（热能工程专业论文）100mw汽轮机转子热应力在线监测系统开发.pdf

华北电力大学硕i ：学位论文 摘要 本文调研了国内外电网调峰问题的发展动态，提出我国火电机组参与电网调峰 是电力： 业不可回避的课题。火电机组参与调峰，加速了机组关键部件金属的低周 疲劳寿命损耗。将对机组的安全性、经济性与可靠运行带来难以弥补的危害与损失， 同时使设备的健康水平降低，从而加大了发电厂的维护与检修成本，降低了电网安 全经济运行的可靠性。汽轮机设备是火力发电厂的关键设备，而汽轮机转予是汽轮 机的关键部件之一。调峰机组的汽轮机转子上产生的热应力会危及到机组的安全运 行。为此，本文提出开发汽轮机转子热应力与疲劳寿命损耗在线监测系统。 本文总结热应力与疲劳寿命损耗评估的最新成果，建立了热应力在线分析系统 的数学模型。建立的汽轮机转子热应力场计算分析模型。计算速度快，精度高。针 对研究对象，利用有限元方法对汽轮机转子的热应力进行了较为全面的分析，分析结果 为进一步确定热应力在线监测系统的重点监测部位和热应力在线监测模型奠定了基础。 利用面向对象的可视化编程语言v b 6 0 开发了实用的汽轮机转予热应力在线监测系统。 本系统成功地应用到了现场，并对汽轮发电机组的安全经济运行起到了良好的指导作 用。设计开发的汽轮机转子热应力在线监测系统具有显示直观、使用方便的特点。 关键词热能动力工程，汽轮机，热应力，在线监测，热力发电厂 a b s t r a c t t h ed o m e s t i ca n da b r o a dd e v e l o p m e n tt r e n d so fe l e c t r i cg r i dp e a kl o a dr e g u l a t i n g h a db e e nr e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h ev i e wo ft h e r m a lp o w e rp l a n tg e n e r a t o ru n i tw i l lb e t h em a i nr o l ei ne l e c t r i ci n d u s t r yh a db e e np r e s e n t e d t h et h e r m a lp o w e rp l a n tg e n e r a t o r u n i tt a k i n gp a r ti nt h ee l e c t r i cg r i dp e a kl o a dr e g u l a t i n gw i l la c c e l e r a t et h el o wc y c l e f a t i g u el i f ec o n s u m eo fk e yp a r t si ng e n e r a t o ru n i t i tw i l lb eh a r m f u lt os a f e t y , r e l i a b l e a n de c o n o m i co p e r a t i o no fu n i t s ，a n da l s ow i l lr e d u c et h eh e a l t hl e v e lo fe q u i p m e n t s ， i n c r e a s et h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r ，p l a yd o w nt h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cg r i d t h et u r b i n ei sak e ye q u i p m e n to f t h e r m a lp o w e rp l a n t t h er o t o ri sak e yp a r to f t u r b i n e t h et h e r m a ls t r e s si np e a kl o a dr e g u l a t i n gt u r b i n er o t o rm a ye n d a n g e rt ot h es a f e t y 华北电力大学硕 ：学位论文 摘要 本文调研了国内外电网调峰问题的发展动态，提出我国火电机组参与电网调峰 是电力： 业不可回避的课题。火电机组参与调峰，加速了机组关键部件金属的低周 疲劳寿命损耗。将对机组的安全性、经济性与可靠运行带来难以弥补的危害与损失， 同时使设备的健康水平降低，从而加大了发电厂的维护与检修成本，降低了电网安 全经济运行的可靠性。汽轮机设备是火力发电厂的关键设备，而汽轮机转子是汽轮 机的关键部件之一。调峰机组的汽轮机转子上产生的热应力会危及到机组的安全运 行。为此，本文提出开发汽轮机转子热应力与疲劳寿命损耗在线监测系统。 本文总结热应力与疲劳寿命损耗评估的最新成果，建立了热应力在线分析系统 的数学模型。建立的汽轮机转子热应力场计算分析模型，计算速度快，精度高。针 对研究对象，利用有限元方法对汽轮机转子的热应力进行了较为全面的分析，分析结果 为进涉确定热应力在线监测系统的重点监测部位和热应力在线监测模型奠定了基础。 利用面向对象的可视化编程语言v b 6 0 开发了实用的汽轮机转予热应力在线监测系统。 本系统成功地应用到了现场，并对汽轮发电机组的安全经济运行起到了良好的指导作 用。设计开发的汽轮机转子热应力在线监测系统具有显示直观、使用方便的特点。 关键词热能动力工程，汽轮机，热应力，在线监测，热力发电厂 a b s t r a c t t h ed o m e s t i ca n da b r o a dd e v e l o p m e n tt r e n d so fe l e c t r i cg r i dp e a kl o a dr e g u l a t i n g h a db e e nr e s e a r c h e di nt h et h e s i s t h ev i e wo ft h e r m a lp o w e rp l a n tg e n e r a t o ru n i tw i l lb e t h em a i nr o l ei ne l e c t r i ci n d u s t r yh a db e e np r e s e n t e d t h et h e r m a lp o w e rp l a n tg e n e r m o r u n i tt a k i n gp a r ti nt h ee l e c t r i cg r i dp e a kl o a dr e g u l a t i n gw i l la c c e l e r a t et h el o wc y c l e f a t i g u el i f ec o n s u m eo fk e yp a r t si ng e n e r a t o ru n i t i tw i l lb eh a r m f u lt os a f e t y , r e l i a b l e a n de c o n o m i co p e r a t i o no fu n i t s ，a n da l s ow i l lr e d u c et h eh e a l t hl e v e lo fe q u i p m e n t s ， i n c r e a s et h ec o s to fm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r ，p l a yd o w nt h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cg r i d t h et u r b i n ei sak e ye q u i p m e n to f t h e r m a lp o w e rp l a n t t h er o t o ri sak e yp a r to f t u r b i n e t h et h e r m a ls t r e s si np e a kl o a dr e g u l a t i n gt u r b i n er o t o rm a ye n d a n g e rt ot h es a f e t y 华北电力人学硕t 学位论文 o p e r a t i o no ft h e r m a lp o w e rp l a n tu n i t s s o ，o n l i n em o n i t o rs y s t e mo fs t e a mt u r b i n er o t o r t h e r m a ls t r e s sa n df a t i g u el i f en e e dt ob ed e v e l o p e d t h en e wa c h i e v e m e n t so ft h e r m a ls t r e s sa n df a t i g u el i f ee v a l u a t i o nh a v eb e e n s u m m a r i z e di nt h et h e s i s t h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eo n l i n em o n i t o rs y s t e mo fs t e a m t u r b i n er o t o rt h e r m a ls t r e s sh a db e e ne s t a b l i s h e d t h em a t h e m a t i c sm o d e lh a st h ef a s t r u n n i n gs p e e da n dh i g ha c c u r a cy f o rr e s e a r c ho b j e c t ，t h et h e r m a ls t r e s so fs t e a mt u r b i n e r o t o rh a db e e ne v a l u a t e db yf e mm e t h o dm o r ec o m p l e t e l y t h ee v a l u a t i o nr e s u l t so f f e mh a de s t a b l i s h e dt h eb a s eo ft h eo n l i n em o n i t o rs y s t e ma n ds h o w nt h ee m p h a s i s m o n i t o rs e c t i o no fr o t o r t h ea p p l i e do n l i n em o n i t o rs y s t e mo fs t e a mt u r b i n er o t o r t h e r m a ls t r e s sa n df a t i g u el i f eh a db e e nd e v e l o p e db yu s i n go fv b 6 0 t h es y s t e mh a d b e e nu s e di nt h e r m a lp o w e rp l a n ts u c c e s s f u l l ya n dh a dp l a yt h ei m p o r t a n tr o l eo ng u i d e t h eo p e r a t i o no fu n i tf o rt h ep u r p o s eo fs a f ea n de c o n o m i c so p e r a t i o no ft u r b o g e n e r a t o r u n i t t h es y s t e mi sf r i e n d l yd i s p l a yo nc r ta n di sc o n v e n i e n t l yu s e di ns c e n e s o n gm i n g q i a n ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uh o n g k e yw o r d s ：t h e r m a lp o w e r e n g i n e e r i n g ，s t e a mt u r b i n e ，t h e r m a ls t r e s s ， o nl i n em o n i t o r , t h e r m a lp o w e rp l a n t 一1 1 1 华北电力大学硕十学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 0 0 m w 汽轮机转子热应力在线监测 系统开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期涮，在导师指导f 进行的研究 作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师躲钾易 日 期：0 f 、b 3 。f l l 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外电网调峰的现状与发展动态 1 1 1 我国电网调峰的现状与发展趋势 “九五”以来，我国电力工业一直保持快速发展势头，发电装机容量年均增长8 以上。到2 0 0 5 年底，全国发电装机容量已超过5 亿千瓦，发电量达到2 4 7 4 7 亿千瓦时， 工业用电量为1 8 0 5 6 亿千瓦时1 1 “。发电量从2 0 0 0 年到2 0 0 4 年年均递增1 2 4 ，每年 的装机容量相当于一个英国，两个瑞典，发电装机容量和发电量稳居世界第二：位。 随着我国经济的发展，社会用电的负荷性质也在不断变化。综合考虑经济全球化进 程的加快和我国加入世界贸易组织以及经济结构调整和产业升级的逐步推进，预计第一 产业用电将稳定增长；第二产业随着结构调整和增长方式的转变，单位产值电耗将进一 步降低，在全社会用电中的份额会逐步下降；第三产业用电在全社会用电中的份额将逐 步上升；城乡居民用电将继续保持快速增长。这些变化，使得电网峰谷差愈来愈大。由 于我国电源结构性矛盾突出，火电机组所占比例过大，调峰性能好的大型水电站所占比 重偏小，使得电网调峰能力严重不足，部分地区出现了高峰拉闸限电、系统没有备用的 状况。 据有关资料统计，近年我国发电峰谷差增大，主要原因是我国经济结构的调整使得 电力需求结构发生较大变化，突出表现在：第二产业用电比重减小，第三产业和居民生 活用电比重相应提高；工业内部高耗电行业( 冶金、化工、建树等) 和传统行业( 纺织、 煤炭等) 用电比重减小，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高。综合考虑经济全 球化进程的加快和我国加入世界贸易组织以及经济结构调整和产业升级的逐步推进，预 计第一产业用电将稳定增长；第二产业随着结构调整和增长方式的转变，单位产值电耗 将进一步降低，在全社会用电中的份额会逐步下降；第三产业用电在全社会用电中的份 额将逐步上升；城乡居民用电将继续保持快速增长。这些变化，使得负荷增长速度持续 超过用电增长速度，使得电网峰谷差愈来愈大。 随着空调拥有量的不断增加，气温对用电负荷的影响也越来越大。据统计，电网高 峰负荷中，空调负荷大约占3 0 ，在经济发达地区，可能要大于这个数字。我国部分省 华北电力大学硕士学位论文 份全年最高负荷正逐步由冬季向夏季转移，导致年最大负荷增长的波动性增大。今后， 负荷的增长将继续高于用电量的增长，调峰矛盾将f i = | 趋突出，电网需要的调峰容量逐年 增加。“十一五”电力供需的矛盾将主要表现存调峰能力不足，或调峰的技术手段不能 满足电网安全、稳定和经济运行的需要。 从世界发达国家的经济发展规律来看，同样存在随着国民经济的高速发展和人民生 活水平的不断提高，用电结构发生重大变化，市政用电比例逐年上升，工业用电比重下 降，电网的峰谷差日趋增大的趋势。据统计，世界发达国家电网平均调峰幅度约为5 0 ，中等发达国家约为4 0 ，第三世界国家约为3 0 。 1 1 2 国外电网的调峰现状 世界发达国家和组织的电网调峰和调频主要由水电站和燃气轮机电站承担，尤其是 抽水蓄能电站与核电站的配套建设，充分发挥了抽水蓄能电站兼有调峰与填谷的双重功 能，调峰幅度大，是最常用的一种电网调峰方式。同时也开发建设适应调峰要求的一大 批带中间负荷的火电机组，这些机组的变负荷速度较快，最低负荷可达2 5 3 0 。对 于一些发电燃料中气和油所占比重较大的国家，用燃气轮机和联合循环机组调峰的也较 多。目前，国外常用的电网调峰方式有【3 l ： ( 1 ) 水电机组调峰：具有启停灵活，出力变化幅度大且速度快，又无升火损耗等 优点，是解决电网调峰问题的最有效手段，受到世界各国的普遍重视。但水电的开发常 常会受到资源、气候、地理等条件的影响，导致水电的作用不能充分发挥，难以提供 个稳定的调峰电源。 ( 2 ) 抽水蓄能电站调峰：既能顶峰，又能填谷，调峰幅度大，具有快速启停和快 速变动负荷的特点，是最常用的一种电网调蜂方式。例如，美国蓄能式水电站的最大容 量为1 0 0 0 m w ，单机容量已达2 5 0 3 4 8 m w ；英国的狄诺威克抽水蓄能电站从启动到 满出力运行只需1 0 秒，而且短时间内可以以超出部分装机容量的出力运行。据统计， 两欧的抽水蓄能电站，不包括计划检修在内，可用率已高达9 5 以上。抽水蓄能电站 的特点是其良好的环保特性，但造价高、建设周期长、站址的选择受地形条件的限制。 ( 3 ) 大容量火电机组调峰：一般可带中间负荷作变压运行，也可以两班制或周末 停机调峰运行。例如，日本东京电力公司大井电厂超临界3 5 0 m w 机组，美国马丁斯溪 华北电力大学硕士学位论文 电厂亚临界8 5 0 m w 机组，德国肖尔芬电厂亚临界6 8 0 m w 机组，都是能适应电网调峰 要求的机组，这些机组的变负荷速度一般可以达到( 6 7 ) m i n ，最低负荷达2 5 3 0 ，可适应变压变负荷运行以及频繁启停的要求。 ( 4 ) 燃气一蒸汽联合循环机组调峰：与同容量的火电机组相比，具有投资省、建 设周期短、用水少、占地小、热效率高、调节出力快等优点，同时兼有启停方便、适合 于带中间负荷的特点，但由于其燃料价格高而使运行成本较高。目前，世界上最大的蒸 汽燃气联合循环机组为美国休斯顿电力公司华登电厂的7 0 0m w 机组，德国近年来也 大力发展了该类机组，总装机容量己达1 1 0 0 0 m w 。 1 1 3 制约我国电网调峰的主要因素 与国外相比，我国2 0 万千瓦级大型蓄能机组还没有实现国产化；气电资源相对贫 乏，大容量燃气轮机制造技术落后。因此，在世界各国电源结构快速调整与发展的时候， 我国仍然处于结构不合理、发展水平低的状况。制约我国电网调峰的主要因素在于： ( 1 ) 我国水电的总体调峰容量十分有限。主要是因为水电站季节贫水欠发时间长， 有很多是径流式，汛期库容小，不宜弃水调峰；水电站要服从于水利枢纽工程的综合利 用，充分兼顾防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服从于防洪，因此许多 水电站将调峰压力转移给了火电机组。 ( 2 ) 电源结构不合理，火电机组所占比例过大，且供热机组多数是以热定电，调 峰能力差，2 0 0 0 年1 0 万千瓦及以下凝汽机组和小于0 6 万千瓦的小火电共计6 0 0 0 多万 千瓦容量退役，将调峰的压力进一步压向大容量火电机组。 ( 3 ) 电网结构不合理，受区域电网潮流及负荷联络线稳定极限的制约，导致电网 局部地区负荷分配不合理，造成局部“窝电”、“欠电”现象，被迫加大电网调峰的现象 普遍发生。 ( 4 ) 部分地区，如山东等经济比较发达的东部地区，受水力资源限制，基本没有 可供经济开发的水电站站址；抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件好的抽 水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能电站一般造价高( 需要引进可逆式机组) 、 建设周期长，因此抽水蓄能电站在电网中所占比例仍十分有限。 ( 5 ) 受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰。 华北电力大学硕士学位论文 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是当今世界上几乎唯以煤为主的能源 消费大国。我国电力生产中以煤为主的格局，在未来相当长的时期内不会有大的变化。 因此，我国的电网凋峰问题具有不同于国外的特点，火电机组担负电网主力调峰将是长 期的任务。随着电网容量的不断扩大，高参数大容量机组在电网中所占的比重也越来越 大，今后若干年内，电网调峰技术主要是火电机组调峰问题。 1 1 4 我国火电机组调峰现状及存在的主要问题 从我国火电机组的实际运行情况分析，可供大机组选择的调峰方式主要有4 】： 低负荷运行方式低负荷运行是一种传统的调峰方式，为了增加可调出力，机 组尽可能在允许的最低负荷下运行。最低负荷的主要限制因素在锅炉，实际可供采用的 低负荷运行调峰方式有三种，即定压运行方式、滑压运行方式和复合滑压运行方式。低 负荷调峰运行方式的能量损失主要是由于机组效率低于设计工况而引起的，其损失大小 与带低谷负荷的时间有关。 两班制运行或周末停机运行方式机组根据电网负荷嗌线的分配规律，白天正 常运行，夜间负荷低谷时停运，次日清晨再启动并网，或者周末停机、周一启动并网的 调峰运行方式。其最大优点是机组可调出力大，达1 0 0 负荷，调节负荷的效果显著： 但运行操作复杂，由于主辅机启停频繁，对设备寿命有明显影响，在启停过程中有可能 发生故障，从而不能及时带负荷。 低速旋转热备用调峰方式在机组减负荷至零后，同电网解列，锅炉燃烧维持 5 左右的负荷，并向汽轮机通入低参数蒸汽，使之在第一临界转速以下的低速状态卜j 运转。这种调峰方式是全容量范围内的调峰，由于汽轮机转子在低速热备用状态和启动 升速前温度水平较高，因而在整个启动过程中温度变化幅度和上下缸温度变化都较小， 温差较易控制，启动时间较短，事故几率较小。 我国火电机组的启停调蜂与深度非常规调峰占着相当大的比重，并且以1 2 5 m w 及 以下机组为主力启停调峰机组，不少地区的部分2 0 0 m w 机组也在进行深度调峰或启停 调峰。由于国内2 0 0 m w 及以下机组均是按常规带基本负荷运行设计的，机组本身不具 备频繁启停和深度调蜂的性能，调峰机组热力设备由于机组的频繁启停、负荷频繁变化， 其金属部件的壁温及相关工作介质的温度、压力及流速等也频繁变化，使金属部件经受 4 一 华北电力大学硕士学位论文 非常规运行叠加了的负面作用，如金属部件所经受的各种疲劳，尤其是热疲劳、应力腐 蚀、冲击、磨损等，都会增加与之有关的部件损伤，这些损伤积累起来，最后加速部件 的损坏。 强制频繁启停和深度调峰，将对机组的安全性、经济性与可靠运行带来难以弥补的 危害与损失，同时使设备的健康水平降低，从而加大了发电厂的维护与检修成本，降低 了电网安全经济运行的可靠性。 机组调峰运行的特点是机组启动频繁，负荷变化大。要求机组启动快，启停时间短， 因此调峰机组的运行条件比正常运行机组恶劣。机组在调峰运行时，机组部件和控制系 统主要会遇到以下问题： ( 一) 与机组频繁启动和负荷变化有关的问题 螺栓紧固件由于负荷的频繁变化，加速了螺栓的寿命损耗；锅炉汽包、汽轮机转予 和汽缸等大型铸件的截面变化处，各联箱管座焊缝根部、主汽门阀壳，运行中产生局部 应力集中。这些部位的名义应力可能超过材料的屈服极限，产生低周疲劳损伤，在调峰 运行中易产生裂纹。 ( 二) 与腐蚀疲劳有关的问题 于湿蒸汽的交替出现使腐蚀介质浓缩，给末级金属部件造成了更强的腐蚀环境；同 时，由于调峰运行，应力交变频繁，使应力腐蚀和腐蚀疲劳加剧，尤其是末级金属部件， 在离心应力、振动应力和残余应力的作用下，加剧了应力腐蚀。发电机护环多为奥氏体 不锈钢材料，对氯离子的腐蚀较为敏感，应力腐蚀裂纹是其主要问题，由于调峰运行所 带来的交变应力，使腐蚀疲劳加剧。 ( 三) 介质工况频繁波动引起的问题 调峰机组由于启停或升降负荷需要，工作参数相应变化，工作介质的温度、压力交 变频繁，难免造成汽中带水的现象，使汽介质会属部件遭受水的冲击和磨损，并引起部 件的振动。为确保过热蒸汽的温度而进行的降温，需要减温器频繁工作，这将使高压水 介质管路尤其是弯头承受更大的冲击磨损和振动，加之温差应力引起的热疲劳与之交互 作用，使金属部件失效加快。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 汽轮机转子热应力及疲劳寿命管理的研究现状 1 2 1 国内外火电机组热应力在线监测技术研究现状 国外从六、七十年代就对热应力作了一系列的研究与实验，并与计算机自动控制技 术结合在一起，使热应力的在线监控技术成功地进入了实用阶段。目前国外先进大机组 十分重视根据热应力状态和疲劳寿命损耗情况自动控制机组的运行，提高机组运行的经 济性。美国e p r i 早在十多年前就提出其进一步的研究方向，其中前两项就是： ( 1 ) 对机组动态特性进行在线监视； ( 2 ) 机组起停过程中的经济性能分析，调峰机组的性能监测和机组运行寿命分析。 由美国萨金伦迪公司负责人总体设计，并由美国燃料公司和瑞士苏尔寿公司提供 锅炉，由瑞士a b b 提供汽轮机发电机组的超i 临界6 0 0 m w 机组配有与自动启动程序接 _ ：_ i 的热应力控制装置，它安装在高、中压转子进汽端，由转子温度探针和一套计算回路 组成。在机组启动升速、变负荷过程中，该装置都参与控制。运行部门反映该机组的最 大优点是启动速度快，但也提出不能以应力作为控制的唯一依据，还考虑到汽缸的膨胀 是否均匀。在文献”1 中，采用格林函数法，文献f 1 4 1 中采用影响函数法，通过积分算法 来确定即时的热应力水平；在文献【1 5 】中，将汽轮机启停及交负荷运行工况视为动态寻优 问题，经过研究，对于复杂的动态寻优问题，解决的方法一般可分为两类：一种是控制 变量的参数确定法，另一种是被称为组配方法的控制变量及状态变量的参数确定法。组 配方法的核心是将变量在时域范围内离散化，用离散的多项表达式来代替微分方程，这 样一来，连续的动态寻优问题就被转化为大量的非线性参数寻优问题。 由于汽轮机转予是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效 手段，定量确定热应力需要通过理论计算来解决【1 2 1 。有些进口的机组虽然装有转子温度 探针，其实这种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内 外壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立 s l 。因而建立一个计算速度 快、计算精度高的热应力在线监测数学模型是热应力在线监测系统开发的核心问题。热 应力在线监测模型的建立，依赖于对汽轮机转子热应力的大量分析。 瑞士a b b 提供的超临界6 0 0 m w 汽轮机发电机组配有与自动启动程序接口的热应 力控制装置，它由安装在高、中压转子进汽端的转子温度探针和一套计算回路组成。在 华北电力大学硕士= 学位论文 启动升速和加负荷过程中，该装置都参与控制。运行单位使用后反映该机组运行灵活i ”】。 法国a l s t h o m 的3 3 0 m w 机组配有被称为m i c r or e c 的汽轮机本体监控系统， 该系统以微处理技术为基础。其中汽轮机的应力监控是由应力监视器( s t r e s s m o n i t o r ) 通过连续监视汽轮机的应力来控制汽轮机的最佳动态运行t ”。该类型机组 为了实现汽轮机的最佳启动和变负荷运行，定义转子的应力裕度系数k ，k 表示实际应 力与允许应力之间的裕量，即： 式中，【仃】为转子在使用温度时的许用应力，它是转子材料和温度的函数。盯为实际应 力，它是机械应力与热应力的合成应力。当k = 0 时，表示实际应力等于许用应力，即 实际应力己达到了最大允许值。通过控制机组参数匹配值，来保证汽轮机动态运行的最 佳状态。应力计算器从测取数据到算出应力裕度系数，每l o 秒执行一次。其中建立汽 轮机转子热应力计算模型时假定转子是无限长圆筒，根据实测蒸汽参数以及沿径向导热 的一维热传导方程，求出转子内、外表面的热应力，最后求裕度系数k 。 日本于1 9 7 8 年研制了汽轮机自启动系统，应用于日起停机组，实现了启动最优化 1 1 8 1 。其它如：东芝公司研制了“t o s d i c 一2 4 7 ”型直接数字式在线监控系统，可对汽轮机 的各种参数和运行物理量进行在线监控。还有日本东京电力公司、a b b 公司、德国西 门孑公司都研制了数字式在线监控系统【6 3 】。 随着机组趋于大容量、高参数方向发展，热应力在线监测系统成为d c s 的重要分 析功能。通过对机组的热应力的在线监测，经过知识库分析，自动的提出优化方案，智 能的指导机组的启停、变负荷运行。g e 等国外大公司也在对这方面进行广泛的研究。 在国内，对热应力的研究起步较晚，在八十年代，我国科研工作者十分重视在汽轮 机转子热应力和疲劳寿命在线监测方面的研究，并取得了可喜的成绩。对汽轮机转子部 件的热应力分析和建模，国内开展了大量研究。文献【1 9 1 以现场可以模拟测出的转子表面 温度为第一类边界条件，导出的汽轮机转子的温度和热应力计算公式，避免了确定放热 系数和调节级或中压缸第一级后蒸汽温度的难题，能够比较精确地确定转子的温度和热 应力，使汽轮机转子热应力的在线监测系统变得简单而精确。文献【2 0 l 建立了有中心孔的 转子热应力解析递推计算法。该方法计入了放热系数的变化，对汽温非线性变化过程采 用分段线性叠加的分析方法，能满足在线实时监测系统对速度和存储空间的双重要求。 华北电力大学硕_ ：学位论文 并应用雨流法实时监测和管理转子的寿命损耗。文献2 ”探讨了汽轮机转子温度、应力场 的数值叠加算法。该方法借助于有限元法求出实际载荷下转子温度、应力场的一组数据， 再用线性叠加规律和物性等价变换关系，叠加求得转子实际载荷下的温度、应力场。文 献【2 2 】用有限单元法的计算结果修正传统一维模型。文中推导出了热应力在线监测的数学 模型。文献 1 9 】利用a n s y s 有限元程序对反动式3 0 0 m w 汽机转子内外表面温差、应力 和应变进行有限元计算分析。通过不同的启动方式分析，确定汽轮机高、中压转子应力 危险监测面。为实现汽轮机转子热疲劳损耗和机组寿命管理奠定了理论分析基础。还有 一些新的分析方法，也应用到汽轮机转子系统的热应力分析中。如文献2 5 1 采用灰色理论， 提出灰色数学模型，用区间数代替近似点值建立灰色数学模型，得出热应力在线计算值 的灰色描述，可以更好地符合工程计算需要。文献【加】以现场可以模拟测出的转子表面温 度为第一类边界条件，导出了转子温度和热应力的分布公式，并根据公式的数学特点作 出了递推公式，为实现热应力的在线监测提出了便捷的方法。利用这种方法不仅避免了 确定放热系数和调节级或中压第一级后蒸汽温度的难题，而且解决了以往用解析公式计 算温度和热应力时需要大量历史数据因而难以实现在线监测的难题。从而能够比较精确 地确定转子的温度和热应力的分布，使热应力的在线监测系统变得简单和精确。国内学 者首先对热应力数学模型的研究从理论上作了大量工作，对影响热应力的各种因素如： 放热系数、导温率、导热率、弹性模量、线性膨胀系数等物性参数也作了细致的研究 2 6 - 2 ”。近几年随热应力研究的深入及计算机的发展，热应力在线监测已陆续在电厂试 验、完善。 浙江大学、清华大学、东南大学、西安交大、华北电力大学等院校在这方面的研究 取得重大进展，并和电厂合作开发出了一些实用的热应力在线监测系统。它使运行人员 直观地看到各种参数的连续变化趋势，迅速地得出正确地判断，及时指导运行操作，受 到运行人员的欢迎。 1 2 2 国内外火电机组寿命管理技术的研究现状 火电机组参与调峰，加速了机组关键部件金属的低周疲劳损耗。寿命管理是指以设 备安全经济运行为目标，在对设备状态进行监测、诊断和评估的基础上，优化设备运行 与维修管理的技术。 华北电力大学硕士学位论文 美国在8 0 年代中期就已采用了“设备部件寿命的三级评估法”，并制定出完整的“综 合寿命管理程序”，取得了较大的经济效益。三级评估综合管理不是单一的从技术角度 追求最大限度地延长机组寿命，而是通过对企业的发电规划、电网规划、用电规划、反 对成本等与老厂寿命评估和更新改造作经济分析和对比来获得“寿命优化”。为了提高 寿命监测的水平，在三级寿命评估的第：_ ：_ = 、三级评定中，欧美和日本采用了不同的力法。 日本和欧洲引入了非破坏性评定方法，日立公司从1 9 8 4 年开始，对高中压转子和高中 压汽门的非破坏性检测进行了研究，建立了蠕变损伤的电阻法测量方法、硬度测量方法 和疲劳的微观裂纹测定法，三菱公司建立了硬度检测蠕变损伤和复膜法检测蠕变损伤的 方法。德国广泛采用了蠕变孔洞的a 参数法来计算锅炉管道的蠕交损伤。美国则主要 研究裂纹的扩展规律和材料老化与对裂纹扩展的影响。 关于寿命管理系统，国外主要有德国材料测试研究所( m p a ) 在2 0 世纪9 0 年代末 开发的电厂部件寿命评估系统( a l i a s ) ，但该系统仅包括锅炉部件而不包括汽轮机部 件。西安热工研究院于2 0 0 2 年开发了具有国内领先水平的锅炉部件寿命管理系统，并 在淮阴电厂得到应用。 近十多年来，国内对电厂设备设施寿命管理的基本思路是实行设备寿命的两级管理 方式：( 1 ) 利用电厂m i s 的设备实时数据和历史数据，以在线数据分析为主，实施设备 寿命状态的长期、实时的监测与初级分析，定期向寿命管理工作站提供在线数据和状态 初步分析结果；( 2 ) 利用分析软件和寿命管理专家系统，对设备的在线信息和离线检验 数据进行综合分析与评估，对设备寿命状态进行状态监控和诊断，定期向电厂提供设备 管理有关的设备状态评估、寿命消耗、近期检验计划、运行维修更换决策等建议，最 终由电厂做出维修决策并实施维修。 转予材料的寿命曲线是影响剩余寿命估算的关键因素之一，但各国汽轮机转子的低 周疲劳曲线存在较大差异，其原因除了材料微量元素含量、锻冶工艺和实验标准影响外， 主要是因为疲劳曲线给定的初始裂纹尺寸不同，亦即材料的疲劳寿命失效周次有着各自 不同的涵义，致使对同一机组得到的寿命损耗有较大的差异直接影响到对机组运行安 全性正确的评价。国内在转子疲劳特性实验研究方面所作的工作还较少，西安热工院曾 于2 0 世纪8 0 年代对3 0 c r 2 m o v 转予钢进行过低周疲劳实验( 实验材料取自一根已报废 的5 0 m w 旧汽轮机转子) ；华北电力大学2 0 世纪9 0 年代未对未服役过的新转子材料 ( 3 0 c r 2 m o v 和3 0 c r l m o l v ) 进行了低周疲劳、疲劳蠕变交互作用实验，得到了这两 华北电力大学硕士学位论文 种材料在不同存活率下的低周疲劳特性曲线。 1 3 热应力的在线监测技术研究意义 随着现代科学和工业的发展，人类对电的需求量越来越大。但在绝对用电量迅速增 加的同时，由于商业和民用电力的增长使各国电网的峰谷差都有大幅度增加。我国电力 工业的发展也正经历着与发达国家相类似的历程，调峰能力不足已逐渐成为电网运行的 主要矛盾。从我国的能源资源状况及技术经济发展水平看，在今后相当长的时期内，煤 炭仍将是我国发电最主要的一次能源。 为了满足电网调峰的要求，越来越多的大型火电机组将参与两班制运行。当前运行 的火电机组，其设计调峰能力一般在5 0 6 0 ，不能满足电网调峰的需要。因此，燃煤 机组被迫启停与深度非常规调峰占相当大的比例，并且以1 2 5 m w 及以下为主力启停调 峰机组，相当一部分地区2 0 0 m w 档次机组也在进行深度调峰或启停调峰。这就意味着 许多机组要承受频繁启停和大幅度的负荷变化。由于国内2 0 0 m w 及以下机组均是按常 规带基本负荷设计的，设备本身不具备频繁启停的性能，强制频繁启停调峰将给机组安 全性、经济性与可靠性带来难以弥补的危害与损失；同时，设备健康水平的降低，加大 了发电厂的维护与检修成本，降低了电网安全经济运行的可靠性和电能质量的合格率。 机组在这样的动态过程中，汽轮机转子将承受交变应力载荷造成的疲劳损伤，而机组的 经济性会因耗汽量的增加而下降。所以很有必要研制汽轮机转子热应力在线监测系统。 汽轮机设备是火力发电厂的关键设备，而汽轮机转子是汽轮机的关键部件之一。汽 轮机转子工作于高温、高压的环境中，且在运行中高速旋转，除承受自身重量引起的交 变拉、压应力和由叶轮、叶片和转轴质量产生的离心应力外，还要承受由温度变化引起 的交变应力以及传递扭矩引起的剪切应力等的作用，其受力状态是复杂的。汽轮机转子 是机组动态运行过程中工作条件最恶劣、受力最大的部件，转子的寿命基本上反映了机 组的寿命。在启动、停机及变负荷等过渡工况下，随着蒸汽温度的变化，在高温部位的 汽缸和转子内的温度梯度将引起很大的热应力，据文献旧介绍，这种交变热应力所引起 的材料低周疲劳占转子寿命损耗的7 0 8 0 ，直接影响转子的寿命，最终引起部件 的热疲劳，甚至断裂，是造成转子设备损坏的主要原因，其破坏程度取决于交变热应力 华北电力大学硕l 学位论文 的循环次数和幅值。 汽轮机在启停及变负荷运行工况f ，由于转子表面蒸汽参数及放热系数的变化，其 内部处于非稳态温度场，将在转子内部产生较大的温度梯度，转子承受很大的热应力、 热变形。在汽轮机寿命期内频繁的启动和停机以及经常性的工况变动，转子的温度必然 相应的变化。转予温度每升高和降低一次，便形成热应力的一次波动循环，经过一定次 数的应力循环作用后，转子表面和中心孔壁便会产生裂纹，这就是热疲劳损失，一目裂 纹继续发展到临界值，转轴就会发生断裂，造成灾难性事故。 汽轮机转予的运行条件是恶劣的、复杂的，为了防止灾难性断轴事故的发生，必须 确保其安全可靠运行。对于由质量引起的离心力，我们可以通过控制转速来控制离心力 的增长，并通过转速保护装景来确保离心力不超标；对由于传递扭矩而引起的剪切应力 问题则可以通过控制功率来加以限制，现代汽轮机组一般都装设有功率限制器；而对于 汽轮机高压转子的前轴封段与前几级，在过渡工况中汽温变化最剧烈，导致这些部位的 温度梯度及热应力最大，成为整个转予的最危险部位。 在我国的大部分现役机组内，机组主要是根据运行规程加上运行人员的经验来实现 对机组启动过程的控制，而不是根据监测得出的热应力进行控制，人为作用不可避免的 对机组的启动效果产生影响。在启动汽轮机对，如果启动过程中熟应力过大，则这次启 动寿命的损耗将增大，最终将会引起累积损伤的增大，缩短转子使用寿命；如果热应力 过低，则这次启动就很可能要消耗大量的燃料和时间。因此，要使启动过程安全、经济， 就要根据其启动过程中的热应力控制升速率，而对热应力的在线监测则是解决这一问题 的根本措施。对转子进行在线热应力监测是解决大机组参与调峰并保证安全性的关键措 施。 目前，国内汽轮机组的启、停以及变负荷操作大多由现场运行人员凭经验进行，监 控的指标都是升速率、升温率、膨胀、胀差及振动等宏观量。对于暖机时机的选取、暖 机时间的长短安排均缺乏理论指导，带有很大的盲目性。要想科学地评价各次操作的优 劣即对机组寿命损耗的大小，并据此加以改进，就需要对转子内部的热应力进行监测。 在热应力在线监测的基础上，根据选定的机组优化运行策略，就可以求得理想的温升率 值。然后，结合机组的启停及机炉协调控制系统，即保证各常规指标不超限的前提f ， 指导机组运行，努力使机组运行的经济性、安全性和灵活性的综合指标趋于最优，最大 程度地发挥机组的潜力。 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作内容 本文的研究工作源于上述背景，尝试研究开发一套汽轮机转子热应力与疲劳寿命损 耗在线监测系统。在热应力在线监测的基础上，结合机组的启停及机炉协调控制系统， 即保证各常规指标不超限的前提下，指导机组运行，努力使机组运行的经济性、安全性 和灵活性的综合指标趋于最优，最大程度地发挥机组的潜力。 本课题的主要研究内容可以分为以下几部分： 1 热应力在线监测系统的热应力理论基础 众所周知，当物体受热不均时，物体就会发生热变形，而热变形受到约束时，在物 体内部就会产生热应力。当热应力超过材料承受的限度时，材料会发生塑性变形，在表 面就容易产生裂纹，严重影响材料的寿命。汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转予金 属内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组 寿命损耗的重要因素。 2 汽轮机转子热应力的离线分析 要开发热应力在线监测系统，首先必须对汽轮机转子的热应力进行离线分析，为进 一步开展热应力的在线监测奠定基础。 3 汽轮机转子热应力在线监测系统监测模型的研究 由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手 段，需要通过理论计算来解决。有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针 同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内外壁的温度，因此它 的准确计算同样依赖于数学模型的建立。汽轮机转子热应力在线监测系统监测的成功与 否，取决于在线监测模型的准确性。 汽轮机转子热应力在线监测系统，没有通用性的模型。研究汽轮机转子的热应力在 线监测系统必须结合汽轮机转子热应力的离线分析结果，确定特定分析对象的在线监测 模型。因而建立一个计算速度快、精度高的应力在线监测数学模型是应力在线监测的核 心问题。热应力监测模型的建立，依赖于对汽轮机转子热应力的大量分析。为了满足监 测的实时