ATC（汽輪機）

汽輪機在啟?；蜃冐摵蓵r，由于汽輪機熱慣性大，特別是轉(zhuǎn)子如蒸汽溫度變化快，汽輪機內(nèi)部溫差較大，將產(chǎn)生過大的熱應力。經(jīng)過多次升減負荷循環(huán)，產(chǎn)生熱疲勞裂紋，將引起機組疲勞損壞。循環(huán)次數(shù)與應力大小關(guān)系很大，循環(huán)次數(shù)就相當于壽命。

中文名

ATC

外文名

Automatic steam turbine control

最大速率

500r/min

最大升負荷率

13.95MW/min

最小速率

50r/min

例如：按壽命10000次進行設計，如果使用不當，熱應力大，實際壽命可能只有幾千次。由此要求自動控制能保證機組壽命。ATC就是保障機組壽命的自動啟動控制。引進型機組都有專門的壽命控制用曲線和計算程序。

ATC通過DEH控制柜的ATCI/O通道，檢測機組的各點溫度，計算高壓和中壓轉(zhuǎn)子的實際應力，而后將它與許可應力進行比較，得其差值。再將它轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速或負荷的目標指令和變化率，通過DEH去控制機組升速和變負荷。在整個啟停機組或負荷變化過程中，進行閉環(huán)的自動控制，使轉(zhuǎn)子應力保持在允許的范圍內(nèi)。ATC中除了對應力進行閉環(huán)控制外，對于盤車、暖機、閥切換、并網(wǎng)等具有完善的邏輯控制和閉鎖回路，對汽輪機的偏心、差脹、振動軸承金屬溫度、軸向位移及電機冷卻系統(tǒng)等各安全參數(shù)也自動進行監(jiān)控。

對引進機組，升速率從每分鐘50～500r/min分為10級，每級每分鐘50r/min應力可用溫差△T表示。當實際溫差<72°F，每3min升一級速率，最大速率每分鐘500r/min；溫差>72°F,每min降低一級升速率，最小速率每分鐘50r/min。溫差在70°F左右，速率不變。升負荷率將1.395～13.95MW/min分為10級。每級1.395MW/min，升降規(guī)律與升速率一樣。如溫差<72°F，每3min增加一級升負荷率，最大升負荷率為13.95MW/min?？刂破啓C第一級蒸汽變化速度就能控制熱應力，這可通過控制負荷變化量和變化速率來達到。2100433B

多級汽輪機從原理上說是將若干個單級串聯(lián)在一根機軸上。這樣，雖然蒸汽在汽輪機中總的等熵焓降很大(有時達2000kJ/kg)，但在各級中順序膨脹，每級的等熵焓降可減小到合理的程度，使各級都能在較理想的速度比下工作，獲得較高的效率。多級汽輪機的軸向長度比多列速度級大。

多級汽輪機在船舶上多用作推進裝置的主機，或用作經(jīng)濟性要求較高的大型輔機的原動機(如船舶電站汽輪機)。

多級汽輪機在船舶上有多種形式的組合。常見的有兩大類：

(1)沖動式多級汽輪機：其中第一級常用復速級作為調(diào)節(jié)級(有的也用單級沖動級)，其后由若干個沖動級、純沖動級或復速級組成非調(diào)節(jié)級級組。為了提高效率，各級常帶有不大的反動度。

(2)混合式多級汽輪機：它有兩種形式：一種是第一級為復速級或單級沖動級，其后由若干個反動級組成非調(diào)節(jié)級級組；另一種形式是第一級是復速級，而非調(diào)節(jié)級級組由若干個沖動級和若干個反動級組成。

作為船舶主機的多級汽輪機由于級數(shù)多，常分成高、低壓缸汽輪機，平行配置，共同驅(qū)動減速器的第一級大齒輪。也有以高、中、低壓三缸汽輪機組成的船舶主機。

多級汽輪機中，如級組的等熵焓降一定，則由反動級組成的級數(shù)，遠較由沖動級組成的級數(shù)為多 。2100433B

半速汽輪機經(jīng)濟性比較

1.熱效率比較

在機組入口參數(shù)(主蒸汽壓力、溫度、濕度、流量)確定的情況下，汽輪機的效率主要取決于通流部分效率和排汽損失等。

(1)通流部分效率

在現(xiàn)代汽輪機設計中，由于使用現(xiàn)代流體力學計算技術(shù)和采用三維優(yōu)化設計，減小了各項損失，使汽輪機通流部分效率有明顯的提高。無論是全速汽輪機還是半速汽輪機，對通流部分效率的提高已經(jīng)接近了開發(fā)極限。相比而言，由于葉片較長、級數(shù)減少等結(jié)構(gòu)特點，半速汽輪機通流部分效率比全速汽輪機高一些。

(2)排汽損失

在蒸汽流量一定情況下，排汽面積越大，余速越低，余速損失越小。所以要減少余速損失，就需要較長的汽輪機末級葉片，以增大排汽面積。半速汽輪機由于末級葉片可以設計得比較長，能夠提供較大的排汽面積，從而減少了排汽損失，提高了汽輪機的熱效率。分析結(jié)果表明，排汽余速損失約為40 kJ/kg，機組的熱力循環(huán)效率最好。另外轉(zhuǎn)速降低，減少了濕蒸汽對葉片的侵蝕，改善了蒸汽的流動特性，從而也提高了熱效率。

2.百萬千瓦級核電汽輪機熱效率

根據(jù)世界上各大核電汽輪機制造商的介紹情況，百萬千瓦級核電半速汽輪機熱效率比全速汽輪機高，平均高出2%最多的高出3.3%。如果反應堆熱輸出功率為2 905 MW，即相當于出力提高9.6%。

半速汽輪機安全可靠性

1.應力水平

一般來講，全速汽輪機與半速汽輪機靜子部件的應力水平大致相當，但對于轉(zhuǎn)動部件來說兩者的應力水平差別就比較大。由離心力引起動葉片的拉伸應力的公式：δ=MRω²(式中：M-動葉片的質(zhì)量；R-動葉片的平均旋轉(zhuǎn)半徑；ω-角速度)。可看出：應力是與轉(zhuǎn)速的平方成正比。如果1 500 r/min和3 000 r/min的汽輪機使用相同的動葉片(即M相等)，那么全速與半速應力之比就是4: 1，這是理論上的比較。實際情況是全轉(zhuǎn)速汽輪機轉(zhuǎn)子應力比半轉(zhuǎn)速高1.3 ~2倍。對于大功率機組，全速汽輪機轉(zhuǎn)動部件的應力水平往往用到許用應力的極限，所以，從這一角度比較，對于大功率汽輪機，半速機組的安全裕量更大些。

2.汽缸的穩(wěn)定性

在功率等級相同條件下，半速汽輪機尺寸和重量比全速機大，因而承受外界對機組產(chǎn)生的力和力矩的能力比全速汽輪機強，其穩(wěn)定性優(yōu)于全速機。

3.抗侵蝕、腐蝕能力

核電汽輪機大約2/3的作功在低壓缸內(nèi)完成，雖然核電汽輪機低壓缸的進汽參數(shù)核火電差不多，但由于核電汽輪機在低壓缸內(nèi)的焙降較火電多，因此核電汽輪機低壓缸的排汽濕度較大，一般高達12%-14%。發(fā)生侵蝕、腐蝕的部件，除動葉片外大部分與轉(zhuǎn)速無關(guān)。由于末級及次末級長葉片長時間在濕蒸汽區(qū)工作，因此受侵蝕腐蝕情況比火電機組要嚴重得多。如果不作防水蝕處理，葉片運行一段時間后會因水滴沖擊產(chǎn)生水蝕，在葉片頂部背弧進汽邊處會出現(xiàn)蜂窩狀的凹坑或被沖擊成鋸齒形。葉片的水蝕，不但使葉片熱力性能降低，還可能造成葉片斷裂等事故。

在現(xiàn)代汽輪機設計中，控制葉片侵蝕常用的幾種方法是:1. 增加去濕，去除動葉片由于離心力的作用而被甩到并聚集在隔板外緣延伸環(huán)上的水分。2. 增加動、靜葉片之間的軸向間隙。3. 在葉片進汽邊頂部進行防水蝕處，如焊接司太立合金片等。在高壓和低壓末級動葉片頂部進汽邊開設徑向?qū)Я鞑邸?

4.運行的靈活性

半速汽輪機由于轉(zhuǎn)子直徑大、重量重，高壓缸的汽缸壁較厚，導致熱應力增大，在快速起動和變負荷適應性方面比全速汽輪機稍微差些，但由于核電機組大部分為帶基本負荷運行，起、停、變負荷次數(shù)較少，加上核電的進汽參數(shù)比較低，因此熱應力的影響不是太大。

5.機組的振動特性

半速汽輪機由于轉(zhuǎn)速較全速低、轉(zhuǎn)子重量重、轉(zhuǎn)動慣量大，因此其對激振力的敏感程度比全速機低，抗振性能比全速機優(yōu)。

半速汽輪機投資成本

1.材料消耗

一般在相同功率等級的情況下，半速汽輪機組由于體積大，單個部件的重量要比全速機重得多，因此半速汽輪機的材料消耗量要比全轉(zhuǎn)速汽輪機多。采用半速機后由于末級通流面積增加，低壓缸的數(shù)量比全速機減少，因此對于整臺機組來說半速汽輪機組的重量是全轉(zhuǎn)速機組的1.2-2.4倍。

2.制造、起吊、運輸、土建、安裝等方面的成本

由于半速汽輪機的尺寸和重量比全速汽輪機大，使得半速汽輪機的制造、起吊和運輸?shù)确矫娴碾y度增加，從而增大了一系列的投資。

半速汽輪機與全速汽輪機在尺寸和重量上的差別較大的部件在低壓模塊。半速汽輪機低壓內(nèi)外缸體較大，末級葉片長，轉(zhuǎn)子直徑大。如低壓轉(zhuǎn)子裝配后的重量接近200噸。這樣就要求起吊吊車的噸位增大，低壓內(nèi)外缸加工機床、葉片加工機床、轉(zhuǎn)子加工機床等加工設備都要相應增大。因而，制造廠在加工設備、起吊設備等方面需作適當?shù)母脑旌透?，增加一定的投資，使制造成本相應提高。

由于半速汽輪機尺寸和重量的增大，相應的汽輪機基礎的支承負荷也應加大。從而使汽輪機基礎的支承梁的厚度增加、支承基礎尺寸增大，在汽輪機運行平臺上要求予留的檢修面積增大。這就有可能使得廠房面積增加。使電廠廠房、汽輪機基礎建設方面投資相應加大。

運輸方面，由于半速機重量和尺寸的增大，使得運輸難度增大，運輸噸位增加，相應的運輸成本也會提高。

安裝方面，由于半速汽輪機的重量和尺寸都大于全速汽輪機，這就要求安裝現(xiàn)場的行車等大型起吊設施的起吊能力要增大，從而增加了起吊設備的投資。對于安裝來說，安裝費用包括人工費、材料費用、機械臺班使用費。由于半速機的結(jié)構(gòu)和全速機組相比除尺寸大、重量重外基本一樣，安裝方面也沒有什么特殊要求，且半速機低壓缸的數(shù)量相對全速機減少，因而安裝的人工費、材料費應和全速機相差不大。但由于國內(nèi)安裝承包商缺乏安裝半速機的經(jīng)驗，會遇到一些新的問題影響安裝進度，需要外方提供更多的技術(shù)支持，這就有可能使安裝費用增加。

總之，在投資成本方面，半速汽輪機比全速汽輪機的投資成本相應要高些。根據(jù)有關(guān)供貨商介紹，設備造價和安裝土建費，半速機比全速機高20%一30%(對整個常規(guī)島相當于高7%左右)。但對于不同的供應商，結(jié)果是不同的，如日立公司提供的信息表明，對于半速機，如考慮低壓缸、輔機(如MSR,凝汽器、除氧器、各類加熱器等)的數(shù)量相對全速機減少，其整個核電廠常規(guī)島部分的造價與全速機相當。

半速汽輪機發(fā)展?jié)摿?/h3>

1.極限功率

由于核電站選址要求嚴格而又不太容易，且投資成本比較高，為了降低單位千瓦(KW)造價，在同樣的廠址面積范圍內(nèi)增大單機的功率是降低造價的發(fā)展趨勢。核電汽輪機功率一般為百萬千瓦級，世界上最大的核電單機功率高達1 700 MW。末級葉片的通流能力是決定單機所能達到最大功率的主要因素。這樣就要求不斷增大汽輪機低壓缸的排汽面積。為了增加排汽面積，要么增加低壓缸數(shù)量，要么采用更長的末級葉片。

增加低壓缸數(shù)量:運行的核電機組一般不超過3只低壓缸，極少數(shù)采用4只低壓缸。缸數(shù)的增加將使結(jié)構(gòu)復雜、設計困難，尤其會給軸系的設計帶來一些難以解決的問題。

采用更長的末級葉片:末級葉片的加長由于受到應力水平和材料的限制，全速機不可能采用很長的末級葉片，半速機的末級葉片可以適當加長。如ALSTOM的半速機末級葉片可達到1 450 mm，且已有幾年的運行經(jīng)驗。末級葉片的加長，使得排汽面積增大，功率增大。從而使半速汽輪機的極限功率可以比全速汽輪機高。

一般分析認為，全速汽輪機適合用于1 200 MW以下，否則機組的安全可靠性不容易得到保證，而半速汽輪機則可達到1700 MW甚至更高。

2.發(fā)展趨勢

從我國持續(xù)發(fā)展核電工業(yè)的政策出發(fā)，我國核電的本地化制造，不僅是百萬千瓦級核電機組，而且要向1 200 MW, 1 300 MW, 1 500 MW, 1 700 MW甚至更高等系列發(fā)展。從這一方面來講，半速汽輪機有更好的適應性，機組的安全可靠性更容易得到保證，有利于核電機組向大功率化不斷發(fā)展。

小汽輪機的型式有純凝汽式、純背壓式、抽凝式、抽背壓式幾種，常用的是前兩種。采用純凝汽式小汽輪機，在主機排汽面積和發(fā)電機出力相同的條件下，可減少主機的凝汽流量和余速損失；純背壓式小汽輪機布置上比較靈活，但投資和金屬耗量要大些。