汽轮机寿命管理在汽轮机运行中应用和分析

1、汽轮机寿命管理在N300-16.7/537/537型汽轮机运行中应用和分析渭河发电有限公司运行部张旭升2003年9月10日汽轮机寿命管理在N300-16.7/537/537型汽轮机运行中应用和分析内容概要：本文主要从汽轮机寿命管理的内容和机理，结合哈尔滨汽轮机厂提供的N300-16.7/537/537型汽轮机运行推荐图表，从汽轮机“冷态启动主蒸汽参数的选择及阀门控制方式的选择”、“冷态启动转子加热的控制”、“热态启动参数及阀门控制方式的选择”、“负荷控制方式的选择”、“启动、停止过程中轴封蒸汽温度的选择”、“停机方式的选择”几个方面进行应用分析，并提出汽轮机寿命管理在渭河发电有限公司实施的现实

2、意义。关键词：“汽轮机”“寿命管理”“应用分析”汽轮机寿命管理在N300-16.7/537/537型汽轮机运行中应用和分析前言 渭河发电有限公司处在陕西电力系统的负荷中心，随着公司四台300MW机组基本实现稳定，根据电力市场的变化，机组调峰力度增大，由原来承担系统中带基本负荷机组变为调峰机组，为保证机组能在其设计安全使用寿命30年内长期安全稳定运行，必须从汽轮机寿命管理的角度进行汽轮机运行生产技术管理，合理安排使用汽轮机寿命，从而延长机组连续运行周期，减少机组检修次数，并为设备状态检修提供依据，进一步提高公司的经济效益。1汽轮机寿命管理的内容及寿命分配：11 汽轮机寿命：汽轮机主要零部件可以安

3、全运行的过程。12 汽轮机寿命消耗的过程：投产损伤宏观裂纹裂纹扩散报废。121 从投产至发现有宏观裂纹阶段为汽轮机有效寿命（即寿命管理的控制区段）。122 由宏观裂纹至报废为汽轮机残余寿命。13 汽轮机寿命管理的考察对象及基础：131 对象：汽轮机转子。132 基础：以热应力为基础。14 汽轮机寿命管理的内容及寿命分配：141汽轮机正常带负荷运行过程的高温蠕变。1411 定义：再高温和一定应力作用下，金属材料所产生的缓慢的塑性变形。1412 典型蠕变曲线： 蠕变分为三个阶段：第一期为减速期，第二期为稳定期，第三期为加速期。估计零部件寿命时只考虑第一、二期。1413 影响材料蠕变的因素：由实验得

4、出：再相同温度条件下，材料蠕变第二期时间随应力的增加而缩短；在相同的应力条件下，材料蠕变第二期时间随温度的提高而缩短。见下图：142 汽轮机正常带负荷运行中的高温蠕变消耗： 汽轮机在正常稳定工作过程中，对应转子的工作温度和应力一定时，有一个确定的蠕变寿命B，在该工况下，每工作一小时，则消耗一小时的寿命。即：蠕=1/B1+2/B2+=/B*100%在实际中蠕变消耗的计算可按下式进行：蠕=/B*100%式中：B：额定参数、额定负荷下的蠕变寿命 ： 运行时间143 汽轮机热疲劳寿命：1431 定义：材料承受引起材料发生裂纹的最高交变热应力作用下的次数称为热疲劳寿命。1432 影响热疲劳寿命的因素：

5、当温度一定时，随着应力的增大，材料承受引起材料发生裂纹的周次减少；当交变应力一定时，随着温度的提高，材料承受引起材料发生裂纹的周次减少。144 汽轮机热疲劳寿命消耗： 汽轮机每启、停或加、减负荷一次，温度及热应力变化一周，转子承受一次交变热应力的作用，减少一次热疲劳寿命。其热疲劳寿命消耗为：疲=1/NB1+1/NB2+=1/NB*100%145 汽轮机总寿命消耗：=（蠕+疲）*100% 实验得出：CrMoV钢在500540时，其蠕变寿命时间为650000小时，对于N300-16.7/537/537型汽轮机若在额定参数下带基本负荷运行30年（年运行小时7000小时），其消耗寿命为：蠕=（7000

6、*30/650000）*100%32%疲 68% 即：带基本负荷机组汽轮机总寿命消耗中，蠕变寿命消耗一般占1/41/3，而热疲劳寿命消耗占3/42/3。 因此，汽轮机寿命管理主要是根据影响材料高温蠕变寿命和热疲劳寿命的因素，结合实际设备的运行情况，对汽轮机启、停和加、减负荷以及运行中参数变化等变工况的控制和管理。为对照分析，下面列出日本三菱公司TC2F-40型350MW汽轮机调峰机组的热疲劳寿命消耗分配表。运行方式温度变化温度变化时间min极限循环次数每次循环寿命消耗%30年内使用次数30年内寿命消耗 %应力控制极限kg/mm2冷态启动480300100000.011001.046温态启动30

7、0200100000.0110001046热态启动200100110000.0091300027.344极热态启动1803035000.029100.369正常停机10060500000.0024000829强迫冷却停机170180400000.00251000.331正常负荷变化8030400000.0025120003031甩负荷后带厂用1802030000.033100.872疲77.72汽轮机寿命管理在N300-16.7/537/537型汽轮机运行中的应用和分析 哈尔滨汽轮机厂在引进美国西屋公司300MW机组生产技术的同时，也吸取了西屋公司汽轮机寿命管理的思想，在其汽轮机运行导则中推荐

8、了与汽轮机寿命管理的相关图表，这些图表中的曲线是在考虑到启动中所产生的热应力对机组安全可靠且所需的时间最短的前提下作出的，在N300-16.7/537/537型汽轮机运行标准中作为参考图表列入其中。下面就这些图表在N300-16.7/537/537型汽轮机运行中的具体应用进行分析。21 冷态启动主蒸汽参数的选择和阀门控制方式的选择： 为了避免冷态启动中蒸汽室发生热冲击，蒸汽进入汽轮机在主汽门处的蒸汽过热度应至少为56，但蒸汽的温度不应超过427，主汽门前进汽温度和压力的关系以及机组启动时主蒸汽温度、压力和蒸汽室内壁金属温度之间的关系如图所示。211 图中给出的蒸汽参数关系是以汽轮机能够均匀的加

9、热、最佳的膨胀和差胀控制以及在汽轮机转速控制从节流调节过渡到喷咀调节时使蒸汽室处受到最小的热冲击而制定的。它还表示了汽轮机转速控制从节流调节过渡到喷咀调节时所需保持有的最低进汽温度。212 在冷态启动时，从主汽门到调节汽门控制切换之前，主蒸汽参数应取“冷态启动”区内。213 在热态启动时，从主汽门到调节汽门控制切换之前，主蒸汽参数应高于“主汽阀最低进汽温度”曲线。214 当蒸汽室金属温度低于当时的主蒸汽压力对应的饱和温度时，要取等于或高于图中“主汽阀最低进汽温度”，用主汽门的预启阀控制继续运行机组暖机，直到蒸汽室的金属温度达到主蒸汽压力对应的饱和温度，才能进行阀切换，以防止蒸汽在蒸汽室金属壁凝

10、结成水而产生凝结换热，造成较大的热冲击。22 冷态启动转子加热的控制： 常用的高强度合金钢在使用的工作温度下都有较高的冲击韧性（塑性），但是温度降低时，冲击韧性会明显下降，出现脆性断裂现象，材料韧性转变为脆性的温度叫脆性转变温度。对于N300-16.7/537/537型汽轮机高、中压转子，脆性转变温度一般为120130左右，为了使转子能保证达到足够的温度，避免汽轮机转子发生脆性断裂事故，哈尔滨汽轮机厂给出了“汽轮机转速保持推荐值”、“冷态启动转子加热曲线”。221 图中给出了汽轮机转子不同冷态温度下所需加热的时间。启动过程中将汽轮机升速到转子加热转速区范围内某一转速，然后汽轮机在该转速下停留足

11、够长的时间，以加热高、中压转子，使高、中压转子的中心孔温度在机组达到定速之前，至少达到材料的脆性转变温度以上。222 根据高压缸第一级金属温度和中压缸第一级持环金属温度确定转子加热时间且采用两者中时间较长的进行计算。223 计算转子加热时间的条件：必须待中压主汽门处的蒸汽温度达到或超过260时，才可开始计算转子加热时间。23 热状态启动参数和方式的选择： 高压缸第一级金属温度大于121情况下机组启动为热状态启动，因为机组在启动主汽门和汽轮机转子、汽缸的温度较高，特别是极热态时其温度于冷态启动终了时的温度很接近，故在热状态启动中，如果蒸汽参数选择不当，则会造成汽轮机转子的急剧冷却，产生较大的交变

12、热应力。哈尔滨汽轮机厂给出了“热态启动曲线”。231 图中给出了由初始高压缸第一级金属温度，确定蒸汽参数和冲转时间以及暖机负荷和暖机时间。232 启动前在锅炉能接受的条件下使旁路系统投入，保证主蒸汽温度和再热蒸汽温度与转子温度相匹配。233 图1、2中表示：相同的蒸汽参数在相同的初始负荷下，使用节流调节比喷咀调节的第一级蒸汽温度高，因此，为了减少第一级蒸汽温度与转子温度的温差，应采用节流调节方式进行机组的启动。234 如果在主汽门处蒸汽参数所导致在第一级处蒸汽温度低于该处的金属温度（图3上准确的匹配线以下打斜线的区域内），机组就应该在10分钟以内升速到额定转速、并列和带上负荷（图4下部打斜线的

13、区域），并且没有停留在最低负荷的一段时间，因为这时如果延长升速或带负荷的时间，将会使汽轮机金属受到强迫冷却。235 为了使热应力和启动时间减至最少，可根据汽轮机第一级金属温度依据图1、2、3选择相应的蒸汽参数，较好的匹配于热态启动第一级处金属温度。236 当机组的转速达到3000r/min后，应根据第一级金属温度和蒸汽参数由图1、2、3、4、5确定并网后最低负荷和最低负荷下暖机时间，并按全速-空负荷曲线根据再热蒸汽温度确定低压缸稳定的排汽压力。24 负荷变化控制方式的选择： 随着负荷的改变，汽轮机通流部分内的蒸汽温度也随着改变，按负荷改变的大小和改变的速率，在转子内会产生不同的热应力，为了减少

14、热应力，负荷量变化较大时，都是缓慢进行的。当汽轮机负荷变化增大时，各级的蒸汽参数随着变化，而高压缸第一级处温度变化最大，但高压缸第一级处温度的变化幅值和调节汽门在负荷变化时的运行控制方式有关，在低负荷下，初参数不变时，负荷变化时，高压缸第一级处温度的变化值在采用节流调节时要小于喷咀调节，但是比滑压调节大。为此，哈尔滨汽轮机厂给出了定压方式和滑压方式下负荷变化控制推荐图。241 图中给出了汽轮机负荷在5100%范围内以不同的调节控制方式，根据所期望的疲劳循环次数选择出负荷变化率。242 定压运行方式：2421在同一负荷变化幅度下，采用节流调节时高压缸第一级处温度变化比喷咀调节时小，即在同一疲劳循

15、环次数下，采用节流调节时，其负荷变化率可选择较大，也就是说可以允许负荷作较快的变化。2422 在部分负荷时，在同一进汽参数下，当采用节流调节时，在相同的负荷下高压缸第一级处温度要高于采用喷咀调节；而在额定负荷时，在同一进汽参数下，采用节流调节和采用喷咀调时，高压缸第一级处温度基本相等。243 滑压运行方式：2431 不同进汽压力下，在汽轮机负荷变化前、后所引起的高压缸第一级处温度变化。但其曲线是在汽轮机负荷改变时，调节阀前主蒸汽温度不变而为定值537时作出的，因此，在负荷改变中，如果主蒸汽温度偏离537，则作相应的修正，一般，主蒸汽温度偏离多少，高压缸第一级处温度也相应偏离多少。2432 图中

16、的横斜线表示不同高压调节汽门全开时、不同进汽压力下，由于汽轮机负荷的变化所引起的高压缸第一级处温度的变化，也可近似地表示为高压调节汽门在某一固定位置下，主蒸汽压力不同时所带的负荷。故在滑压调节负荷改变时，高压缸第一级处温度改变不大。2433 图中的虚斜线表示在不同的进汽压力下，高压调节汽门同时关小时，负荷改变所引起高压缸第一级处温度改变。这时，在高压缸第一级处温度的变化大于高压调节汽门在全开位置时滑压运行。即采用节流滑压混合调节改变负荷引起的高压缸第一级处温度变化比滑压运行时大。2434 不同的进汽压力下，由于依序改变高压调节汽门的开度，负荷变化时，引起高压缸第一级处温度的变化，其温度变化最大

17、。即采用喷咀调节改变负荷引起的高压缸第一级处温度变化最大。2435 若确定了高压缸第一级处温度变化，可根据选定的疲劳消耗指数，查出负荷变化所需的时间，即可确定负荷的变化率。25 启、停中轴封蒸汽温度的选择： 为了防止轴封区的转子在热应力的作用下产生裂纹损伤，在机组启动和停机时，轴封蒸汽温度与汽轮机转子表面的温度应尽量保持一致，哈尔滨汽轮机厂给出了轴封区转子寿命消耗计算曲线。251 图中轴封蒸汽和转子表面的温差越大，其裂纹产生前估算的循环次数越少。例如：T=167=2600次T=125=6600次T=111=10000次 一般建议蒸汽和转子表面的温差不超过111，即疲劳循环次数采用10000次。

18、252 冷态启动时，轴封汽源应采用低温汽源；而热态启动时，高温轴封区应采用高温汽源，低温轴封区应采用低温汽源，并尽可能的控制轴封蒸汽温度接近汽轮机转子温度。253 停机过程中轴封供汽的控制与热态启动时相同。26 停机方式的选择： 停机过程为启动过程的逆过程，金属材料的应力变化方向与启动过程相反，且由于一般金属材料抗拉应力的能力较抗压应力能力弱，而疲劳寿命消耗为一次启动过程疲劳寿命消耗和停机过程疲劳寿命消耗之和。因此，根据停机的目的，合理选择停机控制方式，控制汽轮机转子疲劳寿命消耗是十分必要的。261 调峰或辅机临修停机 机组在极热态启动时，汽轮机转子受到急剧冷却，产生很大的热冲击，汽轮机寿命消耗很大，一般为热态启动寿命消耗的三倍，为了避免停机后下次启动过程在极热态下进行，应采用喷咀调节控制方式进行停机，控制汽轮机缸温在下次启动时处于热态范围内。262 机组大修停机 为保证机组大修提前开工，缩短大修工期，停机后需要汽缸温度在较低的水平，可采用喷咀调节控制方式或滑参数方式停机，但由于汽轮机缸温变化大，疲劳寿命消耗较大。263 机组小修停机 根据机组小修项目确定停机控制方式，一般当汽轮机本体和润滑油系统没有检修工作时，根据机组小修工期可按节流控制方式进行停机，以保持停机后有较高的