超超临界1000mw汽轮机热应力的仿真分析

超超临界1000mw汽轮机热应力的仿真分析

近年来，中国先后建成了一系列拥有1000mw以上拆卸厂的发电装置。这些装置的机车主要由三个国内主机制造商（以下简称上汽、东汽和哈汽）生产和制造。这些高质量、高参数和大型功率的国际先进技术的研究是非常必要的。相比国内其他类型机组,上汽-西门子型1000MW超超临界汽轮机所采用的热应力监测和自动控制技术先进、简捷实用,其热应力监测点多,转子温度的仿真计算非常有特色,并引入温度裕量的计算,能全过程实现热应力的自动闭环控制。1热应力的物理作用在启停和变工况过程中,进入汽轮机的蒸汽温度和流量发生变化,使得直接接触蒸汽的阀体、汽缸和转子表面温度也发生变化,通过热传导,这些部件的内部温度也发生相应变化。当温度改变时,物体由于外在约束及内部各部分之间的相互约束,使其不能完全自由胀缩而产生应力,这种由于温度变化而产生的应力称热应力。例如汽轮机的汽缸在启动或加负荷时,内壁因受到蒸汽直接加热,温度较外壁高,但内侧的膨胀被温度较低的外侧所约束,结果使内壁产生压应力,外壁产生拉应力;相反,在汽轮机停机或减负荷时,随着蒸汽参数的降低,内壁首先受到冷却,外壁则缓慢地冷却,结果在内壁产生拉应力,外壁产生压应力。按照热弹性理论,理想物体的热应力有如下关系式:式中:σs为物体表面的热应力;E为材料的弹性模量;a为材料的线膨胀系数;μ为材料的泊松比;ta为物体的体积平均温度;ts为物体的表面温度。从式(1)可知,当与物体材料相关的系数一定的情况下,理想物体的热应力大小与物体内部的温度梯度成正比。2高压转子温度和体积平均温度差值的计算西门子1000MW超超临界机组热应力监测点有5个(国内其他机组一般只监测高中压转子),分别为高压主汽门阀体(HPESV)、高压调门阀体(HPCV)、高压缸外缸(HPCASING)、高压转子(HPSHAFT)和中压转子(IPSHAFT)。这些部件均可视为理想物体,同时进行相应简化处理,如将汽轮机转子视为无限长的圆柱体,汽缸和阀体则为空心圆柱体,对这些部件的温度场和应力场简化为一维径向不稳定导热问题。由式(1)可知,这些部件的热应力与其内部的温度变化有关,采用表面温度和体积平均温度的差值来表征相应部件热应力的大小。高压主汽门、高压调门和高压外缸分别安装了100%插入深度和50%插入深度的2支热电偶直接进行温度测量。100%插入深度处的温度Ts表示直接接触蒸汽并进行热交换的阀体(缸体)温度,50%插入深度处的温度Ta表示阀体(缸体)的平均温度,由于热传导的延迟,Ta的变化总会慢于Ts的变化,从而存在温差,这一温差的大小即代表热应力的大小。对于高中压转子,目前的手段不能实测转子的温度,只能采用仿真计算方法。该方法是在大量实验的基础上,对热传导的边界条件进行简化处理,计算过程简捷明了。首先用测得的高压(中压)内缸温度近似表示高压(中压)转子表面的温度Ts,再计算转子动叶根部的温度来表示转子平均温度Ta。转子表面温度Ts和转子平均温度Ta的差值就代表转子应力的大小。高压转子平均温度的仿真计算过程如图1所示,中压转子的计算过程类似。图1中系数A1、A2、A3和热传导率有关,用于计算惯性时间;R为体积平均温度处的轴半径;E2、E3为惯性时间的比例系数;K1、K2、K3为一阶惯性环节的比例系数,3个系数之和等于1。转子平均温度的计算也可用随时间t而变化的函数式来表示:式中:T1、T2、T3为惯性时间,和转子材料、体积平均温度处的轴半径及转子平均温度本身有关。某次冷态启动时,高压转子表面温度、平均温度、中心温度和汽轮机转速、负荷的关系曲线见图2。机组启动或加负荷过程中,蒸汽对转子进行加热,转子表面温度先升高,经过热传导,转子的平均温度开始升高,最后,转子中心温度也升高;停机或减负荷过程中则相反。需指出,上述一些重要温度的测量都采取了三重化冗余配置,以确保热应力监控的可靠性。3不同工况下的温度波动通过温度实测或仿真计算掌握了汽缸、转子等部件的应力大小,如何进行热应力控制?这里引入了温度裕量的计算,通过温度裕量自动控制汽轮机的热应力。每个部件都有一个允许的温度变化裕量(或允许的热应力大小),允许值和选择的机组启动模式有关,分为快速、正常和慢速启动3种,快速启动的允许温度裕量最大,正常启动次之,慢速启动最小。以高压外缸为例,其允许的温度变化裕量见图3。图3中上面3条曲线表示加负荷即对汽缸进行加热过程中的允许温度变化裕量,分3种模式;下面那条曲线表示减负荷即对汽缸进行冷却过程中的允许温度变化裕量。各部件的允许温度裕量已在汽轮机DEH控制系统中设置好,这一裕量减去实际温度差值即为剩余温度裕量,分剩余上升裕量和剩余下降裕量2种,其计算公式分别为:式中:Tmu为剩余上升温度裕量;Tml为剩余下降温度裕量;Tpu为允许的上升温度裕量;Tpl为允许的下降温度裕量;Tc为部件实际温度差值,即Tc=Ts-Ta。允许的温度裕量总是正的,但实际的温度差Tc有正有负。当负荷上升,蒸汽温度上升时,Tc为正;当负荷下降,蒸汽温度下降时,Tc为负。当剩余温度裕量为正时,表示最大允许的温度差还未达到,机组负荷还有上升(或下降)空间;当剩余温度裕量为零或为负时,表示允许的温度差已达到或超过了。这些部件的剩余温度裕量都以数字和棒状图的形式显示在操作员画面上,给运行人员提供操作指导。4机组动态调速器制制度通过计算得出各部件的温度裕量后,就可根据温度裕量实现汽轮机热应力的自动控制,主要体现在以下4个方面:用温度裕量参与计算各种X准则,判断冲转、升速、并网等条件是否满足,实现汽轮机自启动;通过温度裕量实现汽轮机冲转阶段的高压级压力控制,以降低高压缸部分的热应力;各部件剩余裕量中的最小值作为机组当前有效的温度裕量,并据此来控制汽轮机转速或负荷变化速率;利用温度裕量计算最佳主蒸汽温度和再热蒸汽温度,实现热应力的最优控制。4.1暖机转速和并网带负荷的传统控制策略西门子1000MW超超临界汽轮机的自动化程度较高,通过执行汽轮机主顺控自动完成整个启动过程,即从冲转、升速到暖机转速、低速暖机、升速到额定转速、高速暖机一直到并网带负荷(见图4)。在各个阶段,主顺控会进行一些X准则的判断,确定热应力是否符合要求,以决定是否可进行下一步,或继续等待,直到条件满足。这些判断由程序根据各部件的剩余温度裕量进行计算并自动实现,无需运行人员干预,从而确保热应力不超限。4.2高压缸内的热应力高压级压力控制在执行汽轮机主顺控时自动投入,当汽轮机转速大于一定值后自动退出,主要目的是减小汽轮机开始冲转到低速暖机过程中高压缸部分的热应力。当汽轮机冷态启动时,蒸汽对高压缸和高压转子先进行凝结放热,接着是对流换热。凝结放热在饱和温度点进行,饱和温度越高,则放热系数越大,传热量也就越大。为了限制饱和温度的上升速率,避免凝结放热对部件带来不允许的热应力,有必要在暖机过程中采用压力控制适度地建立高压级压力。高压级压力设定值由高压缸和高压转子允许的上升温度裕量计算得到。4.3转速随温度变化速率的变化阀体、汽缸、转子等部件中剩余温度裕量的最小值作为机组当前有效的温度裕量,该值的大小直接影响汽轮机转速或负荷的变化速率,其关系式如下:式中:RS为转速允许变化速率,r/min2;RL为负荷允许变化速率,%/min;Tm为剩余上升(或下降)温度裕量,℃。由式(5)、(6)可知,当温度裕量为0时,则会闭锁汽轮机转速(负荷)的变化;当温度裕量大于30℃时,则汽轮机转速(负荷)的变化率最大可为每分钟600r/min(10%额定负荷);当温度裕量在0~30℃变化时,转速(负荷)的变化速率也在0和最大值之间变化。最终有效的转速(负荷)变化率还会受到运行人员手动设定等其他因素的限制。4.4目标值的确定根据汽轮机的剩余温度裕量,计算得出最佳主蒸汽温度和再热蒸汽温度,送至机组协调控制系统,按照这一数值控制锅炉出口汽温,既可满足汽轮机的热应力要求,又尽可能地缩短了启动时间。最佳主蒸汽温度计算包括3部分:目标值生成、目标值修正和变化速率。最佳主蒸汽温度的目标值是汽轮机主要部件的温度裕量被充分利用的最大允许温度。考察的部件有高压主汽门、高压调门、高压缸和高压转子,各部件的剩余温度裕量分别加上相应的部件平均温度,再加上考虑管道损失和换热温差的数值,选取上述4个计算值的小值,再进行高限和低限处理,最终还要和两侧主蒸汽温度高值进行低选才形成目标值。当某些条件满足时,会触发对目标值的修正,该修正值也是最小剩余上升温度裕量的函数,在0~30℃变化。最佳主蒸汽温度的变化速率也有一定限制,当高压缸部分最小的剩余上升温度裕量大于5℃时,上升速率为正,其值是最小裕量的函数,最大可达10℃/min。当最小的温度裕量小于0℃时,最佳温度值开始下降,下降速率也是最小裕量的函数,最大为2℃/min。另外,在某些情况下变化速率变为0,即闭锁设定值变化。最佳再热蒸汽温度的计算和主蒸汽温度类似,只是考察热应力情况的部件变为中压