（热能工程专业论文）300mw机组中压缸启动热应力计算与启动优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文对中压缸启动方式的操作特点和优点进行了阐述。在分析东方汽 轮机厂3 0 0 m w 合缸机组结构特点的基础上，建立了转予温度场和应力场的 有限元计算模型。参照机组运行规程，并结合现场记录的实际运行数据， 拟定了该机组的冷态中压缸启动方案，对计算模型进行了边界蒸汽参数和 对流换热系数的分析计算。应用大型结构有限元分析软件a n s y s 进行了转 子启动温度场和应力场的计算与分析，从应力和寿命的角度，对启动方案 进行了评价和优化。 关键词：汽轮机，中压缸启动，热应力，有限元计算，优化 a b s t r a c t t h i sp a p e re x p a t i a t e dt h eo p e r a t i n gf e a t u r ea n dt h ea d v a n t a g eo fi p c y l i n d e rs t a r - u po fs t e a mt u r b i n e b ya n a l y z e dc o n s t r u c t i o nf e a t u r eo f3 0 0 m w i n t e g r a t i v ec a s i n gt u r b i n ew h i c ht h ed o n g f a n gs t e a mt u r b i n ew o r k sp r o d u c e s ， t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s sf i e l df i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o nm o d e l b a s e do nt h et u r b i n eo p e r a t i n gr u l e sa n dt h e a c t u a lr u n n i n gd a t ar e c o r d e do ns i t e ，ap l a no ft h eu n i tc o o l i n gs t a r t - u pb y i m e r m e d i a t ep r e s s u r e c y l i n d e r w a sd r a w nu p ，i nt h e p a p e r ，t h e s t e a m p a r a m e t e ra n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fm o d e lw e r ec a l c u l a t e d b yu s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h et e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do f r o t o ro ft u r b i n ew a sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y , c o n s i d e r i n ga s p e c to f t h et h e r m a ls t r e s sa n dl i f e ，t h es t a r t - u pp l a nw a sa p p r a i s e da n do p t i m i z e d 。 y u a nl i j u 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 d i n gc h a n g f u ，t i a ns o n g f e n g k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，i n t e r m e d i a t ep r e s s u r ec y l i n d e rs t a r t u p ， t h e r m a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ，o p t i m i z e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( 3 0 0 m w 机组中压缸启动热应 力计算与启动优化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。掘本人所知，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已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： 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1 日期：型：! ! ：塑 日期：竺：竺：上矿 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章 引言 随着国民经济的发展和社会用电结构的变化，电网装机容量不断扩大，电网峰 谷差的矛盾日益突出，越来越多的大容量机组已经开始参与调峰运行。为了使大型 火电机组能够适应快速启停与大幅度负荷变动，早在十多年前欧洲等发达国家就已 广泛采用了中压缸启动方式。这种方式与传统的高中压缸联合启动相比，具有启动 时间短、耗油少、汽轮机零部件受热均匀、寿命消耗小以及对空负荷、低负荷和带 厂用电等特殊运行方式的适应性强等一系列优点，因此很适合用于频繁启动及电网 调峰。基于这些优点，这一启动方式在我国逐渐采用并推广中压缸启动过程的优 化研究就是在确保机组安全的前提下，实现快速启动、并网、带负荷。因此，在电 力紧张，燃油紧缺，电网负荷峰谷差日益突出的今天，这一课题的研究具有重要的 经济意义。 1 2 当前的研究发展状况 1 2 1 中压缸启动简介 中压缸( i p ) 启动，就是具有一次中间再热的大容量超高压及以上参数的汽轮 机组启动时，高压调速汽门关闭，高压缸不进汽，由中压缸进汽冲转，直到机组带 一定负荷( 或达到一定转速) 后，再切换到常规高中压缸联合启动进汽方式继续接 带负荷，最后直到机组满负荷运行。 中压缸启动简要过程如下：冲转前，低温蒸汽通过高压旁路、倒暖阀进入高压 缸，对高压缸预暖。预暖至高压内缸温度达到要求值( 约1 5 0 ) 时，逐渐开启中 压调节阀进行冲转，中压调节阀打开的同时，关闭倒暖阀，开启通风阀联至凝汽器 通风系统。在升速过程中分别进行中速和高速暖机，并网后进一步开大中压调节汽 阀带负荷，同时逐渐关闭低压旁路。低压旁路全关后，进行高、中压缸切换，即开 启高压调节阀使蒸汽流过高压缸，高压排汽逆止门自动打开，同时关闭通风阀。切 缸结束后逐渐关闭高压旁路阀。 1 2 2 中压缸启动的优越性 1 2 2 1 高中压缸联合启动存在的问题 国产3 0 0 m w 中间再热汽轮机组，一般均采用高中压缸联合( h i p ) 启动方式。这 种传统的启动方式，由于高中压缸同时进汽，又因为中低压缸直接连通，所以低压 兰垄皇垄盔兰堡主堂垡丝壅 一 缸也同时进汽。这样，蒸汽就在高、中，低压三个缸内同时做功，为维持一定的转 速或负荷所需要的蒸汽流量就较小。由于蒸汽流量小，造成：转子往往不能得到 有效的加热，转子的温度不能很快加热到转子的脆性转变温度以上，延长了中高速 暖机时间，影响启动速度高、中压缸不易得到有效的加热，高、中压缸的胀差 过大。尤其是中压缸，由于再热蒸汽温度低，它的加热速度更为缓慢，膨胀得不到 正常释放，使胀差超限，且不易控制。为等待胀差恢复，使启动时间延长。机组 在小流量下运行，摩擦鼓风损失较多，而小流量的蒸汽所能带走的热量却较小，在 某些特殊的工况下，由于等待时间过长，高、低压缸的排汽温度都有可能升得过高。 i 2 2 2 中压缸启动的优缺点分析 采用中压缸o p ) 启动，由于高压缸不进汽，中、低压缸通过的蒸汽流量大，再 热器的压力就可以提高，从而可以通过提高锅炉的蒸发量来加快再热汽温的提升速 度，使中压转子快速越过脆性转变温度，并使中压缸温升加快，减小了胀差。同时 通过倒暖，使高压缸在进汽前转子温度已越过脆性转变温度，高压缸也可以得到均 匀的预热，在高压缸进汽以前已经胀出，不存在高压缸膨胀不畅的问题。中压缸启 动增大了中、低压缸的流量，避免了低压末级排汽的超温，通过调整高压缸内的压 力和倒流的流量，也可以避免高排的超温。这个特点使得中压缸启动的机组可以较 长时间低负荷、空负荷运行，给调峰接带负荷提供了相当大的灵活性。另外，在高 中压联合启动过程中，调节级处受到热冲击较大，为减小热冲击，往往延长启动时 间。对中压缸启动而言，直到缸切换之前，高压缸处于被隔离状态，不但无热冲击， 而且进行了充分足够的预热，并且预热温度处于受控状态。在缸切换时，高压缸因 要满足所承担负荷的需要，进汽量比联合启动最初时的进汽量要大( 因已带上一定 负荷而非最初冲转) ，能满足汽缸在预热基础上均匀加热的需要，故中压缸启动时 高压缸无大的热冲击，机组寿命损耗小 关于缩短启动时间，据参考文献 2 7 】的数据资料表明，第一，采用高中压缸联 合启动方式由于汽缸膨胀不畅引起的胀差超限，使得从冲转至带初始负荷阶段的暖 机时间长达1 5 0 分钟以上，而采用中压缸启动方式这一过程只需约9 0 分钟的暖机 时间；第二，高中压缸联合启动的升负荷率一般规定为i m w m i n ，升负荷需要约 3 0 0 分钟的时间，而中压缸启动由于汽轮机部件加热充分，热应力小，升负荷般 规定为1 2m w m i n ，升负荷约需2 5 0 分钟即可；另外，中压缸启动对冲转参数要 求相对较宽，也缩短了锅炉调整启动蒸汽参数的时间。 当然，中压缸启动也有其特殊问题：第一，采用中压缸启动，切换负荷越高， 对中压缸的加热和膨胀就越快，就越能发挥中压缸启动的优点，但由于高压缸被隔 离，转子轴系的推力就会较大，并随进汽量的增加而增大，这就限制了高压缸被隔 离的最大负荷。第二，应用中压缸启动方法要求中联门具有调节功能，能调节机组 华北电力大学硕士学位论文 升降速及在一定的范围内增减负荷，然而，大尺寸的中联门却较难控制蒸汽流量。 第三，为了使机组实现中压缸启动，必须在热力系统中增加高压缸至凝汽器的通风 系统，以排出因高压缸阎缸而产生的鼓风热，再就是必须设置旁路系统，因而增加 了初始或者改造投资 1 2 3 温度场和应力场的计算方法 汽轮机的启动速度受机组寿命损耗的直接制约，汽轮机寿命取决于其危险部件 的寿命。一般来讲，汽轮机转子作为汽轮机的一个关键部件，其材料性能、几何形 状和运行工况都对汽轮机的正常运行影响很大。汽轮机转子的工作环境较恶劣，热 应力变化大，运行温度高，又加上转动惯量大，结构上应力集中部位多，因此转子 是整个机组中最危险的部件，它的寿命基本代表了整台汽轮机组的寿命。所以可以 通过对启动时转子温度场和热应力的计算，对其寿命损耗进行合理估计，从而对启 动方式进行评价和优化。 求解温度场和应力场问题的理论计算通常有二种方法：一种是解析法，将转子 视为无限长圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，再由 体积平均温差计算转子内外表面的热应力。这种方法只考虑转子径向温差，而不计 轴向热流的影响，并且将介质对转子表面的换热条件及转子金属的物理特性作为常 数处理，因而计算精度不高，对计算结果进行修正才能达到工程所需精度，但计算 过程简便，运算速度快，适用于实时在线计算。另一种理论计算方法是数值解法， 它将转子考虑为轴对称二维计算模型，避免了一维模型简化时造成的误差，同时由 于将复杂的几何连续体离散化，用系列代数方程代替微分方程，并可将介质对转 子表面的放热系数及转子金属的物理特性作为随启动时间的变数来处理，因此可以 比较精确地计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题。但这种方法很 大的不足是计算准备时间长、计算时间长，所以只能适用于离线计算。 数值解法中，最典型的两种方法是有限差分法和有限元法。有限差分法的缺点 是局限于规则的差分网格，对边界的适应性不好；并且只看到节点的作用，而不考 虑连接节点的单元本身的特性。有限元法对单元作了积分计算，充分估计了不同单 元对节点参数的不同贡献，克服了有限差分法中不考虑单元本身特性的缺点，而且 网格划分灵活，对不规则边界的适应性好。 1 2 4 启动优化研究 1 2 4 1 等热应力启动 这一理论的提出是基于这样一种考虑：机组启停一次的最大热应力是影响寿命 的关键指标，所以在启动达到一定阶段，即热应力达到寿命允许的最大值时，可以 在以后的启动中保持这个最大热应力不变，那么机组启停一次的寿命损耗变化不 3 - 华北电力大学硕士学位论文 大，应力交变次数少，不会在转子的基本循环上形成附加循环，疲劳损耗就小，而 启动时间可以缩短。然后根据这个最大应力值，计算出满足等热应力启动的蒸汽温 升率，从而实现启动优化。 考虑到转子的变形、膨胀、振动，以及汽机与锅炉、辅机的协调运行，启动过 程中不可避免地总有一定的暖机和停顿，即不可能在整个启动过程中按等热应力条 件使蒸汽温度持续上升。故又提出机组分段等热应力启动，使机组的启动接近最佳 状态。 1 2 4 2 最佳启动应力 机组启停一次就完成了一个温变循环，相应的机件内也经历一次热应力循环，称 之为必要大应力循环，这一应力幅值是温变速率的函数。另外，由于启停时还有暖 机等其它操作或干扰，也会不同程度地影响热应力的大小，从而使得在必要大热应 力循环上还附加有小热应力波动，即在必要大热应力循环的基础上附加有一些小的 热应力循环。由必要大热应力循环所造成的损耗称之为必要损耗，由附加小热应力 循环引起的损耗称之为额外损耗。幅值大些的附加热应力循环大都是由暖机引起 的，暖机时温升率接近于零，一方面造成了热应力的剧烈波动而引起较大的额外机 耗；另一方面因温度停止上升而大大延长了启动时间，也显著增加了燃料损耗，因 此在胀差允许的情况下，尽量缩短暖机时间是降低损耗的重要手段。从传热原理看， 暖机等附加操作并非是启动所必要的，附加应力循环应尽量减少，理想的情况是无 附加应力循环丽使额外损耗为零，使必要大热应力循环为等应力梯形。梯形越高， 即热应力越大，启动时间越短，燃料损耗越小，但机器损耗越大。所以适当选取应 力大小。可使总耗最小，使总耗最小的应力称之为最佳启动应力，在最佳应力下的 等应力启动为最佳启动方式。 1 2 4 3 金属温升率的重新组织 通过计算找出启动过程中最大热应力出现区间，分析原因所在，通过控制蒸汽 参数及阀门操作，进而严格控制金属温升率，在重新合理组织金属温升率的基础上， 实现缩短启动时间和减小寿命损耗的目的。 1 2 4 4 其它 在不延长启停时间的前提下通过优化操作来减小转子寿命损耗的优化途径。一 是从控制冷冲击方面，通过合理调整主蒸汽温度和压力，达到减小冷冲击的强度和 时间的目的；二是平稳操作，减少应力次波，应力次波主要是由于操作的不平稳性 所产生的，由启停过程反向负荷变化和负荷变化速率( 温度变化率) 的忽快所慢导致 的；三是优化暖机时间，实验表明，相同的升荷率在小负荷下导致升温率较大，应 力也迅速增大，因此建议在低负荷状态下暖机或减慢升负荷率。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 针对东方汽轮机厂n 3 0 0 1 6 7 5 3 7 5 3 7 4 型汽轮机组的结构特点，对其冷态中压 缸启动进行阐述，并对中压缸启动方式特点进行详细分析。在参照操作规程和现场 实际启动的基础上，拟定了冷态中压缸启动方案，并进行了边界蒸汽温度和对流放 热系数的计算然后利用大型有限元结构分析软件a n s y s ，依次进行了汽轮机转 子的建模，边界条件的加载，和启动温度场、应力场的有限元计算最后，对计算 结果进行分析，从应力和寿命的角度，对其目前的启动方案进行评价，找出启动方 案的不足，提出优化方案，并进行优化验证分析。 华北电力大学硕士学位论文 第二章机组概况及其冷态i p 启动 2 1 机组概况及结构特点分析 2 1 1 主要技术规范 型号：n 3 0 0 1 6 7 1 5 3 7 5 3 7 4 型 型式：亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式 额定功率：3 0 0 m w 最大功率：3 3 0 m w 额定转速：3 0 0 0 r m i n 制造厂：东方汽轮机厂 2 1 2 主要设计参数 额定蒸汽参数：主蒸汽( 高压主汽门前) ：1 6 7 m p a 5 3 7 c 再热蒸汽( 中联门前) ：3 3 m p a 5 3 7 背压：冷却水温度2 0 时，设计背压为5 2 0 k p a 额定主蒸汽流量：9 3 5t h 最大主蒸汽流量：1 0 2 5t h 2 1 3 本体结构特点 汽缸本体高中压合缸，通流部分反向布置，高压缸为双层缸结构，材料为 z g l 5 c r 2 m o l ，允许工作温度不大于5 6 6 。低压缸为双缸双排汽对称分流，也采 用双层缸结构，内缸为通流部分，外缸为排汽部分。 高中压转子为整锻结构，材料为3 0 c r l m o lv 脆性转变温度( f a t t ) 为1 2 1 ， 中心孔直径由1 2 5 m m 。低压转子也采用整锻结构，材料为2 5 c r n i 4 m o v ，脆性转变温 度为o ，中心孔直径由1 6 0 m m 。高中压转子与低压转子，低压转子与发电机转子之 间均采用刚性联接。 通流级数：高压缸：l 调节级+ 9 压力级 中压缸：6 压力级 低压缸：2 x 6 压力级 总数：2 8 级， 给水回热系统：3 高加+ l 除氧器+ 4 低加 6 华北电力大学硕士学位论文 旁路系统：4 0 容量的两级串联旁路系统 2 2 机组的冷态中压缸启动 ， 汽轮机的启动状态是以启动前高压内缸上半调节级后金属温度来划分的，小于 1 5 0 c 为冷态启动。中压缸启动，就是机组启动时由中压缸进行冲转，高压缸不进 汽，由中压调门控制机组转速及负荷，负荷升至一定时，完成中压缸到高压缸的切 换后，由高压调门进行机组负荷控制。 2 2 1i p 启动过程简介 东汽n 3 0 0 1 6 7 5 3 7 5 3 7 - 4 型热力系统图如图2 1 所示，下面结合系统图对其 冷态中压缸启动过程做一简述。 l l y m s l 卜高压主汽门m w - - , ：l ：, c 主r l jc v 一高压调门z v 一中压调门w 一通风阀 肝吖_ 高压旁路闺i j v 一低压旁路闽职y - 高缸倒暖阀l ly - - 高排逆止阀 图2 _ 1 东汽h 3 0 0 一1 6 7 1 5 3 7 1 5 3 7 4 型汽轮机热力系统图 2 2 1 1 高压缸的预暖 随着锅炉启动，高、低压旁路阀门开度逐渐增加。当蒸汽达到预暖参数时 ( o 6 8 6 m p a ，2 1 0 。c ) ，逐渐开启倒暖阀( r f v ) ，使暖缸蒸汽进入高压缸，一部分蒸汽 经各疏水口进入疏水系统，另一部分蒸汽经高中压汽封漏入中低压缸排到凝汽器。 2 2 1 2 冲转，升速 当再热蒸汽压力升至0 6 8 6 m p a 时，低旁应投压力反馈自动控制。 预暖至高压内缸温度达到要求值( 约1 5 0 ) 时，设定目标转速为5 0 0r m i n ， 升速率为1 0 0r m i n m i n ，逐渐开启中压调节阀进行冲转( 冲转再热蒸汽参数选择： 压力0 6 8 6 m p a ，温度应保证经过中压一级作功后汽温与金属温度相匹配) ，中压调 节阀打开的同时，关闭倒暖阀，开启通风阀联至凝汽器通风系统。转速达到5 0 0r m i n 7 华北电力大学硕士学位论文 时，机组进行摩擦检查，停留时间不超过5m i n 。 转速升至1 2 0 0 r r a i n 时进行中速暖机，暖机时间为3 0 r a i n 。转速升至2 0 0 0 r m i n 时进行高速暖机，高速暖机结束的条件是中压排汽口处下半内壁金属温度达1 3 0 时，保持暖机6 0 r a i n ，同时应满足：高中压缸膨胀大于7 m m ，高中压胀差小于3 5 m m 并趋于稳定。高速暖机时，可通过调整通风阀后的手动阀开度，控制高压排汽口下 半内壁温度达到2 0 0 左右，若此时温度仍达不到要求，可适当开启倒暖阀前的手 动阀。到3 0 0 0 r r a i n 时进行空负荷暖机3 0 m i n 。 2 2 1 3 并网，升负荷 在主蒸汽压力达到5 8 8 m p a 时，高压旁路应投压力反馈自动控制。在高、中压 缸切换完成前，应维持主蒸汽、再热蒸汽压力和蒸汽流量不变。并网后由控制系统 加3 最小负荷，选择升负荷率1 2 m w m i n ，然后进入升负荷控制，进一步开大中 压调节汽阀带负荷，同时逐渐关闭低压旁路。低压旁路全关后，投负荷反馈自动控 制，维持负荷不变，进行低负荷暖机。当中压排汽口处下半内壁金属温度达1 8 0 c 时，暖机3 0 r a i n 。 2 2 1 4 高中压缸切换，提升负荷至目标值 低负荷暖机结束后，进行高、中压缸切换，高压调节阀以单阀方式逐渐开启， 使蒸汽流过高压缸，高压排汽逆止门自动打开，同时关闭通风阀，约l m i n 后高压 调门与中压调门歼始进入比例关系，切缸结束。 切缸结束后，高压旁路阀解除压力反馈自动控制，并逐渐关闭。到达下滑点时，机 组随锅炉开始滑参数升负荷，升至9 0 额定负荷时，主汽压力达到额定值1 6 7 m p a 。 维持主汽压力不变，继续将负荷升至额定值，启动结束。 2 2 2 热力参数选择 2 2 2 1 热力参数选择的原则 冷态中压缸启动热力参数的选择应遵循如下原则： ( 1 ) 有利于机组寿命消耗的降低，减少启动过程中交变应力，选择的参数尽量使 蒸汽与金属之间的温差达到最佳匹配，以减少热应力对机组寿命的影响。 ( 2 ) 在设计寿命消耗的基础上，尽量加快机组肩动速度，缩短启动时间，提高启 动经济性 ( 3 ) 满足锅炉启动特性的要求，满足配置的旁路特性和参数的要求，满足汽轮机 本体启动特性的要求 ( 4 ) 启动方便，安全、电厂可实施。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 启动各阶段热力参数选择 ( 1 ) 高压缸预暖阶段 此阶段锅炉已点火，通过高低压旁路维持一定的主蒸汽、再热汽参数，汽机处 于盘车运行状态，抽真空、投轴封。倒暖的主要目的是将高压缸由冷态加热至热态， 使高压转子温度加热至高于其脆性转变温度( f a t t ) ，缩短机组启动时间，中低压 缸因轴封蒸汽进入亦同时被加热，此时高压缸调节阀关闭，主蒸汽通过高旁流向再 热器，高压缸倒暖汽源来自高旁后，倒暖初期高压缸缸温较低，选择蒸汽参数为 o 6 8 6 m p a 2 1 0 c 左右，并保持5 0 以上的过热度。蒸汽与金属表面进行强烈的凝结 换热，金属温度被加热至对应蒸汽压力下的饱和温度，凝结水经疏水门排至凝汽器， 倒暖后期缸体金属温度随蒸汽温度进一步升高，结束时缸体温度应控制在1 5 0 左 右，其主要目的是便于控制下一阶段高压缸缸温 倒暖结束后，则进行中压缸冲转，随着转速的升高，摩擦鼓风越来越强烈，缸 体温度进一步升高，1 2 0 0 r m i n 中速暖机时倒暖阀应在关闭位置，视情况打开抽真 空阀，对高压缸进行抽真空隔离，以降低因摩擦鼓风而产生的热量，控制高压缸温 升率在l 2 r a i n 之间，隔离结束时，高压缸缸温不应超过2 5 0 。 隔离结束时限制高压缸缸体金属温度，主要基于如下考虑： 高压缸隔离结束后，高压缸进汽形成正常流动，高排汽温应尽量接近高排处 金属温度以保证高压缸内蒸汽与金属之间温差较小，从而保证机组热应力较小，寿 命消耗小，高排处会属温度若过高，则在高压缸进汽初期蒸汽与金属之间有较大的 负温差，将使高压转子表面冷却承受拉应力，负温差越大，拉应力越大，增大高压 缸寿命消耗。 切换过程中高压缸进汽真空遭到破坏，切换初期进汽量较少，未形成正常流 动，摩擦鼓风发热很大，缸体温度将飞升。从安全运行的角度出发，切换应保持较 低的初始缸体温度，以避免高压缸缸体温度飞升至打闸停机缸温，同时切换时间应 尽量缩短，根据实际运行经验切换时间控制在2 分钟以内为宜 ( 2 ) 冲转阶段 冲转时高压缸处于倒暖闷缸阶段，蒸汽直接进入中压缸进行冲转，因此这一阶 段热力参数的选择实际上是对再热蒸汽参数的选择，主蒸汽参数由锅炉特性确定， 参数选择应考虑以下五点：蒸汽温度与中压缸金属温度合理匹配，冷态启动中压 缸金属温度较低，仅靠轴封蒸汽加热，冲转前金属温度一般在4 0 6 0 c 之间且中压 缸第一级设计的焓降较小，再热器汽温若太高，则中压缸第一级后蒸汽与金属将形 成较大的温差，产生较大的热应力，对中压缸造成较大的寿命损耗。再热器汽温 应满足5 0 c 以上过热度要求，以防汽缸进水。选取的再热器压力不宜过高，以保 华北电力大学硕士学位论文 证冲转时有一定容积流量的蒸汽进入中压缸，中调门维持一定的开度，有利于机组 转速及升速率的稳定。选取的再热器压力和温度不宜太低，若选择得太低，不利 于中压转子和汽缸的迅速加热，丧失了中压缸启动的优越性。选取的再热蒸汽参 数值应满足锅炉启动特性的要求。 基于上述考虑：冲转阶段推荐再热参数为0 4 0 8 m p a 、2 3 0 2 5 0 ，相应主 蒸汽参数为：3 4 m p a ，3 0 0 3 3 0 。 ( 3 ) 升速阶段 此时高压缸仍处于倒暖闷缸状态，热力参数的选择同冲转阶段一样，主要是对 再热器参数进行选择汽轮机冲转后在5 0 0 r m i n 附近进行低速暖机及检查，随后将 转速升至1 2 0 0 r m i n ，进行中速暖机。中速暖机的主要且的是加热中、低压汽缸， 使转子径向温度场分布均匀化，减少热应力，中压汽缸进一步膨胀，胀差的增长得 到控制，该阶段再热蒸汽温度不宜提升太快，以免中压缸胀差超限。中速暖机结束 后提升转速至2 0 0 0 r r a i n ，进行高速暖机。此时中压转子内孔及轮缘处的机械应力 已经很大，转子内部热应力与离心力是一致的，都为拉应力，相互叠加，且转子温 差越大，热应力越大，总应力也越大。这对转子的安全极为不利，因此在该阶段须 让中压转子跨过材料的脆性转变温度( f a t t ) ，确保机组安全运行。具体要求是高 速暖机结束时，中排温度达到1 3 0 c ，并保持一小时，让转子彻底暖透，参考电厂 试验数据，推荐高速暖机阶段再热汽参数为o 6 8 6 m p a 、3 0 0 3 2 0 ，相应的主蒸 汽温度为5 m p a 、3 3 0 。 ( 4 ) 带初始负荷阶段 高速暖机结束后，将机组转速升至额定转速。做完各种试验后，并网带3 6 的初始负荷，进行初始负荷暖机。暖机目的是为切换或切换后快速提升负荷做准备， 维持中排温度在1 2 0 ( 2 1 3 0 c 范围内，中、低压缸径向温度场趋于均匀化，缸体进 一步膨胀，中压缸胀差保持稳定，并随暖机时间进一步增长而逐渐减小，本阶段主 蒸汽、再热蒸汽参数分别为5 8 8 m p a 3 7 0 ，0 6 8 6 m p a 3 2 0 3 4 0 。 ( 5 ) 切换阶段 切换是中压缸启动最重要的环节，切换阶段的热力参数选择包括三部分内容： 主蒸汽参数选择、再热汽参数选择、切换负荷的选择。下面为其选择的具体方法： 主蒸汽参数的选择 切换阶段主蒸汽将从高旁逐渐转移到高压缸，随着高压缸压力的建立，高排逆 止门被冲开，抽真空阀( v v ) 关闭，高压缸结束隔离进入正常通流状态，整个过 程需要l 2 分钟。切换开始后，高排汽温有一个短暂的升高和回落，压力一定时， 不同的进汽温度对应着不同的高压缸排汽温度，因此只有合理的选择主蒸汽参数， 华北电力大学硕士学位论文 才能保证主蒸汽与金属之间温差较小，从而减小切换过程中高压缸的热冲击和热应 力，选取主蒸汽压力应满足通过高低旁路的流量将机组带至切换负荷，同时应考虑到 锅炉启动特性，锅炉能否达到并维持该压力。 为此，切换阶段主蒸汽参数选择为：5 8 8 m p a 、4 0 0 4 3 0 。 再热蒸汽参数选择 再热蒸汽压力的选择应考虑以下几点： a 中压调门的稳定性。期望启动过程中转速和负荷能稳定增长，3 0 0 m w 汽轮 机组中压调门直径为6 0 0 m m ，选择的再热汽压力若太高，进入中压缸蒸汽的容积流 量则较小，中压调门升程与负荷的关系曲线则较陡，不利于机组切换负荷的稳定。 b 高压缸过热问题。再热器压力太高，则切换时高压缸排汽1 ：3 处压力高，则高 压缸膨胀比小( 初压与被压之比) ，易引起高压缸尾部过热。 c 中压调门通流能力问题。中压调门通流量与再热汽压力戚戚相关，由阀门特 性可知，当再热汽温度一定时，再热汽压力越高，同一开度下通过中压调门的流量 就越大，要保证切换时中压调门通过高旁过来的全部蒸汽量将机组带至切换负荷， 这就要求再热汽压力不能太低。 再热汽温的选择应根据锅炉的启动特性与所选择的再热汽压力相匹配。根据以 上要求推荐再热器参数为0 6 8 6 m p a ，3 5 0 3 8 0 。 切换负荷的选择 为发挥中压缸启动的优点，加快中压缸的加热和膨胀，切换负荷越高越有利。 但机组实际的切换负荷大小受到轴向推力、主、再热蒸汽参数，高压旁路容量，以 及中压调门开度等等因素的限制。一般来说，切换负荷下的轴向推力远远小于机组 极限推力值。3 0 0 m w 机组切换推力值约为2 5 额定负荷下的推力值，切换时实际 负荷的大小主要由主、再热蒸汽参数，以及中压调门开度等因素决定。 切换负荷的大小主要由进入中压缸的流量决定，不同的机组因配置的高压旁路 不同，选择的主、再热汽参数不同，切换时的中压调门开度不同，故切缸负荷值也 有不同，从机组启动安全运行以及经济性出发，推荐3 0 0 m w 汽轮机组切换负荷为 1 5 m w 左右。 2 2 3 启动方案的拟定 根据以上分析，并结合现场启动记录数据，拟定冷态中压缸启动方案如表2 - l 所示，启动曲线见附录1 。 假定冲转前，高压转子通过预暖温度达1 5 0 0 ，并在切缸前保持这一温度不变； 中压转子初始的温度为5 0 。 华北电力大学硕士学位论文 各阶段蒸汽流量的确定方法：高、中压缸切换前，再热蒸汽的流量按照启动、 运行说明书选取，冲转时为9 5 0 0 0 k g h ，转速到额定转速3 0 0 0 f f m i n 时为1 5 5 0 0 0 k g h a ， 中间转速对应的再热汽流量按线性差值计算。切缸后，额定负荷时的蒸汽流量参照 厂家提供的通流部分热力计算汇总表，取为，主蒸汽9 3 1 1 2 9k g h ，再热蒸汽7 7 6 9 5 6 k g h ；切缸完成时主蒸汽流量参照高中压缸联合启动曲线，选取为1 6 7 6 0 3k g h ，再 热蒸汽的流量按照额定负荷时与主蒸汽流量的比例关系等比求出，中间负荷对应的 主蒸汽、再热汽流量线性差值计算。 表2 - 1 启动方案表 转速负荷 主蒸汽参数再热蒸汽参数计算进汽蕈( k g h 1 启动阶段 时间( r a i n ) 温度压力 ( f f m i n )( )温度压力高压缸中压缸 ( )r m p a ) 冲转 oo 3 0 03 4 52 3 78 5 0 0 0 冲转检查 5 1 05 0 09 7 0 0 0 稳定 升速中速暖机 1 7 4 7 1 2 0 0 o 1 1 3 0 0 0 升压 暖机 高速暖机 5 5 1 1 52 0 0 01 3 2 0 0 0 空负荷暖机 1 2 5 1 5 5 稳定稳定 o 并网 1 5 53 上升上升0 6 8 6 升负荷 1 5 5 1 6 2 1 5 5 0 0 0 l e b v 全 1 6 2 1 9 265 8 8 关，暖机 切缸1 9 2 1 9 34 0 03 7 01 6 7 6 0 31 3 9 8 5 2 h e b v 全关 1 7 稳定稳定2 5 6 9 5 22 1 4 4 0 7 并网 下滑点 3 0 0 0 3 5上升上升4 0 3 1 5 93 3 6 4 0 5 升负荷 主蒸汽、再 1 9 3 4 2 8 稳定 热蒸汽温度 8 0 稳定7 6 8 6 7 76 4 1 4 0 2 到额定值 ( 保持 升压 升压 1 2 m w m i n 主汽压力到 的升负荷 9 05 3 75 3 78 4 9 9 0 37 0 9 1 7 9 额定值 率启动) 再热汽压 1 6 7 力，负荷到 1 0 03 3 9 3 1 1 2 97 7 6 9 5 6 额定值 华北电力大学硕士学位论文 第三章转子温度、应力场计算前处理 本文用a n s y s 软件对汽轮机启动过程转子的温度场和应力场做有限元计算。 计算可分为三个步骤：计算前处理、求解和计算后处理。前处理用于定义求解所需 要的数据，具体包括：选择坐标系统，定义单元类型、单元选项、材料属性和分析 类型，建立计算模型和网格剖分，边界条件的确定 3 1 计算隔离体的选取及网格划分 机组在中压缸启动过程中，高、中压转子轴封段和前几级所经历的温度变化最 为剧烈，产生的热应力也最大。同时，实践证明转子的最大应力区往往出现在叶轮 根部的过渡区、轴肩、凹槽等部位，即这些由于热不匹配会存在不同程度的应力集 中现象。这些应力集中部位的应力有时可能达到很高的数值，超过材料的屈服极限， 因此最容易产生疲劳裂纹，从而成为机组启停时的重点监视部位，必须进行必要的 理论计算与分析。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象，由一些简单形状的单元组成，单元 之间通过节点联系，并承受一定的载荷。本文的计算对象从高中压转子上截取，几 何边界左至高压第l 级，右至中压第2 级，选取长度为1 8 l m ；上至叶轮边界，下 至中心孔边界。 在转子的几何模型建立好之后，要进行网格的划分。考虑到整锻的结构特点， 对高中压转于同时进行网格划分。选取耦合单元p l a n e l 3 ，采用了自由网格划分方 式，以便更好的适应转子的各个部位，尤其是边界形状不规则区域的网格划分。并 在产生热应力大的部位( 转子中心孔、外表面) ，和应力集中部位( 叶轮根部，轴 封) 进行了局部加密。共划分为4 1 5 5 个节点，7 3 1 2 个单元。计算对象的网格划分 和轴面部位编号如图3 - 1 所示。 图3 - 1 计算隔离体及网格划分 兰韭皇查查堂堡主堂垡堡苎 一 3 2 边界条件的选取 用有限元方法求解汽轮机转子的温度场和应力场，边界条件确定的是否合理对 计算结果的精度有很大影响，确定符合实际情况的边界条件是保证计算准确和合理 的重要一环。 在本文的计算中，中心孔边界作为绝热边界处理；轴的外表面可作为已知放热 系数及介质温度的第三类边界条件( 计算详见第3 4 节) ；隔离体的左、右端面为截 断面，由于汽流轴向存在温差，在截断面上存在着微小的热流通过。据参考文献【1 】 分析，截断面作为绝热边界条件处理的计算结果足够准确，对温度场的计算结果影 响甚微，故将左右端面也作为绝热边界处理。 3 3 转子金属材料属性的定义 转子材料为3 0 c r l m o l v ，转子的物性参数随温度而改变，各参数随温度的变化 如表3 1 所示。用a n s y s 计算转子的温度场和应力场，在定义金属材料属性时， 将表3 1 中各个温度对应的物性参数作为已知输入有限元计算的数据文件中，有限 元计算中根据转子实际温度进行自动插值，求得计算模型中各单元在相应温度下的 物性参数，从而考虑了材料的物性随时间变化对转子温度场和应力场的影响。 表3 1 转子金属的物性参数表( 3 0 c r l m o l v ) 温度( ) 室温1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 弹性模量e ( g p a ) 2 1 42 1 22 0 51 9 91 9 01 7 8 切变模量g ( g p a ) 8 2 98 1 97 9 6 7 6 67 3 5 6 8 3 泊松比p0 2 8 8 0 2 9 2 0 2 8 70 2 9 9o 2 9 40 3 0 5 导温系数a ( | 0 6 m 2 s ) 1 0 81 0 39 4 98 6 77 6 66 6 05 5 4 热导率 ( w m k ) 4 4 84 2 84 0 33 7 53 5 3 比热c ( j k g k ) 5 9 96 2 46 6 67 2 08 0 4 线膨胀系数1 30 0 巧l k ) 1 1 9 9 1 2 8 l1 3 2 51 3 6 61 3 9 21 4 1 5 屈服极限o02 ( m p a ) 5 6 25 3 74 9 2 4 6 8 ( 5 3 8 c ) 密度( 室温下) 9 = 7 8 7 x1 0 3k g m 3 3 4 转子外表面第三类边界条件的确定 转子外表面边界条件，包括蒸汽温度和放热系数。在机组启动过程中，转子外 表面上蒸汽温度和放热系数均随不同的轴向位置及启动时间而变化，即它们是时问 华北电力大学硕士学位论文 和空间的函数。计算某时刻某一位置的放热系数时，首先要确定该位置在该时刻的 蒸汽压力、温度、流量等参数，以便确定蒸汽的导热率、运动粘度等其它物性参数， 然后根据不同部位所对应的公式来计算放热系数。 3 4 1 蒸汽参数的确定 蒸汽参数的确定，在8 0 以上负荷时，利用变工况热力计算方法。即利用某工 况下已知的蒸汽初参数、估算的蒸汽流量和厂家提供的额定工况下的热力参数等资 料，逐级进行喷嘴和动叶的变工况热力计算，求得这一工况下各级前后特征面的蒸 汽参数。因为高、中压前几级在工况变动l ； 后，级内均为亚音速流动，故本文采用 流量比法确定喷嘴( 或动叶) 后的压力，然后计算喷嘴( 或动叶) 出口速度和损失， 在热力过程线上确定喷嘴( 动叶) 出口状态点。确定出口压力基本流程如下： s = 鲁廿托- k l - - i 呜1 2 ) 寸q7 gg ，i 钙等悟 专届= 害 斗i = l 一? ( 1 - - e c ，) + s 。 ( 3 - 1 ) p i l2 p o l g l 式中：p 。，p 。，占基准工况下喷嘴( 或动叶) 进、出口压力和压比 g ，g ，基准工况下喷嘴( 或动叶) 流量、临界流量和彭台门系数 喷嘴( 或动叶) 临界流量比，常数，取o 5 4 6 瓦基准工况下喷嘴( 或动叶) 进口压力 p 。，p ，q ，g j ，届，瓦。一一交工况参数，各项意义参照基准工况下 在升速和加初始负荷阶段，由于主蒸汽流量很低，目前还无法利用现有的公式 计算出高中压转子各级前后的蒸汽温度，变工况热力计算也不适于低负荷情况下的 计算。因此本文在计算机组升速、低负荷阶段时各级前后的蒸汽参数时，采用各级 的温度比系数、压力比系数进行近似换算。具体方法为，以额定工况为基准，先算 出机组额定工况时高压各级前后特征面的蒸汽温度与主蒸汽温度的比例，再以此比 例乘以计算工况下的主蒸汽温度，即得到计算工况下高压转子各级前后特征面的蒸 汽温度。蒸汽压力的确定方法与确定温度相同，把相应温度换成压力即可。中压部 位各级特征面蒸汽参数的确定采用相同的方法，用再热蒸汽参数代替高压部分计算 中的主蒸汽参数。每两级之间光轴、汽封处和轮缘部位蒸汽的定性温度，为前后两 轮面处温度的平均值。 3 4 2 放热系数的确定 放热系数的计算，由于结构形状和蒸汽参数的不同，把隔离体表面沿轴向分为 华北电力大学硕士学位论文 1 8 组来计算( 见图3 1 ) 计算中把转子表面形状分成基本的四类，即叶轮两侧、 光轴、汽封和轮缘。 蒸汽对转子的放热系数，与转子的几何尺寸和蒸汽的物性参数有关。因此，在 计算放热系数之前，应先确定蒸汽的物性参数。本文分别对蒸汽物性参数和放热系 数的计算进行了编程，并将蒸汽物性参数的计算程序作为计算放热系数的一个子程 序。在计算放热系数时调用。 3 4 2 i 蒸汽物性参数的计算 蒸汽的物性参数是随着温度、压力或比容而变化的，在计算过程中，可以把蒸汽物 性看作蒸汽温度、压力或比容的函数。蒸汽的动力粘度和导热系数的计算公式如下： ( 1 ) 蒸汽的动力粘度 在0 8 0 0 和0 1 0 0 0 巴的区域内： ：胁艇特一l 肛i ) ：， ，。= ( 吾) 。5 塞口。( 等) 一1 。6 ( k g s m ) c s s ， 式中t 和v + 是近似地表示临界值的常数： t * = 6 4 7 2 7 k v = 3 1 4 7 1 0 。3 m 3 k g 式中的常数如表3 2 、表3 - 3 所示： 表3 - 2 式( 3 2 ) 中的常数b u n ol23 45 0 0 5 0 1 9 3 8 0 1 6 2 8 8 8 - 0 1 3 0 3 5 6- 0 9 0 7 9 1 9o 5 5 l l l 90 1 4 6 5 4 3 l0 2 3 5 6 2 20 7 8 9 3 9 3- o 1 3 0 3 5 61 2 0 7 5 5 20 0 6 7 0 6 6 5- 0 0 8 4 3 3 7 2- 0 2 7 4 6 3 7- 0 7 4 3 5 3 90 6 7 3 6 6