ATC（汽輪機(jī)）

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

中文名

ATC

外文名

Automatic steam turbine control

最大速率

500r/min

最大升負(fù)荷率

13.95MW/min

最小速率

50r/min

例如：按壽命10000次進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果使用不當(dāng)，熱應(yīng)力大，實(shí)際壽命可能只有幾千次。由此要求自動控制能保證機(jī)組壽命。ATC就是保障機(jī)組壽命的自動啟動控制。引進(jìn)型機(jī)組都有專門的壽命控制用曲線和計(jì)算程序。

ATC通過DEH控制柜的ATCI/O通道，檢測機(jī)組的各點(diǎn)溫度，計(jì)算高壓和中壓轉(zhuǎn)子的實(shí)際應(yīng)力，而后將它與許可應(yīng)力進(jìn)行比較，得其差值。再將它轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的目標(biāo)指令和變化率，通過DEH去控制機(jī)組升速和變負(fù)荷。在整個(gè)啟停機(jī)組或負(fù)荷變化過程中，進(jìn)行閉環(huán)的自動控制，使轉(zhuǎn)子應(yīng)力保持在允許的范圍內(nèi)。ATC中除了對應(yīng)力進(jìn)行閉環(huán)控制外，對于盤車、暖機(jī)、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(jī)的偏心、差脹、振動軸承金屬溫度、軸向位移及電機(jī)冷卻系統(tǒng)等各安全參數(shù)也自動進(jìn)行監(jiān)控。

對引進(jìn)機(jī)組，升速率從每分鐘50～500r/min分為10級，每級每分鐘50r/min應(yīng)力可用溫差△T表示。當(dāng)實(shí)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(fù)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(fù)荷率，最大升負(fù)荷率為13.95MW/min?？刂破啓C(jī)第一級蒸汽變化速度就能控制熱應(yīng)力，這可通過控制負(fù)荷變化量和變化速率來達(dá)到。2100433B

多級汽輪機(jī)從原理上說是將若干個(gè)單級串聯(lián)在一根機(jī)軸上。這樣，雖然蒸汽在汽輪機(jī)中總的等熵焓降很大(有時(shí)達(dá)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(jī)的軸向長度比多列速度級大。

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

多級汽輪機(jī)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(jī)：其中第一級常用復(fù)速級作為調(diào)節(jié)級(有的也用單級沖動級)，其后由若干個(gè)沖動級、純沖動級或復(fù)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(jī)：它有兩種形式：一種是第一級為復(fù)速級或單級沖動級，其后由若干個(gè)反動級組成非調(diào)節(jié)級級組；另一種形式是第一級是復(fù)速級，而非調(diào)節(jié)級級組由若干個(gè)沖動級和若干個(gè)反動級組成。

作為船舶主機(jī)的多級汽輪機(jī)由于級數(shù)多，常分成高、低壓缸汽輪機(jī)，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(jī)組成的船舶主機(jī)。

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

半速汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性比較

1.熱效率比較

在機(jī)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)中，由于使用現(xiàn)代流體力學(xué)計(jì)算技術(shù)和采用三維優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了各項(xiàng)損失，使汽輪機(jī)通流部分效率有明顯的提高。無論是全速汽輪機(jī)還是半速汽輪機(jī)，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(diǎn)，半速汽輪機(jī)通流部分效率比全速汽輪機(jī)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(jī)末級葉片，以增大排汽面積。半速汽輪機(jī)由于末級葉片可以設(shè)計(jì)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(jī)的熱效率。分析結(jié)果表明，排汽余速損失約為40 kJ/kg，機(jī)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(jī)熱效率

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

半速汽輪機(jī)安全可靠性

1.應(yīng)力水平

一般來講，全速汽輪機(jī)與半速汽輪機(jī)靜子部件的應(yīng)力水平大致相當(dāng)，但對于轉(zhuǎn)動部件來說兩者的應(yīng)力水平差別就比較大。由離心力引起動葉片的拉伸應(yīng)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)?？煽闯觯簯?yīng)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(jī)使用相同的動葉片(即M相等)，那么全速與半速應(yīng)力之比就是4: 1，這是理論上的比較。實(shí)際情況是全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力比半轉(zhuǎn)速高1.3 ~2倍。對于大功率機(jī)組，全速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部件的應(yīng)力水平往往用到許用應(yīng)力的極限，所以，從這一角度比較，對于大功率汽輪機(jī)，半速機(jī)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(jī)尺寸和重量比全速機(jī)大，因而承受外界對機(jī)組產(chǎn)生的力和力矩的能力比全速汽輪機(jī)強(qiáng)，其穩(wěn)定性優(yōu)于全速機(jī)。

3.抗侵蝕、腐蝕能力

核電汽輪機(jī)大約2/3的作功在低壓缸內(nèi)完成，雖然核電汽輪機(jī)低壓缸的進(jìn)汽參數(shù)核火電差不多，但由于核電汽輪機(jī)在低壓缸內(nèi)的焙降較火電多，因此核電汽輪機(jī)低壓缸的排汽濕度較大，一般高達(dá)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(shí)間在濕蒸汽區(qū)工作，因此受侵蝕腐蝕情況比火電機(jī)組要嚴(yán)重得多。如果不作防水蝕處理，葉片運(yùn)行一段時(shí)間后會因水滴沖擊產(chǎn)生水蝕，在葉片頂部背弧進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)汽邊頂部進(jìn)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(jìn)汽邊開設(shè)徑向?qū)Я鞑邸?

4.運(yùn)行的靈活性

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

5.機(jī)組的振動特性

半速汽輪機(jī)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(jī)低，抗振性能比全速機(jī)優(yōu)。

半速汽輪機(jī)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(jī)組由于體積大，單個(gè)部件的重量要比全速機(jī)重得多，因此半速汽輪機(jī)的材料消耗量要比全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)多。采用半速機(jī)后由于末級通流面積增加，低壓缸的數(shù)量比全速機(jī)減少，因此對于整臺機(jī)組來說半速汽輪機(jī)組的重量是全轉(zhuǎn)速機(jī)組的1.2-2.4倍。

2.制造、起吊、運(yùn)輸、土建、安裝等方面的成本

由于半速汽輪機(jī)的尺寸和重量比全速汽輪機(jī)大，使得半速汽輪機(jī)的制造、起吊和運(yùn)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(jī)與全速汽輪機(jī)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(jī)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(jī)床、葉片加工機(jī)床、轉(zhuǎn)子加工機(jī)床等加工設(shè)備都要相應(yīng)增大。因而，制造廠在加工設(shè)備、起吊設(shè)備等方面需作適當(dāng)?shù)母脑旌透?，增加一定的投資，使制造成本相應(yīng)提高。

由于半速汽輪機(jī)尺寸和重量的增大，相應(yīng)的汽輪機(jī)基礎(chǔ)的支承負(fù)荷也應(yīng)加大。從而使汽輪機(jī)基礎(chǔ)的支承梁的厚度增加、支承基礎(chǔ)尺寸增大，在汽輪機(jī)運(yùn)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(jī)基礎(chǔ)建設(shè)方面投資相應(yīng)加大。

運(yùn)輸方面，由于半速機(jī)重量和尺寸的增大，使得運(yùn)輸難度增大，運(yùn)輸噸位增加，相應(yīng)的運(yùn)輸成本也會提高。

安裝方面，由于半速汽輪機(jī)的重量和尺寸都大于全速汽輪機(jī)，這就要求安裝現(xiàn)場的行車等大型起吊設(shè)施的起吊能力要增大，從而增加了起吊設(shè)備的投資。對于安裝來說，安裝費(fèi)用包括人工費(fèi)、材料費(fèi)用、機(jī)械臺班使用費(fèi)。由于半速機(jī)的結(jié)構(gòu)和全速機(jī)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(jī)低壓缸的數(shù)量相對全速機(jī)減少，因而安裝的人工費(fèi)、材料費(fèi)應(yīng)和全速機(jī)相差不大。但由于國內(nèi)安裝承包商缺乏安裝半速機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，會遇到一些新的問題影響安裝進(jìn)度，需要外方提供更多的技術(shù)支持，這就有可能使安裝費(fèi)用增加。

總之，在投資成本方面，半速汽輪機(jī)比全速汽輪機(jī)的投資成本相應(yīng)要高些。根據(jù)有關(guān)供貨商介紹，設(shè)備造價(jià)和安裝土建費(fèi)，半速機(jī)比全速機(jī)高20%一30%(對整個(gè)常規(guī)島相當(dāng)于高7%左右)。但對于不同的供應(yīng)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(jī)，如考慮低壓缸、輔機(jī)(如MSR,凝汽器、除氧器、各類加熱器等)的數(shù)量相對全速機(jī)減少，其整個(gè)核電廠常規(guī)島部分的造價(jià)與全速機(jī)相當(dāng)。

半速汽輪機(jī)發(fā)展?jié)摿?/h3>

1.極限功率

由于核電站選址要求嚴(yán)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(jià)，在同樣的廠址面積范圍內(nèi)增大單機(jī)的功率是降低造價(jià)的發(fā)展趨勢。核電汽輪機(jī)功率一般為百萬千瓦級，世界上最大的核電單機(jī)功率高達(dá)1 700 MW。末級葉片的通流能力是決定單機(jī)所能達(dá)到最大功率的主要因素。這樣就要求不斷增大汽輪機(jī)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(yùn)行的核電機(jī)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(fù)雜、設(shè)計(jì)困難，尤其會給軸系的設(shè)計(jì)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(yīng)力水平和材料的限制，全速機(jī)不可能采用很長的末級葉片，半速機(jī)的末級葉片可以適當(dāng)加長。如ALSTOM的半速機(jī)末級葉片可達(dá)到1 450 mm，且已有幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。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(jī)的極限功率可以比全速汽輪機(jī)高。

一般分析認(rèn)為，全速汽輪機(jī)適合用于1 200 MW以下，否則機(jī)組的安全可靠性不容易得到保證，而半速汽輪機(jī)則可達(dá)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(jī)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(jī)有更好的適應(yīng)性，機(jī)組的安全可靠性更容易得到保證，有利于核電機(jī)組向大功率化不斷發(fā)展。

小汽輪機(jī)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(jī)，在主機(jī)排汽面積和發(fā)電機(jī)出力相同的條件下，可減少主機(jī)的凝汽流量和余速損失；純背壓式小汽輪機(jī)布置上比較靈活，但投資和金屬耗量要大些。