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某660MW机组汽轮机热态启动最佳温升率的确定

2024-10-17 209 上传者：管理员

摘要：为进一步缩短火电机组热态启动时间，满足机组快速启动参与电网调峰的要求，以某660MW汽轮机组热态启动为例，编制程序确定不同启动阶段转子表面的蒸汽参数及换热系数，之后采用ANSYS软件对汽轮机热态启动下的转子温度场及应力场进行了数值模拟计算，分析了汽轮机转子重点监测部位热应力随温升率变化规律。并从不同温升率启动对汽轮机转子低周疲劳寿命的损耗进行分析，得到了机组热态启动的最佳温升率。研究结果可使汽轮机组热态启动下相比设计条件下缩短启动时间18%。所做工作对大型火电机组深度调峰具有一定参考价值。

关键词：
汽轮机
温升率
热应力
热态启动
转子
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随着我国国民经济的发展及电网峰谷差的逐渐加大，大型火电机组已普遍参与调峰运行。机组在担负调峰任务时，通常需要频繁的启停，热态启动次数较多[1],转子和汽缸由此受到冷热冲击进而严重影响汽轮机的使用寿命。因此，对于汽轮机的热态启动，关键要解决汽轮机主蒸汽温度和汽轮机转子、汽缸温度之间的匹配问题。以减小热态启动下汽轮机转子的寿命损耗和启动损失[2]。对于缩短机组启动时间、快速响应机组参与调峰具有重要的现实意义。

热冲击是影响主蒸汽温度和汽轮机金属温度之间匹配的关键问题之一。江宁等[3]研究指出，小幅度的负温度是温态及热态启动中的最佳温度匹配，有助于减小启动过程中转子的热应力及寿命损耗。陈鹏等[4]使用大型有限元软件对600MW机组冷态启动、温态启动、热态启动和变负荷过程进行模拟分析，制定了更为合理的启停机方案。王静明[5]根据盘山发电厂2台机组的运行经验，围绕如何减小热态启动中热应力，加快热态启动速度问题介绍了选择冲转参数的依据。裴世英[6]针对中间再热机组的热态启动参数，选择最理想的冲转参数进行了讨论。认为调节级后的蒸汽温度应为正匹配，但为使启动灵活些，并缩短启动时间，也应允许负匹配。并建议冲转时调节级后汽温与对应金属温度应在+120℃～-50℃的范围内。陈坚红等[7]运用 ANSYS分析软件对200MW机组的高中压转子在各种温升率下的冷态启动与停机方式，进行了温度场、应力场及寿命损耗的计算，从理论上提出了在不同工况下转子寿命监督的特点与优化启动的方法。杨昆等[8]讨论了暂态过程中汽轮机转子热应力的最佳过渡过程，并提出了实现这一过程的汽温变化率条件。黎明等[9]对300MW汽轮机组在不同温升率的冷态启动运行方式下转子的热应力场进行了计算分析，得出了温升率与转子热应力的变化关系。胡三高等[10,11]采用优化理论，对汽轮机在启动过程中的时间、温升率进行了优化和分析，得出了最佳温升率与不同启动工况等因素之间的关系，为最优启动方式提供了理论依据。

综合现有文献看来，对于汽轮机组热态启动温升率与转子寿命损耗之间定量依变关系的研究还很少。

基于此，本文以660 MW汽轮机组热态启动为例，采用ANSYS软件，结合启动阶段转子表面蒸汽参数及换热系数的程序编制，对汽轮机热态启动下的转子温度场及应力场进行数值模拟计算。从不同温升率对汽轮机转子低周疲劳寿命的损耗进行定量分析，得到了机组热态启动的最佳温升率。所做工作对于大型火电机组的深度调峰及机组的安全经济运行具有一定的指导意义。

1、计算模型

1.1 温度场数学描述

汽轮机转子可被等效于一个无内热源的各向同性的圆柱体模型，通过建立其温度的偏微分方程式来求解其温度的分布[12]:

式中，τ为传热计算时间，s;r和z分别为径向、轴向坐标轴，m;λ为转子的导热率，W/(m·℃);ρ为转子材料的密度，kg/m3;cp为转子的定压比热，J/(kg·℃)。

汽轮机转子外表面传热的初始条件和边界条件分别可表示为：

式中，α为转子表面的对流换热系数，W/(m2·℃);tf为转子表面的蒸汽温度，℃。

汽轮机转子叶轮两侧的放热系数可表示为：

式中，u为汽轮机叶轮外缘处的圆周速度，m/s;Rb为汽轮机叶轮外圆处半径，m;ν为蒸汽的运动黏度系数，m2/s;λ0为蒸汽的导热系数，W/(m·K);b为转子表面到汽封环的高度，m。

其中，汽轮机光轴的放热系数可表示为：

式中，Ra为光轴的外圆半径，m。

汽轮机叶轮轮缘的放热系数可表示为：

式中，r0为叶轮半径，m。

1.2 寿命损耗数学描述

汽轮机转子启停过程时间占机组运行时间比例很小，启停过程中高温蠕变损耗在整个机组运行过程中所占比例更小，因此计算启停寿命损耗只要计算低周疲劳损耗，忽略高温蠕变损耗。转子的低周疲劳寿命损耗以出现等效应力最大值处即高中压平衡盘弹性槽处为重点考核部位，在计算汽轮机耐用件的低周疲劳损耗时，采用了Timo提出的方法[12],把启动和停机分别视为两个完整的对称疲劳循环来处理，计算出其总应变Δε。根据弹性力学理论，转子的全应变为：

式中，Δεt为对称循环的总应变，也称应变范围或全应变；σne为耐用件名义等效应力，MPa;Kε为塑性应变集中系数；E为工作温度下材料的弹性模量，MPa。

转子材料为A470 Class 8,疲劳寿命计算采用低周疲劳寿命曲线，即：

低周疲劳裂纹萌生寿命损耗d的计算公式：

式中，d为一次启动或停机的低周疲劳裂纹萌生寿命损耗，%;Nf为致裂全循环周次。

1.3 几何模型的建立

660MW汽轮机是美国西屋电气公司制造的亚临界、双缸双排汽、中间再热式、凝汽式汽轮机，型号为TC2F-38.6"。高中压转子是合金钢整锻式无中心孔鼓形转子，材料为A470 Class。几何边界左起高压缸第一压力级，右至中压缸第二压力级，选取的长度为1.374m; 上至叶轮边界，下至中心轴线。转子上的倒角、圆角均按图纸尺寸处理，尽量保持与原形的一致性；由于转子的轴对称性[12],这里取转子轴向剖面的1/2建立模型。

1.4 有限元计算网格划分

运行经验表明，转子沿轴向的最大应力总是出现在调节级叶轮根部、高压汽封前轴肩、弹性槽等处[13]。因此这些部位势必在第一次粗网格划分的基础上进行第二次细网格划分，这样不需进行两次计算。虽然增加了模型的复杂程度和计算工作量，却能更真实地体现实际工作情况。经过两次网格密分，将计算模型共划分为25 489个单元和79 012个节点。其中网格划分后的计算隔离体如图1所示。

图1 网格划分后的计算隔离体

1.5 材料属性

转子材料为A470 Class 8,转子的物性参数随温度而改变，各参数随温度的变化见表1。在有限元计算之前需按表1数据定义材料物性参数，在有限元计算过程中通过自动插值计算任意温度下的参数[14],从而全面考虑温度变化引起的物性参数变化对计算结果的影响。

1.6 边界条件

启动过程中转子换热条件复杂，为提高计算的时效性，针对边界条件做如下假设处理：

表1 A470 Class 8钢的材料特性

(1)端截断面近似简化为绝热条件，即热流密度为零。

(2)中心孔为几何条件和传热条件的对称轴，按绝热条件处理[15]。

汽轮机转子传热系数是空间和时间的函数。汽轮机组启停过程中，采用文献[16]中传热系数的计算方法计算转子表面叶轮两侧、光轴、汽封和叶轮顶部的传热系数。计算程序流程如图2所示。经计算，汽封处换热系数最大，原因为流经汽封处的蒸汽流速很高，流经汽封表面时对流换热强。

图2 计算程序流程图

2、计算结果分析

2.1 温度场计算结果

分别计算了温升率为1.0℃/min、1.5℃/min、2.0℃/min、2.5℃/min、3.0℃/min下汽轮机转子的温度场，计算结果如图3～图7所示。

图3 温升率为1.0℃/min的温度场

图4 温升率为1.5℃/min的温度场

图5 温升率为2.0℃/min的温度场

图6 温升率为2.5℃/min的温度场

从图中可以看出，随着温升率的升高，汽轮机转子表面温度逐渐升高，温度由410℃升高到465℃左右。此外，随着时间的增加，汽轮机转子中心线处的温度升高。受温升率的影响，温度达到平缓区域的时间区别较大。通常温升率越高，达到最高点温度的时间缩短。由此说明，汽轮机转子可能产生的热应力越大。

2.2 热应力计算结果

重点分析汽轮机转子调节级叶轮、高压前轴肩、中压第一级叶轮根部和高中压平衡盘弹性槽4处应力集中部位，模拟计算等效动应力，其变化规律如图8～图11所示。可以看出，转子在高中压平衡盘弹性槽处动应力相对最大。在某一固定温升率下转子升速过程中，转子中压第一级叶轮根部处热应力较其它3个监测部位小。分析其原因为中压缸进汽压力远低于主蒸汽压力，蒸汽流速较慢，因此放热系数相比于高压转子表面放热系数小，使中压转子半径纵向温度梯度较小。当汽缸进汽温升率增大时，转子等效热应力变化速率随之增大。在转子定速暖机以及进汽温度达到额定参数情况下，转子的等效热应力将出现下降趋势。

图7 温升率为3.0℃/min的温度场

图8 调节级叶轮根部热应力

图9 高压汽封前轴肩热应力

图10 中压第一级叶轮根部热应力

图11 高中压平衡盘弹性槽处热应力

此外，从图中也可以看出，随着温升率的升高，等效应力增加，当温升率由1.0℃/min增加到3.0℃/min时，调节级叶轮根部、高压前轴肩、中压第一级叶轮根部及高中压平衡盘弹性槽处的热应力均增加。达到最大等效应力的时间均有所缩短。其中，高中压平衡盘弹性槽处的等效应力受影响最大，应该引起足够的重视。

2.3 计算结果处理

提高蒸汽温升率将显著缩短机组启动时间，有利于降低启动成本，提升机组应急响应能力。但过高温升率将影响金属部件寿命损耗及运行可靠性，因此需综合寻优确定最佳温升率。单次机组热态启动时低周疲劳寿命损耗计算结果见表2,以表2为例，量化蒸汽温升速率和金属部件寿命损耗关系，采取非线性拟合得到关系曲线，如图12所示。关系式为：

表2不同温升率下寿命损耗计算结果

根据上述四阶非线性关联式，可寻找到允许单次金属寿命损耗下的最佳温升速率，汽轮机的零部件(不包括易损件)的设计使用寿命不少于30年，在其寿命期内能承受下列工况，其寿命损耗不超过75%,可用率不低于90%。各种运行工况下寿命管理规划见表3。

图12 寿命损耗与温升率拟合曲线

表3某电厂转子寿命分配方案

综上，最佳启动温升率为2.05℃/min, 相比于设计温升率1.5℃/min提高0.55℃/min, 可节约18%机组启动时间。此时，热态启动过程中转子产生的应力峰值为342.5MPa, 金属材料屈服极限为492MPa, 许用应力为371.4MPa, 在安全允许裕度范围内。

3、结论

(1)计算表明，660MW超临界汽轮机转子热态启动过程中，随着时间的增加，汽轮机转子中心线处的温度升高。受温升率的影响，温度达到平缓区域的时间区别较大。通常温升率越高，达到最高点温度的时间越短，并在调节级叶轮根部、高压前轴肩及高中压平衡盘弹性槽处出现较大应力集中现象，尤其是弹性槽处。建议在机组检修期间重点对弹性槽处进行检查。

(2)本文通过有限元数值计算得出转子热应力随温升率变化的规律，并依据Timo曲线分别计算出不同温升率下单次热态启动的寿命损耗，结合转子寿命管理规划确定出机组启动最佳温升率为2.05℃/min, 相比厂家设计值1.5℃/min, 可使机组热态启动时间缩短18%,可明显减少机组启动费用。

参考文献:

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