大型汽轮机运行特性1.ppt

大型汽轮机运行特性,主讲：傅忠广fuzgfzg,本课程的主要内容,汽轮机的调峰运行与汽轮机热应力和寿命管理汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题汽轮机几种典型运行事故与运行特性相关的汽轮机几个典型系统及运行管理汽轮机采用的提高经济性的先进技术汽轮机组状态的监测和故障诊断,第一章汽轮机的调峰运行与汽轮机热应力和寿命管理,国内火电机组发展现状与技术基础,电力发展成就很大，但电力需求结构发生了较大变化，导致电网峰谷差增大，供电紧张我国电网的问题主要表现为：高峰期电力短缺电网峰谷差大最大负荷增长的波动性加大电网调峰困难,日负荷曲线,负荷低谷-日最小负荷负荷尖峰-尖峰负荷或最大负荷最小负荷以下的负荷称为基荷最大负荷与最小负荷之差称为峰谷差,目前电网的应对策略,对于缺电严重的地区，通过加强需求侧管理减少拉路限电，力争做到限电不拉路在用电高峰期间，依靠各级政府的主导和支持，配合有关部门采用行政手段为主、经济手段为辅的方式进行移峰或避峰。电力供应紧张的华东、河南、河北等地区，对工业用户可实行周轮休制度，以均衡周负荷，降低工作日的高峰负荷水平。中西部一些地区，安排大用户和高耗能企业在用电高峰季节和日高峰时段进行设备检修，以腾出负荷空间,电网峰谷差增大的主要原因,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电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%，在经济发达地区，可能要大于这个数字工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）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,预期电网负荷的变化趋势,发达国家电网平均调峰幅度约为50，中等发达国家约为40，第三世界国家约为30。据2002年调查，我国电网平均调峰幅度约为37,国外电网的调峰手段,水电机组调峰抽水蓄能调峰机组火电机组调峰燃气轮机机组调峰联合循环机组调峰,制约我国电网调峰的主要因素（1）,我国水电的总体调峰容量十分有限主要是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。因此火电机组的调峰压力很大。,制约我国电网调峰的主要因素（2）,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,制约我国电网调峰的主要因素（3）,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,制约我国电网调峰的主要因素（4）,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。,制约我国电网调峰的主要因素（5）,电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是以热定电，调峰能力差，2000年10万千瓦及以下凝汽机组和小于0.6万千瓦的小火电共计6000多万千瓦退役。,电网中很多大机组都参与了调峰，但调峰能力不足依然是电网运行的主要矛盾。,调峰机组的运行特性,启、停频繁负荷变动范围大对外界负荷变化的响应迅速,影响机组运行机动性、灵活性的因素很多。这里重点关注：影响汽轮机、锅炉运行机动性、灵活性的有关因素,关注：调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响,研究发现：汽轮机转子上的局部结构不同导致机组不同的运行特性。,调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响,调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响,调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响,调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响,调峰机组的设计与运行特性,日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶轮区域附近转子表面形状的改进工作。通过采取特殊的结构措施，大大提高了汽轮机的机动性。,调峰机组的设计与运行特性,如对某厂运行的100MW机组进行的分析表明：该型汽轮机不宜作两班制调峰运行。若一定要参与调峰运行，建议车大弹性槽圆角半径和隔板汽封进出汽处过渡圆角半径。,汽轮机的调峰运行(peakandcyclicloadoperation),我国火电机组调峰现状,可供燃煤机组选择的调峰方式低负荷运行方式两班制运行或周末停机运行方式低速旋转热备用调峰方式强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的安全性、经济性与可靠运行,两班制运行,机组白天基本满负荷运行，夜间低谷时停运810小时，清晨热态启动，周末停运。应具备三个条件机组启停损失小，停运比低负荷运行经济机组启停迅速，能在8小时内顺利启动机组具有一定自动化程度，运行人员操作工作量不过于繁重,夜间低负荷运行,机组白天基本满负荷运行，深夜负荷低谷时降低负荷运行。有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷运行方式，发电机转为电动机方式运行，带无功负荷，故也称为调相运行。要求：机组具有负荷快速变化（510%/分钟）的适应能力低负荷运行稳定性好，并能保持较高的热效率,周末停机,电网负荷一般在周末比较低，为此要求机组周末停运，周一启动。这类机组应具备较好的启动特性和较高的运行经济性。,机组调峰运行存在的问题,机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水电厂再开发，燃气轮机等。,机组带厂用电运行operationatauxliarypowerload,优点：系统故障时，可加快恢复电网供电，进一步提高厂用电源的可靠性，保证重要地区符合的需要。缺点：对机组是一种恶劣工况，会影响机组的寿命。因此，应尽可能缩短运行时间，一般推荐带负荷运行时间为1020min。,汽轮机异常工况运行,汽轮机处于正常工况容许变动范围之外，但尚不至于立即发生设备损坏事故的工况下运行会导致汽轮机效率的显著恶化并加速设备运行寿命的损耗常见的异常工况有：主蒸汽参数偏差过大高背压低真空运行回热加热器停运叶片截短或缺级运行超出力运行，等。,机组调峰运行存在的问题,机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水电厂再开发，燃气轮机等。,影响机组运行的关键因素热应力汽封环境宽度，m;漏汽面积，-漏汽量，kg/s;蒸汽粘度,Pa.s汽封漏汽量，t/h;、分别为其流入口及出口的压力汽封入口的蒸汽比容，汽封齿数,调节级叶轮两侧的放热系数,调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理，其两侧的放热系数为：,压力级叶轮两侧的放热系数,当雷诺数时当雷诺数时,光轴的放热系数,式中，光轴半径，m,放热系数变化规律,转子温度场和应力场,转子的热应力的基本知识温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化应力场模型转子的应力场应力重点监测部位,汽轮机启动时转子的温度变化,汽轮机启动时转子的温度变化,国产100MW机组温态启动终了的温度场,转子的内外壁的温度时间关系曲线,转子温度场和应力场,转子的热应力的特点温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化应力场模型转子的应力场应力重点监测部位,应力场的数学模型,求解应力场的关键是解出在非稳态温度变化下，单元上各节点的位移，从而求得单元内的应变及应力，以热弹性理论为基础，单元各节点的位移可用矩阵表示为：单元内的位移为：将上式代入几何方程：单元内的应变为：,应力场的数学模型（续1）,有了应变之后，利用物理方程求得应力：,转子温度场和应力场,转子的热应力的基本知识温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化应力场模型转子的应力场应力重点监测部位,转子的应力场,国产100MW机组温态启动终了的应力场,转子的重点部位的应力时间关系曲线,热应力的简化计算：,转子温度场和应力场,转子的热应力的特点温度场模型应力场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化转子的应力场应力重点监测部位,应力重点监测部位,在机组启停过程中，转子高中、压轴封段和前几级所经过的温度变化最为剧烈，因而产生的热应力也最大。弹性槽以及叶轮根部的过渡圆角和轴肩等处，由于热不匹配会存在着不同程度的热应力集中现象，因而也应视为机组启停时的监督重点。,国产100MW机组高压转子有限元计算网格划分图,转子的热应力,过渡工况下的热应力：汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子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。重点部位：汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。,转子的应力集中的部位,转子的应力集中的部位：在汽轮机转子外表面的叶轮根部圆角、轴肩以及槽沟等部位都存在不同程度的热应力集中现象。在机组启停时，这些部位特别是轴封弹性槽处的热应力可能达到很高的水平，是影响机组启停安全和寿命损耗的重点部位。,国产100MW机组停机时的热应力场,国产200mw机组转子弹性槽的应力集中,汽封齿的热应力集中问题不大。,国产200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中,N125机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中,热应力集中的特点,应力集中均密集在槽底12mm深度以内，在这个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为12mm。在这个深度以外，原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新表面还可有相当高的疲劳寿命。,槽形状的改变对热应力集中的影响,热应力集中的影响因素,几何形状热载荷材料的物理特性,热应力集中,热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：前述公式只是针对光轴而言，实际转子存在应力集中现象其中:热应力集中系数无热应力集中时光轴上的公称应力,几何形状对应力集中的影响,国产N200机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理，槽太深且底部拐角圆弧太小，导致了严重的热应力集中现象。热应力集中主要表现在转子的轴向应力，切向应力集中现象轻微。,汽机转子局部几何形状对应力集中的影响,热载荷的影响,热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同，其值除与几何形状有关外，还与热载荷有关。,热应力集中系数vs机械应力集中系数,在相同的几何尺寸下，热应力集中系数要比机械应力集中系数大；轴的直径越大，两者相差越多；当轴径较小时，两者趋于相等。,暖机过程对应力集中的影响,物理特性对应力集中的影响,当应力接近或超过材料的屈服极限时，应力进入塑性范围，真实应力集中系数减小，而应变系数增大。,热应力集中系数的计算（经验公式计算）,叶轮根部或轴肩根部,当启动进入准稳态后,轴肩处：,叶轮根部：,或,两叶轮之间、单叶轮根部的应力集中情况,轴封弹性槽的热应力集中系数,式中：Kt理论集中系数，槽的深度；r槽底圆角半径；or相当于槽底直径的光轴公称当量应力；o相当于槽面直径的光轴公称当量应力；因为热应力与转子直径的平方成正比，为了简化计算，可以将上述式中的当量应力比，代以相应直径平方之比。,热应力集中系数随启动时间的变化,变化关系可由下式近似表达式中：Kth进入准稳态时的集中系数；启动到达的时间，min;Kt启动到达时间t时的热应力集中系数。,影响热应力的因素,转子的结构材料温度的变化压力的变化,材料对热应力的影响,热应力的基本方程式为：弹性模量线胀系数泊松比,转子钢热物性的变化,温度的变化对热应力的影响,温升率对热应力的影响从图中三条曲线对比可以看出，温升率越大，热应力水平越高，而且热应力在开始阶段迅速达到最大值，随后呈下降趋势。,调节级汽室汽温与转子温度,计算热应力时，调节级和中压第一级汽室汽温是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术措施，都与调整这个区域的汽温有关汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定（理论计算和实际测试都存在困难）,调节级室汽温的降落幅度,调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以及调节级的设计焓降有关N125机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表,由表可见：新汽压力越低，汽温降落的幅度越小。因此在启动时，新汽的压力以低些为宜。,调节级后的温度与温度匹配,汽轮机转子照片,N125机组两班制运行调节级汽温实测,N200机组启动过程中调节级汽温变化曲线(实测),汽温波动对热应力的影响,当启动或正常运行时，由于锅炉燃烧或其它不定因素，常常引起主汽温的波动，导致调节级汽温也随之发生变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响，除了汽温变化幅度外，汽温的变化频率也是一个重要的因素。计算表明，如果汽温波动不超过25，在转子和汽缸上不会产生有害的热应力。,压力的变化对热应力的影响,蒸汽的压力往往影响放热系数在一般粗略的计算中，可以把两者之间的关系归纳为：转子光轴处：高压轴封入口：外表面可以视为第三类边界条件：压力越大，对流系数就越大。,汽轮机启动时高中压转子的温度变化,热冲击,金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击。热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停和正常运行中，应特别注意。,寿命损耗,疲劳损伤由材料力学可知，金属材料在交变应力反复作用下，会出现疲劳损伤。即使应力不超过材料的屈服极限，经过一定次数的循环（交变应力反复作用），金属材料也将产生微观裂纹。如果应力足够大，则循环次数不多，材料也将断裂。,寿命损耗（续1）,寿命工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效寿命。工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。低周疲劳汽轮机在启停和工况变化过程中，转子承受交变热应力。这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率低，疲劳裂纹萌发的循环次数少，故称为低周疲劳,影响寿命损耗的因素,影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀等。主要的影响因素是受到交变热应力作用引起的低周疲劳寿命损耗，以及受到高温和工作应力作用而产生的蠕变损耗。,低周疲劳,(a)540(b)565两种温度下，断口扫描电镜图片,高温蠕变,蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。565下蠕变裂纹扩展图,时效过程中组织变化,(a)原始试样(b)660时效300小时(c)660时效500小时(d)660时效800小时660温度下不同时效时间的金相组织照片,低周疲劳,汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力，在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹的循环周期少，故称为低周疲劳。,低周疲劳特性对寿命的损耗,1983年前苏联文献中公布的转子钢疲劳特性曲线从图中看到，所受热应力越大，循环周次(即金属材料的疲劳寿命)就越少；工作温度越高，循环周次就越少。,低周疲劳特性对寿命的损耗(续),30Cr2MoV钢500时的低周疲劳曲线,转子疲劳寿命损耗的计算,依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算，首先求式中，计算点的公称当量应力；材料的弹性模量；弹、塑性应变集中系数；算出后，即可查得，则启动（或停机）一次的寿命损耗为,高温蠕变,蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。实验证明，金属的蠕变与金属材料所承受的工作应力和工作温度有密切的关系。在工作应力和工作温度一定时，蠕变发展过程呈现三个阶段：第一阶段，是蠕变不稳定阶段；第二阶段，是蠕变的稳定阶段，蠕变速度恒定；第三阶段，蠕变速度增加很快，直至断裂。在汽轮机寿命管理时，第三阶段时间不能计入蠕变寿命。,高温蠕变,汽轮机的工作温度很高，其汽缸、转子等零部件会发生蠕变，损耗寿命。转子的蠕变寿命损耗率的计算公式如下：式中：t在某种工作条件下累积运行时间；在相应条件下金属部件临界点蠕变断裂时间。,高温蠕变对寿命的损耗,从图中可看出，在同一应力下，转子工作温度越高，蠕变断裂时间越短，同一温度下，转子承受的应力越大，蠕变断裂时间就越短。蠕变损耗累积到一定程度时，会导致转子产生裂纹，引起蠕变变形，发生动静摩擦事故。通常规定汽轮机运行十万小时后，总的变形量不得超过0.1%。,低温脆性&FATT,低温脆性是指高强度合金钢在某一低温范围内，韧性特性显著下降的一种现象。在工程应用上，把进行材料冲击试验时断口形貌中韧性和脆性破坏面积各占50时所对应的试验温度，称为材料的脆性转变温度，记作FATT。材料温度FATT，呈现韧性破坏材料温度FATT，呈现脆性破坏，发生脆性损伤的可能性增加。材料在高温环境下长期工作，其FATT有缓慢升高的现象对汽轮机转子材料的FATT有明确的要求，而且对预防汽轮机转子脆性损伤也有具体的措施对CrMoV转子钢来讲，FATT=80130。现代断裂力学认为：金属材料低温脆性破坏的根本原因在手材料在锻造、热处理过程中形成的潜在微小裂纹。,低温脆性破坏的预防,自从50年代相继发生了多起高强度合金钢低温脆性破坏的严重事故后，低温脆性破坏引起了人们的高度重视。经反复实践与研究，已形成了一系列行之有效的防止汽轮机转子低温脆性破坏措施。例如：ABB规定冷态启动时低速暖机和带初负荷暖机；东芝要求机组在冷启时盘车状态下高压缸暖机和带初负荷暧机；GA公司机组冷启的中速暖机和中压缸启动方式等都是为了在低应力状态下加热转子，使转子金属温度超过材料的FATT后再转向高应力状态下工作。,寿命的管理与控制,对汽轮机寿命的评估方法，一般采用线性累积损伤法，即转子的累积总寿命损耗率为低周疲劳损伤与高温蠕变损伤之和：由上式可知，转子的使用寿命有寿命分配问题。,汽轮机寿命管理,汽轮机寿命管理包括两层内容：1、在国家宏观指定的服役年限内，根据机组的带负荷方式进行寿命预分配，制定汽轮机寿命分配表，指导运行，以取得最大的经济效益；2、进行汽轮机寿命的离线或在线监测在汽轮机启、停和变负荷运行时，控制蒸汽温度和负荷的变化率，控制汽轮机部件的热应力，使机组的寿命损耗不超过其预分配值，在机组规定的使用年限内，实现最佳的安全经济运行，使机组发挥最佳的经济效益，实现机组运行寿命的科学管理。,汽轮机寿命的合理分配,目前通常认为汽轮机的服役年限为30年。在这30年的时间里，如何合理分配汽轮机的寿命，充分利用汽轮机的寿命，以取得最大的经济效益是汽轮机寿命分配的出发点。对于带基本负荷的机组，汽轮机寿命的损耗主要为高温蠕变和正常检修启停所需低周疲劳对汽轮机寿命的损耗。对调峰机组，除检修、维护需要正常启停以外还应根据电网要求，安排一定次数的热态启动和一定范围内的负荷变化。负荷变化量（率）和热态启停次数（速区）应视电网的要求而定。在分配寿命损耗时，既要考虑汽轮机寿命的合理损耗，又要考虑到电网的调峰需要。,不同国家对机组寿命管理的规定,我国“进口大容量汽轮机技术谈判指南”中规定：汽轮机的使用寿命一般为30年。在30年中，机组冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，极热态启动150次，以及大于10%额定负荷突变12000次，其总的寿命损耗不大于75%。英国国家标准(BSI)中规定，大机组在使用寿命期内必须经得起冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，以及负荷突变和频繁负荷变动。,ABB600MW超临界机组,ABB600MW超临界机组寿命损耗分配余度较大，30年内由热应力损耗的寿命仅占总寿命的11.575%，其余88.425%作为高温蠕变和富裕量。该机组设计寿命富裕是最大的。,东芝公司提供的600MW汽轮机,该表东芝公司提供的600MW汽轮机寿命损耗分配。30年实际寿命消耗达75.45%，在600MW机组是较大的。,汽轮机寿命的监测,在实际运行过程中，由于不可预测的因素较多，可能导致实际寿命损耗与预先分配值有较大偏差，因此，有必要对汽轮机寿命损耗进行监测。寿命监测就是定期或不定期（每次启、停中或启停后）地对汽轮机寿命的实际损耗情况进行核算，以确保机组的安全运行。,寿命监测的方式,寿命监测有两者方式：在线和离线两种方式离线计算是在启动或停机之后，根据调节级或中压第一级的汽温变化曲线，取出各个阶段的温度变化率和温度变化量（或时间），用解析法或数值解法进行计算其热应力值和寿命损耗率；还可以直接根据转子的寿命损耗曲线上直接查取。在线计算即是在线监测，将调节级或中压第一级室内的蒸汽温度转为数字信号输入计算机，随后计算机按照预定的程序以时间作为第二变量进行追踪计算求出监督部位的最大应力值及相应的寿命损耗率，随后将计算结果输出，如果在程序中给定一应力极限值，则当应力超限时可发出警报信号。,在线监测系统的应用,一些引进机组（如元宝山的法国机组），有的已装备了寿命监测装置。它能在机组启停和负荷变化中计测寿命的损耗并累计，而且还和汽轮机DCS、DEH结合在一起，对机组的启停和负荷变化进行闭环控制。A