的主要形式，汽轮机部件的热应力变化主要发生在温度改变的过程中，主要有启动和停机阶段以及变负荷过程。部件的预期低周疲劳循环次数可以通过统计学和汽轮机在基本负荷或最大负荷区间的计划使用情况来估算。瞬态变化过程中，部件的许用热应力值的大小可以通过材料的疲劳特性数据，并结合预期寿命次数得到，进一步分析后，可得到部件内部许用的温度差值大小。汽轮机的ATC一键启动便是依据部件的实际温差与许用温差间的差异所形成的裕度，去完成自动确定升速率和负荷变化率的过程。

图 一键启动功能大致流程图

针对汽轮机阀门部件，冷态启动情况下投入ATC准则控制时，由于热应力的要求而带来了温度条件的限制，系统要求调门阀壳金属温度要与蒸汽压力温度参数相匹配，即调门阀壳需达到一定的温度才能开启主汽门。但实际操作过程中，在主汽门开启前，调门的金属温升非常缓慢，将会造成暖阀时间过长，增加启动成本。

2.     智能暖阀模块介绍

2.1   暖阀逻辑

在逻辑中增加开启主汽门的暖调门逻辑，通过间歇开启主汽门可以达到提高暖阀速度的目的。如在逻辑中添加步序：控制主汽门开启2分钟后关闭，10分钟后再开启，以此循环，直至满足温度准则要求及相关温度条件。常规暖调门逻辑从结果上能够带来经济效益，机组可以实现较快并网发电，缩短启动时间，减少启动成本。如某电厂采用该逻辑，将暖阀时间缩短了1小时。

然而，主汽门的间歇开启和关闭时间大都由运行人员根据经验判断，难以科学的定量把控。所以在实际操作时，难免会因为开关时间的不合适导致阀壳内部产生超量的温差应力，进而造成过量的寿命损伤，使得机组的运行寿命不可控。

2.2   阀门寿命监测

下图所示是阀门模块的健康状态监测流程，主要包括温度/温差监测、应力监测以及损伤评估环节。上汽厂所开发的汽轮机高温热部件寿命监测系统，通过借助机组现有的监测数据信息，实时在线监测、记录关键热部件的热应力载荷谱，如阀门、汽缸、转子关键区域等，并结合基于物理机理模型的分析计算方法或人工神经网络智能算法，对重要高温热部件的疲劳蠕变寿命损伤情况进行实时在线监测。

2.3   寿命再分配

如前所述，阀门在单次启动过程中所能允许的寿命损伤量，是根据机组在设计阶段的计划使用情况而定的。然而，若机组长期处于较高且稳定的负荷运行，或启动次数较少，可通过提高单次启动所允许的寿命损伤量，进而提高启动过程中阀门的许用温差值达到快速启动的目的。然而，如何对阀门寿命损伤量进行合理和优化的再分配，需要基于对阀门寿命健康状态的定量评估结果，并与业主的现有操作习惯，未来的操作期望状态等相关。

具体做法是，通过对阀门在启动过程中的应力变化情况进行实时监测，并对其进行寿命损伤分析，获得阀门在运行过程中的真实寿命损伤量值大小。与此同时，根据机组的现有负荷运行方式，对暖阀逻辑的开关时间进行科学的定量，进而科学地调整所预期的寿命损伤量和温差值大小，使机组阀门的寿命损伤分配更趋合理，以在保证机组安全的前提下快速启动。