分析強(qiáng)制冷卻對(duì)200MW汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子壽命損耗的影響

1、分析強(qiáng)制冷卻對(duì)200mw汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子壽命損耗的影響汽輪機(jī)停機(jī)后的自然冷卻時(shí)間往往長達(dá)數(shù)天，占用了消缺檢修的時(shí)間，從而嚴(yán)重延遲了機(jī)組的起動(dòng)發(fā)電時(shí)間，降低了機(jī)組的可用率。在事故搶修情況下，該矛盾尤為突出，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)用快冷技術(shù)，對(duì)空氣強(qiáng)制冷卻可以縮短停機(jī)時(shí)間，提高發(fā)電機(jī)組可用率。在當(dāng)前電力供應(yīng)緊張的形勢(shì)下，快冷技術(shù)的運(yùn)用，可以直接增加機(jī)組的發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量，緩解當(dāng)前的缺電局面，具有更加顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。在快冷技術(shù)應(yīng)用趨于普遍的同時(shí)，近年各電廠和研究單位開始關(guān)注快冷過程中汽輪機(jī)的壽命損耗問題。空氣強(qiáng)制冷卻會(huì)產(chǎn)生冷沖擊，部件溫度變化加快，熱應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加，是否會(huì)對(duì)汽輪機(jī)部件造成過大

2、的損傷和壽命損耗，如果快冷過程中，機(jī)組壽命損耗不大的話，其冷卻速率能否進(jìn)一步加快，以產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。1機(jī)組快速冷卻過程1.1快冷系統(tǒng)和運(yùn)行參數(shù)控制沙角a電廠13號(hào)00mw汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的n200-130/535/535型一次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，在大小修停機(jī)和搶修中多次投入快冷。投用強(qiáng)冷裝置時(shí)，汽缸金屬溫度降低的速率控制在35/h，停機(jī)后盤車?yán)鋮s時(shí)間由57天縮短到34天。高壓缸和中壓缸的快冷系統(tǒng)均采用空氣順流冷卻方式，對(duì)高壓缸的法蘭螺栓和夾層也可以實(shí)施冷卻，是目前國內(nèi)較為成熟的快冷系統(tǒng)布置方式。快冷的關(guān)鍵在于控制冷卻速度、冷卻介質(zhì)與金屬表面的溫差。沙角a電廠對(duì)200mw機(jī)

3、組快冷進(jìn)氣溫差的規(guī)定：當(dāng)高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度高于300，則快冷氣進(jìn)氣溫度應(yīng)比高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度低60；當(dāng)高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度高于200，則快冷氣進(jìn)氣溫度應(yīng)比高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度低80；當(dāng)高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度高于100，則快冷氣進(jìn)氣溫度應(yīng)比高壓內(nèi)上缸內(nèi)壁金屬溫度低100。1.2沙角a廠3號(hào)機(jī)組的實(shí)際快冷投運(yùn)過程為配合沙角a電廠3號(hào)機(jī)第4次大修汽輪機(jī)三缸通流的改造大修，搶奪工期，在大修停機(jī)中實(shí)施了滑參數(shù)停機(jī)與停機(jī)后快速冷卻相結(jié)合的停機(jī)快冷方式。2002年3月3日零時(shí)11分，利用周日調(diào)峰機(jī)會(huì)，3號(hào)機(jī)組開始滑參數(shù)停機(jī)，滑停前機(jī)組負(fù)荷為140mw，主蒸汽溫度為476，主蒸汽壓力為6.8mpa

4、，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上壁溫度為463。3月3日5時(shí)41分，負(fù)荷到0，打閘停機(jī)，此時(shí)主蒸汽溫度為57，主蒸汽壓力為2.5mpa，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上壁溫度為51?；＿^程平均降壓速度0.013mpa/min，降溫速率為0.664/min。打閘之后轉(zhuǎn)子惰走時(shí)間為1min。本次滑停操作非常成功，最終滑停時(shí)參數(shù)較低，為縮短冷卻盤車時(shí)間創(chuàng)造了有利條件。經(jīng)過一段時(shí)間的自然冷卻，3月3日下午14時(shí)20分開始投入快冷裝置運(yùn)行，此時(shí)高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上壁溫度為242，設(shè)定快冷裝置加熱后的壓縮空氣溫度為150，二者的溫差為90。3月4日凌晨5時(shí)45分，高壓內(nèi)缸內(nèi)壁上壁溫度降至148，停盤車，停止快冷運(yùn)行?？炖溥^程中高壓脹差控制在1

5、.21.6mm，中壓脹差控制在00.33mm，都在運(yùn)行規(guī)程允許的正常范圍之內(nèi)。1.3沙角a廠3號(hào)機(jī)停機(jī)過程中的參數(shù)變化趨勢(shì)a)滑停階段，3號(hào)機(jī)主蒸汽溫度的變化趨勢(shì)，見圖1所示。b)快冷階段高壓內(nèi)缸上半內(nèi)壁溫和壓縮空氣溫度變化趨勢(shì)，見圖2所示。由圖2可見，壓縮空氣溫度與高壓內(nèi)缸上半缸內(nèi)壁溫度降低的速率和趨勢(shì)是一致的，且二者之間的溫差在80100內(nèi)。2汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)、應(yīng)力分布?jí)勖鼡p耗計(jì)算模型在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力壽命評(píng)估時(shí)，對(duì)汽輪機(jī)壽命最薄弱的環(huán)節(jié)高壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布計(jì)算。在快冷過程中，汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子蒸汽溫度變化最劇烈的部位是與冷卻壓縮空氣接觸的調(diào)節(jié)級(jí)，現(xiàn)將此處定為快冷壽命考察的重點(diǎn)

6、部位，以求得不同強(qiáng)冷速率對(duì)汽輪機(jī)壽命的影響情況。2.1汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型2.1.1軸對(duì)稱二維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的模型計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子是一個(gè)均勻、各向同性無內(nèi)熱源的物體，屬于解軸對(duì)稱非定常溫度函數(shù)問題，其溫度t應(yīng)滿足下列偏微分方程式：式中:t轉(zhuǎn)子任意一點(diǎn)的溫度;ti轉(zhuǎn)子初始溫度；a轉(zhuǎn)子材料導(dǎo)溫系數(shù)，a=/cp；tf與轉(zhuǎn)子表面接觸的蒸汽溫度；蒸汽與轉(zhuǎn)子表面的放熱系數(shù)；時(shí)間；cp轉(zhuǎn)子材料比熱；轉(zhuǎn)子材料導(dǎo)熱系數(shù)；轉(zhuǎn)子密度；r轉(zhuǎn)子監(jiān)視段徑向任一點(diǎn)的半徑；rext轉(zhuǎn)子外半徑；rint轉(zhuǎn)子內(nèi)半徑?？梢杂米兎衷韺⒋朔匠剔D(zhuǎn)化為求泛函的極值，并通過求解區(qū)域的離散化來求解。2.1.

7、2高中壓轉(zhuǎn)子材料換熱系數(shù)的計(jì)算國產(chǎn)高壓機(jī)組中高中壓轉(zhuǎn)子的材料多為30cr2mov低碳合金鋼，其物理特性隨溫度變化而變化。因?yàn)?0cr2mov鋼的換熱系數(shù)在400時(shí)為最大，見文獻(xiàn)1和圖1，這對(duì)安全生產(chǎn)有利。換熱系數(shù)的計(jì)算在蒸汽傳熱階段，換熱系數(shù)與轉(zhuǎn)速、蒸汽壓力相關(guān)。在一般精度計(jì)算時(shí)，可以把這歸納為與蒸汽壓力的關(guān)系，即：式中：p高壓調(diào)節(jié)級(jí)或中壓第一級(jí)處的蒸汽壓力；n轉(zhuǎn)速(在強(qiáng)冷階段，空氣與轉(zhuǎn)子間的換熱系數(shù)，取文獻(xiàn)4中推薦的最大值200w/(m2k)。2.2汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算模型對(duì)壽命影響最大的是溫差大和應(yīng)力集中的部位。經(jīng)過分析比較，把高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)后的葉輪根部作為危險(xiǎn)部位來重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和考察計(jì)算。2.

8、2.1熱應(yīng)力計(jì)算將轉(zhuǎn)子視為無限長圓柱體，設(shè)轉(zhuǎn)子的外徑為rext，內(nèi)徑為rint(斷面上溫度的分布對(duì)稱于分布轉(zhuǎn)子的軸線)，則由彈性力學(xué)中的物理方程、平衡方程、幾何方程，可以得出計(jì)算轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的通用計(jì)算式為：式中：e材料彈性模量;材料線脹系數(shù);v泊桑比；溫度與圓柱體體積平均溫度的差，t為外表面或中心孔溫度。2.2.2離心應(yīng)力的計(jì)算轉(zhuǎn)子上除了熱應(yīng)力之外，還存在由離心力、蒸汽壓力及作用力、轉(zhuǎn)子自重等因素產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，其中除由離心力產(chǎn)生的切向應(yīng)力較大外，其它各項(xiàng)應(yīng)力對(duì)于機(jī)組的起動(dòng)安全及壽命損耗來說，一般都可以忽略不計(jì)。在任意轉(zhuǎn)速下的離心應(yīng)力值為：式中：n任意轉(zhuǎn)速n下的離心切向應(yīng)力;額定轉(zhuǎn)速n0下的切向

9、離心應(yīng)力。2.2.3轉(zhuǎn)子的合成應(yīng)力轉(zhuǎn)子外表面及中心孔只存在軸向及切向應(yīng)力，徑向應(yīng)力為零，切向應(yīng)力既有熱應(yīng)力又有離心應(yīng)力，當(dāng)忽略軸向熱流的影響時(shí)，軸向熱應(yīng)力與切向相等，此處軸向應(yīng)力主要是熱應(yīng)力th，切向應(yīng)力為切向熱應(yīng)力與離心力引起的切向機(jī)械應(yīng)力之和。在這種應(yīng)力狀態(tài)下，根據(jù)第一強(qiáng)度定理，可以得到:式中：eq轉(zhuǎn)子中心孔或外表面處的合成應(yīng)力。2.2.4熱應(yīng)力集中現(xiàn)象在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子外表面的葉輪根部圓角、軸肩以及槽溝等部位，都存在不同程度的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，在機(jī)組起停時(shí)，這些部位特別是軸封彈性槽處的熱應(yīng)力可能達(dá)到較高的水平，導(dǎo)致疲勞裂紋首先在這些應(yīng)力集中部位發(fā)生和發(fā)展，是影響機(jī)組起停安全和壽命損耗的重點(diǎn)部位。

10、應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力與無應(yīng)力集中時(shí)光軸上的公稱應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，即對(duì)于熱應(yīng)力集中系數(shù)kth，國內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究，可以根據(jù)資料或經(jīng)驗(yàn)公式求得?？紤]熱應(yīng)力集中系數(shù)kth，轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力值為：2.3壽命損耗的計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命系指其金屬材料的使用壽命，包括由于汽輪機(jī)的起停及變負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致的低周疲勞壽命損耗和材料在高溫狀態(tài)下受應(yīng)力作用的蠕變壽命損耗。2.3.1載荷譜應(yīng)用雨流法，對(duì)應(yīng)力譜進(jìn)行分解可以獲得與這個(gè)應(yīng)力譜等效的應(yīng)力循環(huán)序列，進(jìn)而得到應(yīng)變循環(huán)序列，通過應(yīng)變和壽命損耗的關(guān)系及壽命損耗的線性累積準(zhǔn)則(miner準(zhǔn)則)，計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)的壽命損耗值。2.3.1低周疲勞壽命損耗的計(jì)算沙

11、角a電廠國產(chǎn)汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子材料30crmov的低周疲勞解析式為式中：n總應(yīng)變量；t循環(huán)周次。2.3.3高溫蠕變壽命損耗可用轉(zhuǎn)子在不同溫度區(qū)域運(yùn)行的時(shí)間累積值來計(jì)算高溫蠕變壽命損耗。2.3.4總壽命損耗根據(jù)miner公式，假設(shè)壽命損耗由低周疲勞壽命損耗和高溫蠕變壽命損耗兩部分線性累加構(gòu)成，則壽命損耗的計(jì)算公式如公式(9)。式中：ni循環(huán)應(yīng)力作用下，實(shí)際循環(huán)周次;ni循環(huán)應(yīng)力作用下，材料失效循環(huán)周次;tj在j溫度條件下，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間;tbj在j溫度條件下，材料蠕變失效時(shí)間。miner準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)壽命損耗累積達(dá)到1時(shí)，就有可能出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際操作過程中，為了安全起見，有時(shí)在e=0.5時(shí)，就認(rèn)為壽命終

12、了。第7/11頁33號(hào)機(jī)組停機(jī)和快冷過程汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的壽命損耗計(jì)算結(jié)合沙角a電廠3號(hào)機(jī)組快冷系統(tǒng)投入運(yùn)行的情況和數(shù)據(jù)，運(yùn)用前述的數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法，對(duì)快冷過程汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的壽命損耗進(jìn)行了計(jì)算。3.1應(yīng)力和壽命損耗從汽輪機(jī)減負(fù)荷開始，到汽機(jī)快冷結(jié)束的整個(gè)停機(jī)過程中，汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)處的應(yīng)力變化趨勢(shì)見圖3。從圖3中可以看出，在停機(jī)過程中高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了一個(gè)應(yīng)力的主峰值和次峰值，最大應(yīng)力峰值491mpa出現(xiàn)在滑參數(shù)停機(jī)過程中；次峰值117mpa出現(xiàn)在滑參數(shù)停機(jī)完畢之時(shí)。由此計(jì)算得出:本次停機(jī)過程中機(jī)組的具體壽命損耗為0.00576%，壽命損耗相當(dāng)小。3.2壽命損耗計(jì)算結(jié)果分析由于沙角a電廠3號(hào)機(jī)

13、組的快冷停機(jī)過程的壽命損耗為0.00576%，這樣，從ge公司、日本三菱公司、上海汽輪機(jī)廠等各汽輪機(jī)制造廠制定的壽命分配數(shù)據(jù)看，提供的周末停機(jī)一次的壽命損耗分配值為0.002%或0.01%，可以說明本次滑停加上快冷的停機(jī)過程的壽命損耗值在各汽輪機(jī)制造廠制定的壽命分配數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，屬于停機(jī)正常的壽命損耗。由此也可以看出，本次快冷過程，高壓內(nèi)缸上缸內(nèi)壁溫度的平均冷卻速率為6.1/h。在目前的冷卻速率下，快冷停機(jī)過程壽命損耗較小且在正常范圍之內(nèi)，與正常的停機(jī)壽命損耗相當(dāng)，此冷卻速率屬于合理范圍之內(nèi)，也說明本次快冷停機(jī)過程是安全、成功的。4不同強(qiáng)冷速率對(duì)壽命損耗影響的計(jì)算分析在當(dāng)前我國電力供應(yīng)形勢(shì)緊張

14、的背景下，汽輪機(jī)快冷過程的冷卻速率如果進(jìn)一步加快的第8/11頁話，可以進(jìn)一步縮短停機(jī)時(shí)間，產(chǎn)生更大的效益，為此，文章將探討在更快的冷卻速率下機(jī)組壽命的損耗問題，以求其實(shí)施起來的可行性。為了探討機(jī)組快冷冷卻速度的潛力，以及快冷的優(yōu)化方式，本文還模擬了機(jī)組兩個(gè)冷卻速率更高的快冷工況并進(jìn)行了壽命損耗的計(jì)算，并與前述實(shí)際快冷實(shí)驗(yàn)過程的壽命損耗進(jìn)行對(duì)比，以探討相關(guān)的結(jié)論。4.1三種強(qiáng)制冷卻工況的壽命損耗對(duì)比計(jì)算通過模擬提高快冷過程中壓縮空氣的溫度與高壓內(nèi)缸上缸內(nèi)壁溫度之間的溫差，來得到冷卻速率較高的兩個(gè)模擬工況。在模擬工況1下，滑停階段的速率不變，而在快冷階段，高壓內(nèi)缸上半缸內(nèi)壁溫度的下降速率為14.1

15、/h，停機(jī)后冷卻時(shí)間為15h10min(含自然冷卻時(shí)間8h40min)。在模擬工況2下，滑停階段的速率不變，而在快冷階段，高壓內(nèi)缸上半缸內(nèi)壁溫度的下降速率為8.4/h。停機(jī)后冷卻時(shí)間為19h10min(含自然冷卻時(shí)間8h40min)。由此可以得出在兩種模擬工況和實(shí)際工況下，快冷階段高壓內(nèi)缸上半缸內(nèi)壁溫度隨時(shí)間下降的具體趨勢(shì)，見圖4。經(jīng)過計(jì)算，三種工況停機(jī)過程的高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級(jí)區(qū)域的應(yīng)力譜見圖5。4.2三種強(qiáng)制冷卻工況的壽命損耗對(duì)比計(jì)算結(jié)果分析從應(yīng)力譜曲線的趨勢(shì)來看，三條曲線在滑停階段和自然冷卻階段的應(yīng)力譜分布是完全一致的。這是由于在三個(gè)工況下，兩個(gè)階段的冷卻數(shù)據(jù)完全一致的。最大應(yīng)力峰值(491mpa)出現(xiàn)在滑停過程中，而快冷階段三個(gè)工況的應(yīng)力分布出現(xiàn)不同，模擬工況1的應(yīng)力水平較高；模擬工況2的應(yīng)力水平次高；實(shí)際快冷工況的應(yīng)力譜分布水平最低。從整個(gè)曲線看，快冷過程的應(yīng)力走向較為平穩(wěn)，而且應(yīng)力水平較低，不超過71mpa，但三條曲線的總體分布是一致的。壽命計(jì)算結(jié)果得出在三個(gè)工況下停機(jī)過程中的壽命損耗值均為0.00576%，可見快冷階段應(yīng)力水平的變化較小，并未對(duì)汽輪機(jī)的壽命損耗產(chǎn)生影響。模擬工況下加快冷卻速率，對(duì)汽輪機(jī)