项目7 任务7.1分析汽轮机受热的特点

授课教师：孙为民项目七电厂汽轮机的启动任务7.1分析汽轮机受热的特点第一部分PART

ONE汽轮机的受热特点第二部分PART

TWO热应力CONTENTS目录第三部分PART

THREE热膨胀与热变形汽轮机的受热特点第一部分汽轮机的受热特点4温度较高的蒸汽与冷的金属部件接触，这时主要以凝结换热的方式将蒸汽的热量传给金属壁面。由于凝结放热系数很高，且随压力升高而增大，所以汽轮机的通流部分金属表面包括汽缸内壁和转子表面温度很快上升到该蒸汽压力下所对应的饱和温度。汽轮机在启停和负荷变化过程中，各部件的金属温度都将发生变化，尤其在启动过程中，温度变化最为剧烈。如高参数大容量的汽轮机在冷态启动时，进汽部分的金属温度将由原来的室温升高到500℃以上，所以启动过程就其零部件而言是一加热过程。由于各部件的受热条件不同，从而在汽轮机各部件内部产生温度梯度，进而产生热应力、热变形。当热应力、热变形超出允许范围时，这些部件将产生永久变形甚至更严重的损坏。为保证汽轮机启动的安全性，必须了解并掌握汽轮机在启动过程中的受热情况。当汽轮机冷态启动时汽轮机的受热特点5当汽缸内壁和转子表面温度高于蒸汽压力下对应的饱和温度后，蒸汽主要以对流换热方式向金属传热。蒸汽的对流放热系数远小于凝结放热系数且不断变化，其大小主要取决于蒸汽流速和比容。通常蒸汽流速越高，比容越大，放热系数越大，传热量越大，从而使接触金属表面的温升率越大。因此，在启动过程中可以通过改变蒸汽的压力、温度、流量、流速等方法控制蒸汽对接触金属表面的对流放热量，从而把金属温升率控制在允许范围内。如汽缸壁的传热过程是：内壁以热对流形式吸收蒸汽的热量，然后通过热传导方式传给外壁。因为汽缸内外壁之间存在热阻，所以由傅立叶导热定律可知在汽缸壁内部存在温度梯度，因此产生汽缸内外壁温差。汽轮机各金属部件本身的换热过程是热传导过程。热应力第二部分热应力7汽轮机的启动与停机过程，是加热与冷却的过程。金属与蒸汽的温度差使各金属部件产生膨胀或收缩变形，受约束的热变形就产生热应力。另外材质不均也会导致热应力的产生。例如在启动过程中，汽缸内壁面受热膨胀，由于受到较低温度的外壁面的制约，从而内壁面产生压应力．外壁面产生拉应力，即热应力产生的规律是“热压冷拉”。停机过程与启动过程相反，因此汽轮机每启停一次，部件就受到压缩与拉伸的一次循环的交变应力。当启停频繁时，就形成低频率的交变应力。当热应力超过金属的许用应力值时，产生永久性的塑性变形。随着运行时间的增长，部件表面就会产生裂纹，使出现疲劳损伤，以致发生转子断裂事故。由此可见，产生热应力的条件是：①存在温差②受约束热应力8汽缸的热应力1因汽缸结构不同，不同的汽室换热情况不同，其中喷管调节汽轮机以高压缸调节级和中压缸进汽处蒸汽温度变化最大，热应力为最高。当温差消失后，残留的拉应力再加上蒸汽压差所引起的静拉力，很容易使汽缸产生裂纹。所以在启停过程中要严格控制调节汽室蒸汽温度的变化率，且汽轮机的快速冷却比快速加热更加危险。热态启动时若用低温蒸汽，使汽缸内壁受到骤然快速冷却，所以是非常危险的。例如运行实践证明，汽缸出现裂纹，大多由拉应力所引起。热应力9法兰的热应力2由于法兰内外壁温差较汽缸内外壁温差大，在很多场合这个温差可作为控制汽轮机启动速度的主要指标。对于大容量汽轮机的法兰，厚度通常很大，热阻很大，因此在法兰处常常出现最大温差，是热应力影响较大的区域。法兰本身除受热应力外，还要加上螺栓紧力和法兰与螺栓之间由于空气间隙存在产生温度差而引起的热应力。为防止热应力过大，在法兰上常常装有加热装置，并严格控制其内外壁温差，减小法兰与螺栓间的温度差。热应力10由于在启停过程中法兰与螺栓之间存在着较大的温差，启动时，法兰温度比螺栓温度高，由于法兰在厚度方向的膨胀使螺栓被拉长，产生热拉应力。螺栓本身就承受着安装预紧时的紧力和汽缸内部工作蒸汽对其产生的拉伸应力，三者叠加后的拉应力和可能超过材料的屈服极限，使螺栓产生塑性变形甚至断裂。螺栓的热应力3在汽轮机的启动过程中，汽缸螺栓断裂的事件屡有发生，特别是对于刚拧紧螺栓后汽轮机的启动。热应力11螺栓的热应力3由于法兰与螺栓之间存在温度差而产生的热拉应力的大小可用σt=EαΔt进行粗略计算。若金属材料一定，其弹性模数E和材料线膨胀系数α就一定。这时螺栓的热拉应力随法兰和螺栓的温差Δt的增大而增大。法兰和螺栓的温差一般不会成为影响机组升速及带负荷速度的因素。法兰内外壁温差使法兰沿宽度方向的各处在高度、厚度上膨胀不均，因而使螺栓产生弯曲应力。采用滑参数启动时，有可能造成较大的温差，此时螺栓的热应力将是值得注意的问题。但是，当使用法兰加热装置但调整不当时，公式表明：热应力12转子的热应力4随着机组容量的增大，汽轮机转子的直径也随着增大。为防止因材质不均而产生热应力，有些转子采用了空心转子。启动时，转子外表面温度上升速度较中心孔快的多，从而产生温差。外表面产生压缩应力，内孔表面产生拉伸应力。若表面温升剧烈，压缩应力会使表面材料屈服，在负荷稳定后，转子表面会受持续残余拉伸应力影响。停机过程与上相反，外表面受拉伸应力，可能与启动中的残余拉伸应力叠加而使拉伸应力达到较大值。这样一次的交变热应力虽不一定立即造成宏观可见的缺陷，但每一次的较大的热应力交变，都会消耗转子的使用寿命，经多次积累，最终使转子出现宏观裂纹损坏。热应力13热态启动时，如果新蒸汽温度没有保证调节级室汽温略高于金属温度，则使转子表面受到冷却，之后随着参数的提高，转子表面又被加热，因此使转子表面先受到拉伸应力，后受到压缩应力；内孔壁承受的则先是压缩应力，后是拉伸应力。这样，一次启动就形成了一次交变应力的循环。随着汽轮机容量的增大，转子直径越来越大，在启停过程中转子的热应力、热变形也就越大。这样转子的热应力是限制汽轮机运行的主要因素。运行中很难监测转子的温度或应力，试验证明，转子表面的温度变化和调节级汽缸内壁非常接近，只是稍有滞后，稳定工况下，二者基本相等。所以一般用监视和控制调节级汽缸内壁温度变化率的方法来控制转子的热应力。热膨胀与热变形第三部分热膨胀与热变形15（一）热膨胀汽缸的热膨胀1汽缸在被加热时在长、宽、高三个方向膨胀，其膨胀量除了与几何尺寸和金属材料的线膨胀系数有关外，主要取决于汽轮机通流部分的热力过程及汽缸各段金属温度的变化值。因为轴向长度最长，所以轴向膨胀是主要的。每一台运行中的汽轮机的轴向温度分布有一定的规律性，故总可以找到某一点的金属温度与汽缸自由膨胀值的对应关系。一般选择调节级区段的法兰内壁金属温度作为汽缸轴向膨胀的监视点。通过实测监视点温度与汽缸膨胀值的对应关系，可绘制出膨胀曲线，以后可以依据此曲线控制汽轮机运行。热膨胀THERMALEXPANSIONTHERMALEXPANSION热膨胀与热变形16在汽轮机的运行中，只要控制监视点的温度在允许的范围内，就能保证汽缸轴向膨胀符合启动和正常运行要求。监视汽缸热膨胀时，由于与转子热膨胀可能不同，导致机组动静部分之间的间隙可能改变，由于大型汽轮机的轴向间隙相当小，动静部分之间容易发生碰撞。所以在启停中，对汽缸膨胀的监视，应与监视金属温度和相对膨胀相互对照进行，以保证汽轮机的安全运行。在汽轮机的运行中监视汽缸热膨胀时热膨胀与热变形17汽缸与转子的相对膨胀2当汽缸以死点为基准向前膨胀时，通过推力轴承的带动，转子将一起向前移动；而转子受热后又以推力轴承为基点向后膨胀如图所示热膨胀与热变形18由于汽缸和转子的质面比(质量与蒸汽接触的表面积之比)不同，汽缸的较大，因此在启动初期，转子受热较快，从而产生相对膨胀。转子与汽缸沿轴向膨胀之差称为胀差或差胀。胀差或差胀转子的纵向膨胀值大于汽缸的轴向膨胀值时，胀差为正，反之，胀差为负值。一般规定在启动和增负荷过程中产生正胀差，停机和减负荷过程中产生负胀差。按此规定正胀差使动叶与下级静叶入口间隙减小；负胀差使本级动、静叶间隙减小。无论正负胀差，当超过允许值时，都将发生动静部件问的轴向摩擦而损坏。影响启动、停机过程中必须将胀胀控制在允许范围内。因此热膨胀与热变形19机组胀差的变化主要与下列因素有关▼①主、再热蒸汽的温升、温降率②轴封供汽温度的高低、以及供汽时间的长短③主、再热蒸汽的温升、温降率④暖机时间的长短⑤凝汽器真空的变化⑥负荷变化速度⑦摩擦鼓风损失⑧转子回转(泊桑)