1、研究背景和意义

随着经济的发展和电力需求的不断增长，如何缩短维修周期，增加单位机组的年利用时间已成为电力发展的研究方向之一。从机组网停止到满足停车和润滑油的条件，自然冷却所需的时间约为5-6天。如果采用技术手段快速冷却，时间可缩短至1-2天，大大缩短了维护周期。

采用什么技术手段，采用什么冷却介质，已成为各发电单位考虑的主要问题。

二、汽轮机的几种快速冷却技术及其优缺点

中国对汽轮机快速冷却技术的研究始于20世纪80年代。目前，汽轮机快速冷却基本采用蒸汽和空气冷却介质，主要冷却方式有蒸汽冷却、压缩空气冷却和真空冷却。

（1）蒸汽冷却：蒸汽冷却是锅炉在停机过程中产生的过热蒸汽，在一定程度上降低温度后，通过高中压主阀和调节门进入汽轮机高中压缸，达到冷却汽轮机的作用。但蒸汽具有相变性，换热系数大，严格限制蒸汽的压力和温度，冷却过程中蒸汽参数必须稳定，对控制系统的调节特性和操作人员的技能提出了更高的要求。

（2）压缩空气冷却：压缩空气冷却是利用单元压缩空气系统的空气或专门设置的冷却系统的压缩空气，在满足温度、湿度和清洁度要求的情况下，引入汽轮机高、中压缸进行冷却。停机初期，压缩空气与金属温差大。为避免热冲击过大，影响设备使用寿命，甚至损坏设备，系统需要配备压缩空气专用加热装置，通过调节温度和流量来减少热冲击，但该方法对加热装置的可靠性和保护配置要求较高，必须考虑加热装置突然故障的应急措施，冷压缩空气不能直接进入汽轮机，以免对设备造成冲击和损失。

（3）抽真空冷却：抽真空冷却是利用冷凝器抽真空装置，吸入环境空气冷却汽轮机，通常通过锅炉、再热器停止维护充氮阀吸入空气，再热器余热加热后进入汽轮机冷却。

由于真空冷却方法中冷却介质的湿度和清洁度质量难以保证，介质流量和冷却速率难以控制，整个过程中真空系统需要连续运行，快速冷却方法不能广泛使用。

因此，蒸汽冷却和压缩空气冷却往往是汽轮机快速冷却的主要应用。但这两种方法也有各自的缺点。

1、蒸汽冷却方式优缺点：

优点：适用于大型单元机组，系统变化很小，甚至不需要更改，不需要额外投资附加设备。

缺点：使用锅炉余热或临时蒸汽供应时，介质参数不易调整，维持所需蒸汽过热相对困难。如果操作不当导致蒸汽带水，则不利于停机后的设备维护。

2、压缩空气冷却方式优缺点：

优点:独立于整个发电系统，操作相对简单，容错率高。前期干燥后，介质不会带水。在快速冷却过程中，汽轮机内部应顺便干燥，有利于设备维护。

缺点：早期投资相对较大，需要相应改变系统，确保加热装置电源在运行过程中稳定可靠，最好增加加热装置的断电保护逻辑。

三、压缩空气冷却的具体应用方法及改进措施

1、压缩空气冷却方式的细分选择

压缩空气冷却是将空气加热到所需温度，然后送入汽轮机通流部分，利用金属温度与热空气之间的温差进行热交换，从而加速汽轮机内部的冷却速度。系统配备高效干燥器，确保进入汽轮机的空气足够干燥。

根据冷却压缩空气与蒸汽轮机正常运行中蒸汽流动方向是否一致，可分为逆流和顺流。

顺流是将冷却空气从高压调节阀前的疏水管中引入，通过高压调节阀进入高压缸，从高压排气管上的排气门中排出；中压缸的冷却空气从中压调节阀前的疏水管中引入，通过中压调节阀进入中压缸，排气安装在低压缸的进气管上。逆流冷却介质流向顺流。

顺流冷却冷却介质从高温区引入，传热温差大，热冲击风险大于逆流冷却。但由于全周进气，转子和气缸冷却均匀，可使用进气区原设计的金属温度监测点，便于监测和控制冷却速率。虽然逆流冷却进口传热温差小，但汽轮机在高温阶段冷却时受热冲击的风险小于顺流冷却，但由于其不具备顺流冷却的均匀性优势和进气区没有现成的金属温度监测点，不易监测和调节。

根据相关数据，介质顺流冷却优于逆流冷却，因为其冷却参数易于监测，机组冷却状态相当于滑动参数停止，气缸热冲击风险由于阀门和导管空气吸热，温度升高，只要控制得当就可以防止。因此，在快速冷却介质的流动方向上，基本上倾向于采用顺流冷却方法。

通过以上介绍和分析，可以看出，在汽轮机快速冷却中，顺流冷却是最佳选择。

2、压缩空气冷却方法的具体应用方法

山西某发电厂采用的压缩空气快速冷却系统是将压缩空气从厂用杂项压缩空气储气罐中引出，经油水分离器净化干燥后，分两种方式进入电加热器。加热达到要求温度后，通过高压缸导气管疏水门进入高压缸，顺流通过高压缸通流部分，然后通过高排止回门前的排气管排出。另一种方式通过左右再热导气管疏水门顺流进入中压缸，然后通过中低压缸连接管，最后从低压缸人孔门排出。

3、改进压缩空气冷却方法的措施

根据上述具体工艺，高压缸冷却和中低压缸冷却可视为两个冷却系统。高压缸冷却后的高温排气不能很好地利用，导致空气压缩机输出和压缩空气电加热系统能耗增加，整个快速冷却过程的成本增加。

为了减少快速冷却期间的气体消耗，降低电加热器的功耗，对整个系统进行了以下改进：将高压缸冷却后的高温排气送入集箱，稍加处理后再送入中压缸冷却。

改进前多次统计发现，高压缸冷却后的排气温度与中压缸进口温度相差不大，中压缸所需的冷却气量与高压缸冷却后的排气量相差不大。高压缸冷却后的排气再利用不存在设计缺陷。为了满足中压缸足够的冷却气量，在高压缸排气集箱上增加通过加热器（附加旁路）的供气管道，以补充特殊情况下中压缸的额外用气量和用气温度。

改进后，压缩空气快速冷却系统的高压缸、中压缸和低压缸串联连接，整个冷却过程中的冷却空气消耗量基本达到改进前的一半，大大降低了空气压缩机和电加热器的功耗。

四、汽轮机快冷对其寿命损耗的分析

在汽轮机快速冷却的应用和推广中，很大一部分电厂对这种方法有“可用但不推荐”的看法。根据相关数据，当气缸和转子在快速冷却过程中保持温降率在10℃/小时以内时，对其使用寿命的影响可以忽略不计。根据工厂的使用参数，冷却速度基本控制在4℃/小时-5℃/小时，对汽轮机的使用寿命几乎没有影响。此外，压缩空气冷却方法独特的容错率高，在保证操作人员技能水平的前提下可以放心使用。

五、结语

随着材料技术的发展，性能越来越好的保温材料将用于汽轮机外部，导致大型发电机组停机后自然冷却时间越来越长，使汽轮机快速冷却技术越来越受到重视，逐渐作为常规冷却手段投入生产实践，快速冷却期节能降耗也将成为新的研究课题。

通过一些小的改进，降低了压缩空气快冷模式能耗的近50%，对汽轮机快冷模式的推广起到了积极的作用。