（热能工程专业论文）汽轮机启动过程中安全经济优化的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 摘要 电力是中国经济的命脉，保证电网和电站运行的安全对我国可持续发展是 十分必要的。随着我国电网已进入到了以“高参数、大容量、自动化”为标志 的新阶段，电网的稳定运行对自动发电控制( 简称a g c ) 技术的发展提出了更高 的要求。a g c 是现代电网控制的一项基本和重要技术，是建立在电网调度自 动化系统与发电机组协调控制系统间闭环控制的一种先进的技术手段。实施 a g c 可获得以高质量电能为前提的电力供需实时平衡，提高电网运行的经济 性，减少调度运行人员的劳动强度。 火力发电厂实施a g c 的关键是要对主要发电设备的安全经济性和运行状 况有十分清楚地了解，并有准确和客观的定量数学模型对其状态进行评价、对 其工况变化过程进行控制。在参考了国际上几大著名汽轮机制造公司，如g e ， s i e m e n s 等，机组自启动概念模型的基础上，提出了以汽轮机安全性为约束、 经济性为目标的实施系统构架。 在上述构架中，本文在圆筒壁非稳态导热理论的基础上，首次推导出在外 壁绝热、内部介质温度变化时圆筒壁温度分布的解析模型，该模型具有求解精 度高、可以直接应用于实时分析系统的特点。论文提出了一种有限子结构计算 方法，用于解决汽缸等复杂结构的温度场解析求解问题。针对有限子结构中不 稳态温度分布，定义了反映不同形状下各段汽缸膨胀的特征值一一膨胀特征温 度，用来表征不规则物体的变形和膨胀能力，由膨胀特征温度计算各段的膨胀 量。以上提出的一些创新方法使得在线监测汽轮机各级轴向膨胀差成为可能。 在满足汽轮机安全性约束条件的前提下，对影响机组启动经济性的各种因 素进行了分析，提出了一种综合考虑燃料消耗、设备损耗、人员费用等因素的 归一化评价方法，采用该方法可以对机组在启动过程中的安全性和经济性的进 行综合评价，对国产3 0 0 m w 机组的实际启动过程优化计算和分析表明，本文 提出的方法全面考虑了汽轮机组安全性和经济性因素，可以使以自动发电控制 ( a g c ) 为目的的汽轮机自启动过程更加合理。 开发了启动综合评价系统，具有汽缸温度场和变形实时分析、汽轮机各级 轴向膨胀差实时监测、启动过程优化等功能，并成功应用于电站实际运行之中， 取得了明显的经济效益。 关键词：自启动，解析模型，有限子结构，启动优化，安全性和经济性 华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e ri sc h i n a se c o n o m i cl i f e b l o o d k e e p i n gt h eo p e r a t i o ns a f e t yo f t h eg r i da n dt h ep o w e rs t a t i o n ss m o o t h l yi se s s e n t i a lt os u p p o r ts u s t a i n a b l eg r o w t h h i g hp a r a m e t e r ，l a r g ec a p a c i t ya n da u t o m a t i z a t i o nd e m a n d sn o to n l yf o re l e c t r i c a l g r i db u ta l s of o rp o w e rg e n e r a t i n gu n i t sw i l lb e c o m eat e n d e n c yi no r d e rt oi n c r e a s e e c o n o m i c si n2 1 s tc e n t u r y t oe n s u r et h es t a b i l i t yo fe l e c t r i c a lg r i dr u n n i n gt h e a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ( a g c ) t e c h n o l o g yh a st ob ei m p r o v e d b a s e do na n a d v a n c e dm e a n sb e t w e e nt h ee l e c t r i c a lg r i da t t e m p e rs y s t e ma n dt h ei n l i n ec o n t r o l s y s t e mf o rp o w e rg e n e r a t i n gu n i t ，a g ct e c h n o l o g yt e n d st ol a u n c hi n t oo p e r a t i o n i nc h i n at ob a l a n c et h es u p p l ya n dt h en e e do fe l e c t r i cp o w e r ，t oi m p r o v ee l e c t r i c e n e r g yq u a l i t y ，t oi n c r e a s eo p e r a t i o ne c o n o m i c so fe l e c t r i c a lg r i da n dt om i n i m i z e l a b o rs t r e n g t ho fe m p l o y e e s m a i np r o b l e mt oc a r r ya g c t e c h n o l o g yi n t oe x e c u t i o ni np o w e rp l a n t si sh o w t oa s s e s su n i tc o n d i t i o no b j e c t i v e l ya n dq u a n t i t i v e l y ，e s p e c i a l l y ，h o wt oc o n t r o l o p e r a t i o np a r a m e t e r so fp o w e rp l a n tu n i tc o r r e c t l y o nt h eb a s i s o fs e l f - s t a r t u p e s s e n t i a lm o d e le s t a b l i s h e db yg e ，s i e m e n s ，e t c ，at h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko f o p t i m i z a t i o nm o d e lw i t ht h ee c o n o m i cc o n s i d e r a t i o nb a s e do nt h es a f ec o n s t r a i n to f s t e a mt u r b i n eh a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r 。 i na f o r e m e n t i o n e df r a m e w o r k ，b a s e do nh e a tt r a n s f e rd i f f e r e n t i a le g u a t i o nf o r c y l i n d e r ，o n ed i m e n s i o n a lt r a n s i e n ta n a l y t i c a ls o l u t i o na l o n gr a d i a ld i r e c t i o nw i t h r e s p e c tt ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fo u t e ra d i a b a t i cw a l la n di n n e rw a l lw i t ht h i r d t y p et e m p e r a t u r eb o u n d a r yi sa c h i e v e d ，w h i c hc a nb eu s e di no n - l i n et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h es t e a mt u r b i n ec a s i n g i no r d e rt od e m o n s t r a t et h e e x p a n s i o na b i l i t yo fi r r e g u l a rf i n i t es u b s t r u c t u r e ，an e wc h a r a c t e r i s t i cv a l u e ，c a l l e d e x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i ct e m p e r a t u r e , i sd e f i n e d a n da na p p r o p r i a t ea l g o r i t h m w h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ee x p a n s i o no fd i f f e r e n tp a r t si sa l s op r o p o s e d + o w i n g t os u c had e f i n i t i o n i ti sp o s s i b l et oe v a l u a t ee x p a n s i o nd i f f e r e n c eb e t w e e n c a s i n ga n dr o t o r a sap r e c o n d i t i o nf o rs a f e t yr e s t r i c t i o no fs t e a mt u r b i n e ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gu n i t e c o n o m i c sd u r i n gs t a r t u pa r ea n a l y z e d au n i f i e de v a l u a t i o nm o d e lc o n s i d e r i n gf u e l e x p e n s i o n ，l i f ec o n s u m p t i o no fe q u i p m e n t ，l a b o rc o s t ，e t c i sp r e s e n t e d a p p l y i n gt h e i l l a b s t r a c t m o d e lac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt os a f e t ya n de c o n o m i c so fs t e a mt u r b i n ei ns t a r t u p p r o c e s sc a nb ec a r r i e do u t c o n s i d e r i n gt h er e s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h eu n i ts t a r t u d p r o c e d u r e sf o r3 0 0 m w s t e a mt u r b i n eu n i tm a d ei nc h i n ai so p t i m i z e d u s i n gt h ea n a l y t i c a lm o d e lp r e s e n t e db yt h i sp a p e r ，a na c t u a le v a l u a t i o ns y s t e m t oa n a l y z et e m p e r a t u r ea n da x i a ld e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n s ，e x p a n s i o nd i f f e r e n c e s o fe a c ht u r b i n es t a g e s ，s t a r t u pp r o c e s so p t i m i z a t i o nw a sd e v e l o p e da n dh a sb e e n a p p l i e di no p e r a t i o nm a n a g e m e n to fas h a n d o n gp o w e rp l a n t ao b v i o u sb e n e f i t d u r i n gt h eo p t i m a ls t a r t u pp r o c e s sd i r e c t e db yt h es y s t e mh a sb e e no b s e r v e d k e y w o r d s ：s e l f - s t a r t u p ，a n a l y t i c a lm o d e l ，f i n i t e s u b s t r u c t u r e ，s t a r t u p o p t i m i z a t i o n ，s a f e t ya n de c o n o m i c s i v 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文汽轮机启动过程中安全经济 优化模型的研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 期：塑! ：兰：! ! 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。 作者签名：趣1 日 期：丝蔓：笸：! 华北电力大学博士学位论文 第一章绪论 1 1课题研究的背景和意义 中国实行改革开放以来，国民经济迅速发展，作为国民经济基础产业的电 力工业更是大幅度提高。1 9 8 8 年前全国总装机容量为1 0 2 9 0 万千瓦，截至2 0 0 5 年底，全国发电装机达到5 0 8 4 1 万千瓦，同比增长1 4 9 ，其中火电约占总容 量的7 5 6 。2 0 0 5 年全国发电量达2 4 7 4 7 亿千瓦时，同比增长1 2 8 l l j 。随着 经济的发展和人民生活水平的提高，用电结构发生了明显的变化，生活用电和 第二、三产业用电比重明显上升，导致电网峰谷差逐年增大，2 0 0 5 年城乡居 民生活用电量为2 8 3 8 亿千瓦时，同比增长1 6 1 9 ，第二、三产业用电量同比 增长分别为1 3 3 7 和1 2 9 0 【”。2 0 0 5 年北京平时用电峰谷比为1 ：0 4 5 ，最高 峰谷比达t ：0 1 2 5 。调峰能力不足成为电网运行的一个重要矛盾，为了满足电 网安全运行的要求，越来越多的大型火电机组将参与两班制运行，这就意味着 机组的频繁启停和大幅度的负荷变化。机组参与调峰，调峰速度加快，设备寿 命损耗增大，受胀差等安全因素限制；调峰速度放慢，燃料消耗增加，电网安 全性下降。机组调峰面对安全性和经济性两个重要问题。 大机组调蜂主要有低负荷运行、两班制运行和少蒸汽运行三种方式。 低负荷运行方式是在电网负荷低谷时，机组带较低负荷运行，这是传统的 调峰方式。这种调峰方式的最低负荷主要受机炉本身稳定运行最低负荷的限 制，其中低负荷下锅炉燃烧的稳定性是最重要的因素，通常为额定负荷的5 0 左右。 少蒸汽运行方式是在电网负荷低谷时带零负荷维持额定转速运行，即处于 热旋转备用状态。这种运行方式的特点是机组不与电网解列，吸收少量的电网 功率，当电网峰荷时迅速带上负荷。这种调峰方式在前苏联应用较多，国内 只在一些小型机组上尝试运行，国产大型机组尚不具各采用这种调峰方式的条 件( 2 1 。 两班制运行方式是承担这种调峰运行方式的机组，白天正常运行，夜间电 网负荷低谷时停运，次日清晨再重新启动并网。这种调峰方式的特点是机组调 峰能力大( 1 0 0 ) ，但运行操作复杂，对设备寿命有明显影响，在启停过程 第一章绪论 中有可能发生故障，从而不能及时带负荷。这种两班制调峰运行的机组，每年 一般要启停1 5 0 次以上，目前3 0 0 m w 及以下机组主要采用这种方式调峰，因 此，研究机组快速启停和对机组启停进行经济性优化显得十分重要。传统的优 化方式是事先确定转子的服役年限( 国内转子一般按3 0 年计) ，制定出寿命 管理方案 3 - 1 0 1 ，根据方案分配每次调峰的寿命损耗值来推算该次调蜂所用的时 间和温度变化率。但是，随着燃料价格的大幅度提高，燃料转子价格比变化较 大，而只是孤立的考虑一个方面，致使优化停滞于静止状态，不能适应形势的 变动，因而带有一定的局限性。所以，针对这一点，将机组调蜂过程中设备寿 命损耗计入调峰过程的经济性，进行综合优化。优化过程对燃料损耗和转子寿 命损耗采用统一的衡量标准，如将二者都转化成货币形式或将转子寿命损耗折 算成燃料损失( 标准煤) ，通过综合优化，寻找出最佳的温升率和设备损耗率。 机组的启动过程受多方面因素的影响，如应力、胀差、振动、经济效益等 等。大型机组一般带有自发电控制系统( a g c ) ，但是目前电厂自启动装置几 乎没有投入运行，原因主要有以下几个方面：一是目前的自启动装置考虑的安 全因素较少，一般只考虑应力的影响；二是启动过程中某些参数的瞬态波动可 能造成启动过程中止；三是参数采集系统工作不可靠、不稳定。 1 2 汽轮机运行全过程研究现状 1 2 1汽轮机主要部件瞬态热应力和材料损伤的研究 转子是汽轮机中最重要的部件，一般认为转子的寿命决定了汽轮机的寿 命，因此，对转子的研究比较完善。国内对转子应力的研究一般集中在以下两 个方面： 一是用数值计算法分析转子的温度分布和应力变化规律【1 1 】【1 2 l ，数值解法 中常用的主要是有限元法和有限差分法。其中有限元法是求解转子温度场和应 力场的一种非常有效的方法，转子的几何结构和所受载荷可以看作是轴对称 的，因此可将转子简化为二维对称结构处理。避免了三维模型的复杂性和计算 的困难，也同时避免了一维简化模型忽略轴向传热带来的误差。有限元法将复 杂形状的连续体离散化，用一系列的代数方程代替微分方程，并可将介质对转 子的放热系数和介质温度变化及转子的物理特性方程作为时间和温度的函数， 可以比较精确地计算出转子的温度分布和应力分布，真实的反映出某些复杂结 构部位的应力集中现象。 华北电力大学博士学位论文 二是用解析法确定转子的温度分布进而求出应力分布1 1 3 2 2 】。有限元方法虽 然具有较高的精度，但是这种方法的运算比较复杂而且速度较慢，不能满足在 线计算和监控的要求。解析法将转子的形状和边界条件进行简化，一般是将转 子视为无限长圆柱体，根据一维非稳态导热方程求出转子的温度分布，然后计 算出转子内外表面的温度和热应力。解析法可以在简化的条件下，对研究对象 进行准确的温度和应力计算，这种方法具有运算速度快，通用性好的优点，计 算结果可以满足工程上的精度要求，能满足在线监测的应用。 汽缸作为汽轮机通流部分的密封容器，它的应力及其变形同样制约着机组 启动速度和安全。汽缸的结构比较复杂，温度场和应力场的计算目前的研究大 多数是用数值解法【2 3 】【2 w 。汽轮机内外缸之间的环形空间有低压蒸汽通过，在 机组启停过程中，在内缸外壁间有强烈的换热过程，高压内缸内外壁间存在较 大的温差。汽轮机汽缸法兰厚度比缸壁大的多，一般是缸壁的3 4 倍，因此， 机组启停时在法兰处产生更大的热应力。法兰的存在使汽缸水平方向的刚度比 垂直方向的刚度大的多，垂直方向因刚度小而容易变形，故法兰的水平变形影 响汽缸横截面的变形。当法兰内壁温度高于外壁温度时，法兰水平方向两端向 外弯曲，中间向内弯曲。因汽缸垂直方向的刚度小，在法兰变形力的作用下， 汽缸两端被水平拉大，呈横椭圆形，中间部分则里一竖椭圆形。如果汽缸变 形过大，就会引起转子径向部分与汽缸发生碰磨，危及机组的安全。 1 2 2 汽轮机组启动工况发电煤耗的研究 汽轮发电机组在额定工况下运行，效率最高，经济性最好，发电煤耗最低。 运行工况偏离了设计工况，特别是在机组启停过程中，汽轮机效率降低，损失 增大。在非额定工况下，蒸汽温度降低时，热耗率增大，汽轮机的热耗率【2 8 】 变化可由式1 1 确定。 虬q 盖一揣( t 1 一针r - o o 阻， l 丁，一疋 一t 沙r l 、 汽轮机启动时，高压缸效率低，缸内蒸汽泄漏，估计增加( 3 8 ) g k w h ： 汽机背压偏高，尤其是采用循环方式供水冷却系统的电厂，约增加( 6 9 ) g k w h ；锅炉过热器、再热器减温水量过大：调峰过程负荷率低，火电机组调 峰煤耗增加3 0 4 9 9 k w h 。 第一章绪论 影响电厂标准煤耗率的因素很多，例如锅炉效率、锅炉排烟温度锅炉给水 温度、锅炉排污率、电厂汽水损耗率、凝汽器真空度、换热器端差等，世界煤 炭消耗量逐年上升【2 9 3 引，在电厂运行中，提高锅炉效率对降低标准煤耗是最重 要的，文献 3 3 1 探讨了大型燃煤机组降低供电煤耗的技术。文献 3 4 】开发了“多 机组火力发电厂供电煤耗计算及管理系统”，通过该系统可以计算出实际运行 工况下供电煤耗值。 1 ，2 3 汽轮机变工况下轴系稳定的研究 汽轮机转子与静子、汽缸的间隙很小，随着运行工况的恶化，碰磨事故发 生的几率增大。碰磨通常为其它故障的间接结果，它可能是由转子不对中、流 体扰动、轴承间隙不当等原因引起，更多的是由热膨胀引起。最常见的碰磨往 往发生在转子与静子封套之间，很少但更危险的是发生在转子和静子之间的碰 磨。碰磨发生时，一般是先部分摩擦，随着摩擦的加剧，将导致全周摩擦，剧 烈的振动将使转子无法正常运转，甚至产生机组的严重破坏。 1 3 汽轮机启动过程经济性优化的研究 目前电网中的调峰机组频繁启停，负荷变动次数日趋频繁，寻找交工况下 安全性和经济性综合指标最优的研究，对合理利用设备的寿命损耗、减少燃料 消耗具有重要的实际意义。寻优的研究大多是对负荷进行优化，即在保证设备 的使用寿命和安全的条件下，控制温升率，使机组的高中压转子的关键部位的 热应力始终保持在i 临界值附近，在轴向胀差、振动、上下缸温差、低温脆性转 变温度( f a t t ) 等约束条件下，缩短机组的启动、带负荷的时问，减小损失。 根据转子使用寿命求出最大允许热应力和最佳温度、压力变化率，在不考 虑燃料影响因素的情况下确定最佳启动工况，缩短了冷态启动时间。滑压运行 方式的采用，使机组快速增、减负荷的能力提高，在低负荷时有较好的经济性， 并使热应力保持在较低的水平【3 6 1 1 3 7 1 。 一般认为汽轮机启动时要求5 0 c 正温度匹配，使启动升温过程中转子表 面出现的热应力是压应力而不是拉应力，这是因为启动过程中转子表面保持压 应力，有利于保证转子的安全。蒸汽通过主汽阀、调节汽阀、导汽管等部件时 被冷却，而且蒸汽通过阀门时的节流作用，汽温也有所下降，因此为了保证 5 0 c 的正温度匹配，则进汽温度要比汽缸内壁温度高出1 0 0 1 3 0 。c 。汽轮机 4 华北电力大学博士学位论文 在温态、热态启动前，不得不在锅炉点火后等待很长时间，增加了启动消耗。 文献【2 1 论证了小幅度负温度匹配启动的安全性和可行性，认为小幅度负温度匹 配对转子最大热应力影响不大，能缩短启动时间。但过大幅度( 6 0 以上) 的 负温度匹配造成的冷冲击可能影响机组的寿命，或导致出现过大的负胀差，以 及可能导致过热度不足等现象。 影响火电机组两班制调峰的经济性因素一般归纳到设备、燃料和人力等方 面，并把各项损失都归结为货币形式。启动所需要的燃料、化学制品和辅助动 力费用损失用模型b 。一y k 。t 表示，k 。表示第i 阶段的燃料、化学制品和辅 助动力费用；调峰导致扰组主要部件寿命损耗用模型疋；y 只，叩。表示；调峰 的人力资源费用损失用模型o 。一( c ，+ c ：) k 表示，其中d 。表示调峰的人力资 源费用，c ，表示由调峰引起的研究、管理和运行费用，c ，表示由于操作上难 度增加而带来的误操作风险费用，k 表示每年调峰的次数。然后用折算费用c 。 来表示调峰的经济性，c 。tk ，( b e + ，c + d 。) ，最后优化的目标函数为 c e 毫m i n k 1 ( b c + ，0 + d c ) 。 1 4 基于全过程最优条件下机组的协调控制研究 火电单元机组是一个复杂的被控对象，锅炉和汽轮机本身都有各自的调节 系统，协调控制是把锅炉与汽轮机作为一个单元机组整体进行控制，一方面将 部分锅炉蓄热量用于汽轮机迅速作出功率响应，另一方面又同时改变锅炉的出 力，这样综合地适应发电机功率输出：同时又以功率偏差信号和主蒸汽压力偏 差信号都送入锅炉调节系统来控制燃烧，迅速改变锅炉热负荷，使机组实发功 率与给定功率趋于一致，并使主蒸汽压力波动不大。 协调控制有汽轮机跟随方式与锅炉跟随方式，正常运行时一般采用锅炉跟 随方式，由汽轮机负荷决定锅炉负荷以及燃烧方式。启动过程中最后采用汽轮 机跟随方式，锅炉根据汽轮机的优化启动曲线来调整燃烧，控制蒸汽参数，以 减少不必要的损失。 1 5 本文主要的工作内容和创新点 本文在综合已有的研究成果和分析机组设备及运行的基础上，首次将机组 的振动、胀差、汽缸变形与机组启动过程的优化结合起来，进行了轴向胀差、 5 第一章绪论 寿命管理、优化启动理论研究，开发了汽轮机冷、热态启动的离线优化计算程 序，并根据电厂实际运行情况，对3 0 0 m w 机组的实际启动过程进行了详细的 计算和分析，对参与调峰的大容量机组的启动过程提出了修改。本文在研究过 程中，主要完成了以下几方面的工作： 1 首次利用圆筒壁非稳态导热理论推导出汽缸壁温度分布的解析解，提 出有限子结构变形的计算方法。根据提出的膨胀表征温度，计算汽缸轴向膨胀 量。研制了一套汽轮机组轴向胀差胀差实时监测系统，可用于实时在线分折汽 缸的温度分布、热应力及各级轴向胀差。 2 对影响汽轮机启动损耗的经济性、安全性主要因素的动态过程进行了 分析。从经济性上分析了燃料、辅助损耗以及转子寿命损耗对启动过程的影响， 改变了以往转子寿命损耗以保证使用年限的传统思想，提出在保证机组安全的 情况下，为了获得最大的经济效益，可以增大转子的寿命损耗，即缩短转子的 使用年限。 3 本文建立了汽轮机启动过程安全性分析、经济性分析和优化分析三部 分的数学模型。安全性分析的数学模型以汽轮机转子在汽温非线形变化条件下 温度分布以及热应力解析解为基础，分析了转子热应力分布状况以及转子疲劳 寿命损耗的情况。优化模型的建立，利用最优化理论，提出了单位功率综合评 价指标，解决了汽轮发电机组启动过程优劣纵向比较的问题，并在优化模型中， 利用各级轴向胀差的计算方法首次在优化的目标函数中应用了胀差的约束条 件及首次考虑补偿因素。 4 本文在建立综合分析数学模型的基础上，开发了对大型汽轮机组调峰 运行分析和优化软件，该软件采用可视化编制，具有易用性、开放性和通用性。 晟后利用软件以国产3 0 0 m w 机组为实例进行了分析，得出了机组最优化启动 曲线，对机组的调蜂运行以及发电企业竞争上网具有参考价值。 华北电力大学博士学位论文 第二章影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析 2 1引言 安全与经济运行是发电企业的主要任务，在安全运行的前提下，提高运行 的经济性成为发电企业的首要目标。早在二十世纪七十年代，美国、加拿大就 开始了对影响汽轮机安全性和经济性因素进行研究，其哥的是通过对电厂运行 进行连续监测来了解影响电厂运行经济性的各种因素，并对这些因素进行分析 和控制，达到提高电厂运行经济性的目的。随后英国、德国、日本、瑞士等西 方国家也进行了相应的研究和试验，发展至今，这些发达国家的电厂都应用了 性能可靠的在线监测系统【3 8 【3 9 l ，可以在线监测几乎所有的性能参数，为提高 电厂的安全经济运行提供了有效依据。国内的研究机构和企业也进行了这方面 的研究和探索，如清华大学研究的大型电站性能分析与诊断系统，华北电力大 学、东北电力学院在电厂热力系统性能分析与经济运行方面做了大量的研究， 应用能量平衡法、等效焓降法、热耗变换系数法等对机组的热力系统进行分析 计算，并根据分析计算的结果来指导机组的经济运行，取得了较好的效果。 2 2影响汽轮机安全性主要因素的动态过程分析 2 2 ，1汽轮机暂态工况下主要部件的材料疲劳损伤分析 大容量火电机组参与调峰运行，由于频繁启动以及大范围负荷变动，机组 要经常承受大幅度的温度变化，从而使转子、汽缸等厚壁部件产生交变热应力， 这必导致机组部件的低周疲劳损伤，造成机组部件材料的消耗激增。对于汽缸， 由于机组的高压缸甚至中压缸普遍采用了双层缸设计，汽缸热应力水平已显著 下降，而转子的直径随机组容量的增大而增大，热应力水平也随之提高，汽轮 机转子成为工作条件最艰苦、受力情况最复杂的部件。因此，转子的寿命是决 定整台机组寿命的关键因素。 在启动过程中，转子表面温度高，内部温度低，转子表面承受压应力，内 表面承受拉应力：停机过程中，转子表面温度低于内表面温度，转子表面承受 拉应力，内表面承受压应力。在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环， 在金属表面就会出现疲劳裂纹并逐渐扩展，甚至断裂。同理，在机组负荷变动 7 第二章影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析 较大时，也出现相同的情况。影响转子寿命的因素主要有疲劳、蠕变等造成的 损伤，在启动过程中，疲劳损伤比重较大，所以转子启动寿命计算以疲劳寿命 为准。根据材料的疲劳特性曲线，可以算出不同温升率及温升量下转子低周疲 劳寿命损耗百分比，绘出疲劳寿命损耗曲线，以后根据转子钢低周疲劳特性试 验数据和断裂力学理论不断进行修正，在工程寿命评估中得到广泛的应用 【4 0 - 4 7 l 。 文献【4 8 】对汽轮机转子动态热应力进行求解。转子动态热应力控制方程为： 姿粤+ ! 堕盟三里掣 ( 2 1 ) a r 。，o r a a f 初始条件：t ( r ，o ) = t 。 边界斛【掣l 。抛小m 】 进行拉普拉斯变换，求得转子非稳态温度场 r ( r ，s ) 一l ( s ) i o ( b o + 卫 根据温度场，求得转子外表面的动态热应力 訾一k i g l 2 2 2汽轮机在启停工况下轴系振动分析 汽轮机转子是最主要的部件，系统发生故障的重要特征是机组伴有异常的 振动和噪声，其振动信号从幅值域、频率域和时间域实时地反映出机组故障信 息。汽轮机在启停过程中发生振动故障大致可分为：转子弯曲、油膜涡动和油 膜振荡、转子和静子部件摩擦、汽流激振、转子具有裂纹等。 汽轮机在停机期间如果操作不当、盘车不及时，造成转子弯曲，机组启动 时就会产生振动增大的现象，转子弯曲的振动机理和转子质量偏心的振动机理 一样，转子的轴心运动轨迹为椭圆，振动的时域波形为正弦曲线，频谱中能量 集中在基频及其谐波成分，振幅随转速的增加而变化，振动的强烈程度对工作 转速的变化很敏感。 油膜涡动和油膜振荡是由滑动轴承油膜力学特性引起的自激振动。油膜振 华北电力大学博士学位论文 荡的特点主要表现为自激振动只有当角频率高于第一阶临界角频率时才有可 能发生。大多数情况下，自激振动的频率大致等于转子的固有频率，自激振动 不是共振现象，在多数情况下，它在转速的大范围内随时可能出现，而且往往 不能确定这范围的上限。自激振动是正向涡动，与转子的转动方向相同，当自 激振动已发生后，如果降低转速，则它可以保持到低于升速时开始发生振动的 转速。 在瓤缝瘀凄过程中菠者受褥交建跑较大潜，辩采溢疫缓变纯较大，辊缓主 要部件产嫩大的热应力，导致热变形，转予和气缸的热膨胀举均，转予积静子 之瓣熬潮数漠失发生撩察，搬溯怠裁壤大，这耱魏蒙黠援缝豹撰害壤大。 转子产嫩裂纹最重露的原因是高周疲劳、低周疲劳、蠕燮和应力腐蚀开裂， 而大的扭转和径向载荷，加上麓杂的转予运动，遗成了机械威力状态恶劣，最 终魄褥导致转子袭绞酌产耋。麓绞转子静翻态警穗会遥裂爱笈无常麓变继，这 是由予裂纹转子的非线形特髋。裂纹故障酌特征袭现为各阶峪界转逮较正常时 要夺，茏冀褒裂绞严鬟瓣。塞予袈绞造残鬻度交纯嚣不对称，转予熬共振转速 扩展为个隰。转速超过临界转速后，一般各高阶谐波振幅技未超过时小，恒 定转速下，静阶谐波幅德及其相位不稳定。 随着汽簸撬单祝容爨的不酝增燕，蒸汽穰参数( 压力、滠度) 不辑提高， 高参数机缀的汽流激攮1 4 9 】逐步成为影响枞缀安全靛和经济髅的难题。动时顶隙 激激力懿产黧：一是整予转予位移傻动跨矮部阉辍溺淘交琵，簸瑟滚滚溺蠢淑 损失发生变化，造成蒸汽作功的转矩沿圆周不平衡造成激振力；= 魑由于转子 位移使汽封腚室静压力周向变化而产生激搌力。转予密封系统流体激振力【划 是奁二+ 氇鳃，卡年代零耆+ 凌s c h a r r e r 建交鞍系统帮全瑟熬糕谂，瀵缮大擎教 授陈往一1 5 q 在计算汽封闽隙激振和利用参数多磺式法计算用于枫缀全部汽封 夔溅铬稳定瞧分援，势廉灞予汽轮援缝懿毒囊系稳定瞧诊疑。一羧试为，汽羹流 体激振力怒嘲于转子在密封腔巾偏置时，密封周向存在不均匀压力分布所引起 的。由于密封腔中的汽流肖旋转，使周向愿力分布的变化与转予和密封腔之间 静瓣漱变识不完全对嶷，最藏毽力熹涝嚣寮封整绶夺阂豫一定楚凌，这嚣，溅 体律用在转予上的力可分解成个与偏爱方向桐骧直的切向力，改切向力将激 獭转予产生溺动，当激磁力达瓣或超过一怒蓬瓣，魏会使转予产童强熬瓣振魂。 9 第二章影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析 2 2 3汽轮机通流部分胀差分析 汽轮机在启动、停机或负荷变化的不稳定工况下运行对，由于各部件结构 和所处条件不同，蒸汽对各部件的传热情况也不一样，因此各个零部件中以及 它们相互之间必然形成较大的温差。这除了导致各零部件产生较大热应力外， 同时会引起不协调的热膨胀和热变形。 转子和汽缸的膨胀主要决定于汽缸和转子的质面比。所谓质面比，就是转 子或汽缸质量与被加热面积之比，通常以m a 表示。转子与汽缸的质量、表 面积、结构各不相同，故它们的质面比也不同。转子质量轻，表面积大，即质 面比小，而汽缸质量大、表面积小，故质面比大。因此，在启动、停机或负荷 变动时，转子温度升高( 或降低) 的速度比汽缸快，也就是说，在启动加热过程 中转子的热膨胀值大于汽缸的热膨胀值，在停机冷却过程中转予的收缩值也大 于汽缸的收缩值，转予与汽缸就不可避免的会出现胀差。正确的汽轮机设计应 该是汽缸和转子的质面比近似相等，这样就可以保证转子和汽缸能以相同的速 度随汽温膨胀，胀差最小。但随着汽轮机采用高参数，转子与汽缸的重量相差 愈来愈大，故质面比也相差越大，这样就不可避免的出现胀差。 若汽轮机在启动过程中，操作不当，在机组并网以前转子比汽缸膨胀量大 的多，可能会造成胀差超限，影响机组安全，这是因为在机组空转时，汽轮机 进汽很小，而且由于这时各压力级效率低，蒸汽进入这些级内几乎没有做功， 而转子摩擦鼓风所消耗的功又变成热量被蒸汽吸收，而蒸汽量小，故蒸汽的温 升量大，所有通流部分流动的蒸汽是处在过热状态。过热蒸汽的放热系数比饱 和蒸汽的放热系数小的多，因此，它传给汽缸的热量就少的多，而转子高速旋 转，汽流对其的冲刷速度要比汽缸大的多，相互之间的传热也大，这样促使转 子温度上升，以致胀差变大。在启动操作中，应尽量缩短低速暖机和升速时间， 这一段时间越长，则胀差越大。 胀差的大小，可以表明汽轮机动静部分间隙变化的情况。在汽轮机启停和 负荷变化过程中，为了避免出现过大的胀差和热应力，应当合理控制蒸汽的温 升率和负荷变化速度，合理的使用汽缸和法兰螺栓加热装置，以及利用轴封供 汽控制胀差。在分析胀差时，应当考虑下列因素对它的影响。 1 轴封供汽温度和供汽时间的影响 在汽轮机冲转前轴封供汽时，由于冷态启动时轴封供汽温度( 约1 4 0 。c 1 0 华北电力大学博士学位论文 1 8 0 。c ) 高于转子温度，转子局部受热而膨胀，而机组启动前抽真空，对汽缸 的膨胀影响很小，此时胀差变化量反映了转子轴封段受热膨胀的伸长量，可能 会出现轴封摩擦现象。在热态启动时，为防止轴封供汽后胀差出现负值，轴封 供汽应选用高温热源，一般供汽温度为1 8 04 c 1 9 0 c ，并且一定要先向轴封 供汽，后抽真空。应尽量缩短冲转前轴封供汽时间。 2 真空的影响 在升速暖机过程中，真空变化会引起胀差值的改变。当真空降低时，为了 保持机组转速不变，必须增加进汽量，摩擦鼓风损失增大，因而高压转子受热 加大，其胀差值随之增加。当真空提高时，则相反，使高压转子胀差减小。但 真空高低对中、低压缸通流部分的胀差影响与对高压转子胀差的影响相反。因 此，在升速、暖机过程中，不采用提高真空的办法来减小中低压通流部分的胀 差。 3 进汽参数的影响 汽轮机进汽如果采用节流调节方式，从盘车状态升速至3 0 0 0r m i n 所需要 的进汽量较小，与汽轮机转子、汽缸等部件的热交换较微弱。在并网以后，汽 轮机进汽量增大，胀差变化明显。汽缸膨胀受高压缸运行工况变化的影响明显， 当高压缸迸汽温度和金属温度下降，使高压转子和汽缸收缩，高压缸收缩时拉 动前轴承箱向发电机端移动，影响胀差向伸长方向变化。因此，控制好升降负 荷的速度和高压缸进汽温度变化的速度，是使机组均匀受热和防止胀差超限的 关键。 低压缸进汽参数的变化对胀差同样存在影响。在机组并网升负荷时，随着 二级再热器的投入，进入低压缸的蒸汽温度随之开始匀速上升，低压转子因低 压缸进汽温度的上升和进汽量的加大，逐渐被加热伸长，汽轮机转子的相对胀 差向伸长方向增加。在机组降负荷过程中，因低压缸进汽量减少，这使低压缸 进汽温度和金属温度上升，维持低压转子在伸长状态，这是转子相对胀差在降 负荷阶段呈伸长趋势的一个重要原因。 4 汽缸法兰螺栓加热的影响 汽缸法兰的厚度要比汽缸壁的厚度大的多，水平法兰在升速过程中温度比 汽缸要低，它阻碍汽缸的膨胀，引起胀差的增加，因此采用合适的法兰加热系 统，使法兰温度随汽流温度上升，可使胀差减小。 第二章影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析 5 转速的影响 汽轮机转子转动时，叶片和叶轮产生的离心力作用于大轴上，对大轴产生 径向拉力。由于转子材料的泊松效应的影响，转子在受径向拉力变粗的同时轴 向的长度要缩短，这种轴向变形与转速的平方成正比，与洎松效应参数k 值成 正比。因此，升速时转子要缩短，降速时转子要伸长。由于低压缸转子的泊松 效应参数k 值较大，因而受泊松效应影响明显。 6 其它因素的影响 轴承油温对转子轴颈局部受热情况有影响，当轴承润滑油温发生变化时， 会影响转子的热膨胀，对胀差略有影响，通常油温变化很大时，胀差变化才会 反映出来。 轴向推力对胀差的影响。轴向位移与相对胀差均能反映动静轴向间隙的变 化，前者反映轴向推力对轴向间隙的影响，而后者反映转子汽缸热膨胀差值引 起的轴向间隙的变化。当轴向位移变化时，胀差必然改变。 在运行中，必须加强对汽缸绝对膨胀的监视，防止左右侧膨胀不均以及卡 塞造成的动静部分摩擦事故。 2 3 影响汽轮机发电煤耗主要因素的分析 经济性是各发电企业所追求的主要目标，目前随着能源的短缺、市场竞争 激烈化，经济性更是成为研究的焦点，人们努力寻找降低发电煤耗的途径。影 响汽轮机发电煤耗的因素主要有环境温度、运行工况、负荷调配方式等等。 1 环境温度的影响 总的来看，冬季机组的发电煤耗比夏季的发电煤耗要低，这主要是因为冬 季的环境温度较低，凝汽器真空高，蒸汽作功大，冷却塔散热效率高，循环水 泵消耗的功率可以降低。 湿冷机组和空冷机组相比较，夏季湿冷机组比空冷机组的发电煤耗偏低， 主要原因是夏季湿冷机组汽轮机热耗率要比空冷机组低的多；冬季湿冷机组与 空冷机组煤耗相差不大。湿冷机组发电煤耗受环境温度的影响不大，而空冷机 组发电煤耗受环境温度的影响较大。 2 运行工况的影响 华北电力大学博士学位论文 机组在设计工况下运行效率最高，煤耗最小：负荷偏离额定值越大，各项 参数偏离设计值越大，机组运行效率越低，发电煤耗就越大。表2 1 列出了某 电厂机组主要运行参数对发电煤耗的影响。 表2 1 机组主要运行参数对发电煤耗的影响数据 3 负荷调配方式的影响 在全厂总负荷一定的条件下，由于各台机组发电煤耗与负荷的关系曲线不 同使得不同的负荷调配方式下，全厂平均发电煤耗不同，所有应分析研究负荷 调配方式对全厂经济性的影响。 单台机组所带的负荷越大，运行的机组台数就越少，全厂平均发电煤耗越 小。所有从经济角度出发，在总负荷一定的条件下，应尽量减少机组运行台数 以提高单机负荷。 4 燃煤质量的影响 近年来，燃煤质量普遍下降，供应紧张地区的煤质下降达3 0 0 5 0 0 大卡， 煤质差，锅炉燃烧不稳定，不但增加了煤耗，加大了发电成本，同时还造成设 备受损，给安全生产带来了极大隐患，维护检修成本大幅上升。 第二章影响汽轮机安全性及经济性主要因素的分析 2 4小结 本章对影响汽轮机启动安全性和经济性的动态因素进行了分析： 影响汽轮机组启动安全的因素有材料的疲劳损耗，轴系的振动，机组的胀 差。启动过程材料的表面温差大，特别是调峰机组，热应力交变频率大，造成 机组部件材料的消耗激增。随着机组容量的增加，转子热应力大幅提高，转子 寿命成为决定机组寿命的关键因素。轴系振动是决定机组启动快慢的另一个重 要因素，本章分析了振动的机理以及振动产生的原因。由于汽缸和转子的质面 比不一样，在启动加热过程中转子的热膨胀值大于汽缸的热膨胀值，在停机冷 却