汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測與分析

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測與分析付忠廣博士/教授能源與動(dòng)力工程學(xué)院副院長電站機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)研究所所長fzg@1/11/20231汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班主要內(nèi)容一、電網(wǎng)調(diào)峰與火電大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行二、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析三、金屬材料的損傷及其影響因素四、壽命管理及壽命損耗五、汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線監(jiān)測1/11/20232汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班我國人均發(fā)電量與西方主要國家比較國家項(xiàng)目美國日本中國年份1942196719902000201020202050人均發(fā)電量kWh/人.年350050005471106212924284502摘自—中國能源戰(zhàn)略研究總報(bào)告

—中國工程院咨詢報(bào)告97-00-01-01

國家電力需求1/11/20233汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班我國人均發(fā)電量與發(fā)達(dá)國家差距目前我國人均耗電水平與發(fā)達(dá)國家人均耗電平均水平差距高達(dá)8547千瓦﹒小時(shí)。1/11/20234汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班我國電網(wǎng)峰谷差據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國華北電網(wǎng)最高負(fù)荷31010MW，最低21090MW，最大峰谷差8980MW；東北電網(wǎng)最高負(fù)荷23350MW，最低14470MW，最大峰谷差8240MW；華東電網(wǎng)最高負(fù)荷29250MW，最低17200MW，最大峰谷差10530MW；華中電網(wǎng)最高負(fù)荷22970MW，最低11840MW，最大峰谷差10470MW；西北電網(wǎng)最高負(fù)荷12010MW，最低8760MW，最大峰谷差為3070MW。北京地區(qū)2005年夏季最大負(fù)荷已達(dá)10650MW，最大峰谷差已突破5000MW。電網(wǎng)中的峰谷差不僅與季節(jié)有關(guān)，而且每周、每日的不同時(shí)間也不盡相同。1/11/20235汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班電網(wǎng)負(fù)荷曲線1/11/20236汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班電網(wǎng)的調(diào)峰問題隨著社會的發(fā)展，我國供電能力大幅度提高。同時(shí)，電網(wǎng)的負(fù)荷特性也發(fā)生了很大的變化，電網(wǎng)的峰谷差很大，商業(yè)用電、生活用電比例激增。1/11/20237汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班調(diào)峰問題及其現(xiàn)狀電力需求結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差增大，供電緊張我國電網(wǎng)的問題主要表現(xiàn)為：高峰期電力短缺電網(wǎng)峰谷差大最大負(fù)荷增長的波動(dòng)性加大電網(wǎng)調(diào)峰困難1/11/20238汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班電網(wǎng)峰谷差增大的主要原因第二產(chǎn)業(yè)用電比重減小第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電比重相應(yīng)提高電網(wǎng)高峰負(fù)荷中，空調(diào)負(fù)荷大約占30%，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，可能要大于這個(gè)數(shù)字工業(yè)內(nèi)部高耗電行業(yè)（冶金、化工、建材等）和傳統(tǒng)行業(yè)（紡織、煤炭等）用電比重減小，低電耗、高附加值產(chǎn)業(yè)的用電比重相應(yīng)提高1/11/20239汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班電網(wǎng)的調(diào)峰手段水電機(jī)組調(diào)峰抽水蓄能調(diào)峰機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組調(diào)峰聯(lián)合循環(huán)機(jī)組調(diào)峰火電機(jī)組調(diào)峰1/11/202310汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202311汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（1）我國水電的總體調(diào)峰容量十分有限主要是水電站季節(jié)貧水欠發(fā)時(shí)間長，有很多是徑流式，汛期庫容小，不宜棄水調(diào)峰；水電站要服從于水利樞紐工程的綜合利用，充分兼顧防洪、發(fā)電和航運(yùn)的作用，特別是汛期，發(fā)電必須服從于防洪。因此火電機(jī)組的調(diào)峰壓力很大。1/11/202312汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（2）部分地區(qū)，如山東等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的東部地區(qū)，受水力資源限制，基本沒有可供經(jīng)濟(jì)開發(fā)的抽水蓄能水電站站址抽水蓄能電站的建設(shè)要有合適的地形和水源，條件好的抽水蓄能電站的站址越來越少，而且抽水蓄能電站一般造價(jià)高（需要引進(jìn)可逆式機(jī)組）、建設(shè)周期長1/11/202313汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班“十五”期間電力工業(yè)的主要任務(wù)

在水能資源貧乏（華東、華北等）、調(diào)峰能力弱、系統(tǒng)峰谷差大的電網(wǎng)，在對各種調(diào)峰手段進(jìn)行充分技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證和電網(wǎng)調(diào)峰規(guī)劃的基礎(chǔ)上，選擇經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)良站址，適當(dāng)建設(shè)抽水蓄能電站。1/11/202314汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班我國已建抽水蓄能電站情況單位：萬千瓦電網(wǎng)省份電站名稱裝機(jī)容量華北電網(wǎng)河北崗南1.1河北潘家口27北京市密云2.2北京市十三陵80華東電網(wǎng)浙江天荒坪180浙江溪口8江蘇沙河10安徽響洪甸8華中電網(wǎng)湖北天堂7四川寸塘口0.2河南回龍12西藏電網(wǎng)西藏自治區(qū)羊卓雍湖9南方電網(wǎng)廣東廣州240合計(jì)

584.51/11/202315汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班到2005年底，全國建成投產(chǎn)的抽水蓄能電站共13座，裝機(jī)容量584.5萬千瓦（不含臺灣省，其中密云抽水蓄能電站2.2萬千瓦已停用），占全國總發(fā)電裝機(jī)容量的1.15%。1/11/202316汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班全國在建抽水蓄能電站情況單位：萬千瓦電網(wǎng)省份電站名稱裝機(jī)容量備注東北電網(wǎng)吉林白山30計(jì)劃2006年9月末工程竣工遼寧蒲石河120計(jì)劃2010年12月全部機(jī)組投入運(yùn)行華北電網(wǎng)河北張河灣100計(jì)劃2009年底首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電山東泰安100計(jì)劃2006年12月全部機(jī)組投入運(yùn)行山西西龍池120計(jì)劃2009年底首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電華東電網(wǎng)浙江桐柏120計(jì)劃2006年底全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電安徽瑯琊山60計(jì)劃2007年12月全部建成投產(chǎn)江蘇宜興100計(jì)劃2009年6月機(jī)組全部建成投產(chǎn)華中電網(wǎng)南方電網(wǎng)湖北白蓮河120計(jì)劃2008年底首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電河南寶泉120計(jì)劃2009年全部建成廣東惠州240計(jì)劃2011年全部建成合計(jì)

12301/11/202317汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班在建抽水蓄能電站11座，裝機(jī)規(guī)模為1230萬千瓦（不含臺灣省，其中國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)990萬千瓦，南方電網(wǎng)公司系統(tǒng)240萬千瓦）。有學(xué)者曾用規(guī)劃論方法進(jìn)行分析，認(rèn)為抽水蓄能機(jī)組在電網(wǎng)中的比例在8－14%之間是比較合理的。1/11/202318汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（3）受油氣資源限制，一些地區(qū)沒有燃油或天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電用于調(diào)峰1/11/202319汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（4）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，受區(qū)域電網(wǎng)潮流及負(fù)荷聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定極限的制約，導(dǎo)致電網(wǎng)局部地區(qū)負(fù)荷分配不合理，造成局部“窩電”、“欠電”現(xiàn)象，被迫加大電網(wǎng)調(diào)峰的現(xiàn)象普遍發(fā)生。1/11/202320汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（5）電源結(jié)構(gòu)不合理，火電機(jī)組所占比例大，但沒有相應(yīng)的火電調(diào)峰電站；供熱機(jī)組多數(shù)是以熱定電，調(diào)峰能力差，2000年10萬千瓦及以下凝汽機(jī)組和小于0.6萬千瓦的小火電共計(jì)6000多萬千瓦退役。據(jù)介紹，我國2007年關(guān)停小火電機(jī)組1438萬千瓦。山東、河南分別關(guān)停了171.7萬千瓦、154.3萬千瓦。在“十一五”期間計(jì)劃關(guān)停小火電機(jī)組5000萬千瓦。我國將實(shí)行節(jié)能發(fā)電調(diào)度，即按照發(fā)電機(jī)組消耗的化石燃料確定其發(fā)電量。1/11/202321汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班國內(nèi)調(diào)峰現(xiàn)狀

我國各電網(wǎng)均存在著火電機(jī)組調(diào)峰能力不足問題。我國火電機(jī)組約占總裝機(jī)容量的73％，而國產(chǎn)大機(jī)組大多數(shù)是以帶基本負(fù)荷設(shè)計(jì)的，主輔機(jī)均難以適應(yīng)大幅度調(diào)峰運(yùn)行的要求，使調(diào)峰能力不高。因此隨著峰谷差的日益增大，我國電網(wǎng)的調(diào)峰問題將更加突出；當(dāng)然調(diào)峰運(yùn)行還與多種因素有關(guān)系，例如火電機(jī)組調(diào)峰的管理方法和經(jīng)濟(jì)政策、煤質(zhì)的變化和鍋爐的適應(yīng)性等。當(dāng)前我國調(diào)峰機(jī)組的運(yùn)行方式主要是兩班制運(yùn)行、少蒸汽運(yùn)行和低負(fù)荷運(yùn)行。1/11/202322汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班國內(nèi)大型火電機(jī)組調(diào)峰需解決的問題對于原設(shè)計(jì)為帶基本負(fù)荷的機(jī)組改為兩班制運(yùn)行須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和研究。一般情況必須進(jìn)行以下幾方面的工作：(1)通過實(shí)驗(yàn)，制訂合理的啟停方式，以滿足調(diào)峰運(yùn)行的需要；(2)在頻繁啟動(dòng)停機(jī)的條件下，確保熱應(yīng)力、熱疲勞、熱膨脹在安全范圍內(nèi)；(3)在滿足預(yù)定的壽命損耗的前提下，盡量縮短啟動(dòng)時(shí)間；(4)為了在限定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻繁操作，必須設(shè)法改善運(yùn)行操作和加強(qiáng)監(jiān)視功能；(5)必須最大限度地減少啟、停損失。1/11/202323汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班△4臺50MW機(jī)組，80年代初組投運(yùn)△1992年開始啟停調(diào)峰運(yùn)行，最多時(shí)

100多次/年△1998-1999年發(fā)現(xiàn)汽缸裂紋△2000年發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子裂紋，最深一條7mm裂紋某地區(qū)汽缸、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂紋情況統(tǒng)計(jì)1/11/202324汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班電網(wǎng)調(diào)峰的前景預(yù)測近幾年來，核電機(jī)組的建設(shè)，化石燃料價(jià)格的上漲，使調(diào)峰機(jī)組有了新的變化。美國電力研究所(EPRI)對電網(wǎng)調(diào)峰的前景作了預(yù)測，得出如下結(jié)論：(1)大功率火電機(jī)組將來會承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)；(2)核電機(jī)組也將遇到調(diào)峰問題；(3)由于未來化石燃料資源和價(jià)格的限制，目前承擔(dān)基本負(fù)荷的大型高效機(jī)組也會參與調(diào)峰。因此越來越多的國家開始重視調(diào)峰汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)峰方式的研究，以平衡電網(wǎng)中日益增長的負(fù)荷峰谷差。1/11/202325汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班調(diào)峰機(jī)組？國外已制造出專門用于調(diào)峰的大容量汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)帶基本負(fù)荷的機(jī)組經(jīng)過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，也可以施行兩班制運(yùn)行。據(jù)資料介紹，日本的兩班制運(yùn)行機(jī)組占61％，以450MW以下機(jī)組為主。1/11/202326汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班對機(jī)組的安全運(yùn)行有重要影響的因素:一是機(jī)組軸系的振動(dòng)過大（動(dòng)態(tài)應(yīng)力大）二是機(jī)組部件受靜態(tài)力過大（包括：離心力、扭轉(zhuǎn)剪切力和熱應(yīng)力）。1/11/202327汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班機(jī)組振動(dòng)過大，往往是一系列不安全運(yùn)行因素的直接或間接后果汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)有一系列的監(jiān)測分析手段，可以防止振動(dòng)對機(jī)組本體造成損傷。離心力、扭轉(zhuǎn)剪切力可通過轉(zhuǎn)速限制與負(fù)荷限制保護(hù)機(jī)組的安全。而熱應(yīng)力是對機(jī)組可能造成嚴(yán)重?fù)p傷的另一主要因素，其后果是導(dǎo)致機(jī)組本體發(fā)生嚴(yán)重的變形和斷裂（或裂紋），嚴(yán)重的可使機(jī)組本體報(bào)廢或產(chǎn)生嚴(yán)重的毀機(jī)事故。問題：目前對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力缺少有效的監(jiān)測與保護(hù)。1/11/202328汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班主要內(nèi)容一、電網(wǎng)調(diào)峰與火電大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行二、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析三、金屬材料的損傷及其影響因素四、壽命管理及壽命損耗五、汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線監(jiān)測1/11/202329汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班熱應(yīng)力看不見、摸不到，對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力若無有效的監(jiān)測，運(yùn)行人員將無法得知現(xiàn)在運(yùn)行過程熱應(yīng)力的大小。目前國內(nèi)大部分電廠的汽輪機(jī)組未裝備熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)過程中運(yùn)行人員無法得知轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的大小。1/11/202330汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班熱應(yīng)力值小，意味著主蒸汽溫變率小，啟動(dòng)（或停機(jī)）時(shí)間較長，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失（燃油增大運(yùn)行成本）；而應(yīng)力值過大，則對機(jī)組造成不安全因素。1/11/202331汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班熱應(yīng)力的基本概念熱變形受到約束時(shí)，在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)物體的溫度不均勻時(shí)，即使沒有外界約束，也將產(chǎn)生熱應(yīng)力。1/11/202332汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力的基本知識過渡工況下的熱應(yīng)力：汽輪機(jī)在啟動(dòng)、停機(jī)或負(fù)荷變化時(shí)，轉(zhuǎn)子金屬內(nèi)部將產(chǎn)生較大的溫度梯度并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種過渡工況下的熱應(yīng)力是影響機(jī)組壽命損耗的重要因素。

重點(diǎn)部位：汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子的前軸封段和前幾級，在啟停及負(fù)荷變動(dòng)過程中，汽溫的變化最為劇烈，導(dǎo)致了該部位溫度梯度及熱應(yīng)力為最大，成為整個(gè)轉(zhuǎn)子的最危險(xiǎn)部位。1/11/202333汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的特點(diǎn)直接求取轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力很困難

由于汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的部件，目前尚無直接測量其金屬溫度及熱應(yīng)力的有效手段，需要通過理論計(jì)算來解決。有些進(jìn)口的機(jī)組雖然裝有轉(zhuǎn)子溫度探針，其實(shí)這種探針同樣是通過數(shù)學(xué)模型來顯示轉(zhuǎn)子內(nèi)外溫差的，并非直接測量轉(zhuǎn)子內(nèi)外壁的溫度，因此它的準(zhǔn)確計(jì)算同樣依賴于數(shù)學(xué)模型的建立。

1/11/202334汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班溫度探針通過模擬原理建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使棒體各部的溫度能夠模擬轉(zhuǎn)子的徑向溫度及其差值。這種設(shè)備形似直接探測，實(shí)際上是通過傳熱學(xué)模型來建立模擬關(guān)系。1/11/202335汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力可以采用下式計(jì)算:式中：—熱應(yīng)力；

—體積平均溫差；

—轉(zhuǎn)子材料的泊桑比，計(jì)算中一般取0.3。由上式可知，確定汽輪機(jī)的熱應(yīng)力計(jì)算模型之前，首先需要確定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度場分布。1/11/202336汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班解析法

解析法建模是將轉(zhuǎn)子視為無限長的圓柱體的一維模型，根據(jù)一維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程求得溫度分布，再由體積平均溫度差計(jì)算轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的熱應(yīng)力。

解析法計(jì)算的熱應(yīng)力誤差較大，但其計(jì)算速度快，將其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正后，可以得到工程上所需要的精度。1/11/202337汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班數(shù)值法－－有限元法在數(shù)值方法中，有限元法可得到較精確的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分布，這種方法最大的缺點(diǎn)是計(jì)算準(zhǔn)備時(shí)間長、計(jì)算時(shí)間長，不適用于在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1/11/202338汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班機(jī)組應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位通常有：高壓轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級葉輪根部、中壓轉(zhuǎn)子第一級葉輪根部等。這兩個(gè)部位又處于高溫高壓蒸汽的進(jìn)汽端，是最危險(xiǎn)的兩個(gè)部位。1/11/202339汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班機(jī)組啟動(dòng)終了時(shí)的轉(zhuǎn)子應(yīng)力場1/11/202340汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班機(jī)組停機(jī)終了時(shí)的熱應(yīng)力場1/11/202341汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班啟停和變動(dòng)負(fù)荷過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的大小已成為廣大電廠所關(guān)心的重要因素之一。1/11/202342汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班國產(chǎn)200MW機(jī)組轉(zhuǎn)子彈性槽的應(yīng)力集中1/11/202343汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班熱應(yīng)力集中的特點(diǎn)應(yīng)力集中均密集在槽底1～2mm深度以內(nèi)，在這個(gè)深度以外，應(yīng)力迅速衰減至公稱應(yīng)力水平。因此初始裂紋深度常為1～2mm。在這個(gè)深度以外，原有的應(yīng)力水平很低，當(dāng)加工車去表面裂紋后，新表面還可有相當(dāng)高的疲勞壽命。1/11/202344汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班熱沖擊金屬材料受到劇烈的加熱或冷卻，引起內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫差，形成很大的沖擊熱應(yīng)力的現(xiàn)象稱為熱沖擊。熱沖擊時(shí)承受很大的熱應(yīng)力，有時(shí)僅一次熱沖擊就可能造成零部件的永久性破壞。汽輪機(jī)熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常運(yùn)行中，鍋爐汽包水位失調(diào)而造成滿水等均可能產(chǎn)生汽輪機(jī)的熱沖擊。同樣，當(dāng)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)故障而引起汽輪機(jī)甩負(fù)荷后帶廠用電或空負(fù)荷運(yùn)行，也將造成汽輪機(jī)的熱沖擊。熱沖擊可能對汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷，因此，在機(jī)組啟停和正常運(yùn)行中，應(yīng)特別注意。1/11/202345汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班調(diào)節(jié)級汽室汽溫與轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算熱應(yīng)力時(shí)，調(diào)節(jié)級和中壓第一級汽室汽溫是一個(gè)最重要的參數(shù)。很多降低熱應(yīng)力的技術(shù)措施，都與調(diào)整這個(gè)區(qū)域的汽溫有關(guān)汽輪機(jī)定速之前，調(diào)節(jié)級汽溫難以確定（理論計(jì)算和實(shí)際測試都存在困難）1/11/202346汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度與進(jìn)汽調(diào)節(jié)方式、新汽參數(shù)以及調(diào)節(jié)級的設(shè)計(jì)焓降有關(guān)N125機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)節(jié)級汽溫降落幅度計(jì)算值見下表由表可見：新汽壓力越低，汽溫降落的幅度越小。因此在啟動(dòng)時(shí)，新汽的壓力以低些為宜。1/11/202347汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班主要內(nèi)容一、電網(wǎng)調(diào)峰與火電大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行二、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析三、金屬材料的損傷及其影響因素四、壽命管理及壽命損耗五、汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線監(jiān)測1/11/202348汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班低周疲勞汽輪機(jī)在啟停過程中轉(zhuǎn)子所承受的是交變熱應(yīng)力。啟動(dòng)加熱時(shí)轉(zhuǎn)子表面承受壓應(yīng)力，停機(jī)時(shí)為拉應(yīng)力，在這種交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定周次的循環(huán)，就會在金屬表面出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展以致斷裂。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子承受的這種交變應(yīng)力的特點(diǎn)是交變周期長、頻率低、疲勞裂紋的循環(huán)周期少，故稱為低周疲勞。1/11/202349汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班(a)540℃(b)565℃兩種溫度下，斷口掃描電鏡圖片1/11/202350汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202351汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202352汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202353汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班高溫蠕變?nèi)渥兗唇饘僭诟邷叵拢L期承受一定的工作應(yīng)力，即使應(yīng)力不超過金屬在該溫度下的許用應(yīng)力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。565℃下蠕變裂紋擴(kuò)展圖

1/11/202354汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202355汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班低溫脆性&FATT低溫脆性是指高強(qiáng)度合金鋼在某一低溫范圍內(nèi)，韌性特性顯著下降的一種現(xiàn)象。在工程應(yīng)用上，把進(jìn)行材料沖擊試驗(yàn)時(shí)斷口形貌中韌性和脆性破壞面積各占50％時(shí)所對應(yīng)的試驗(yàn)溫度，稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度，記作FATT。

–材料溫度＞FATT，呈現(xiàn)韌性破壞

–材料溫度＜FATT，呈現(xiàn)脆性破壞，發(fā)生脆性損傷的可能性增加。

–材料在高溫環(huán)境下長期工作，其FATT有緩慢升高的現(xiàn)象對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的FATT有明確的要求，而且對預(yù)防汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子脆性損傷也有具體的措施

–對CrMoV轉(zhuǎn)子鋼來講，F(xiàn)ATT=80～130℃。現(xiàn)代斷裂力學(xué)認(rèn)為：金屬材料低溫脆性破壞的根本原因在手材料在鍛造、熱處理過程中形成的潛在微小裂紋。

1/11/202356汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班低溫脆性破壞的預(yù)防自從50年代相繼發(fā)生了多起高強(qiáng)度合金鋼低溫脆性破壞的嚴(yán)重事故后，低溫脆性破壞引起了人們的高度重視。經(jīng)反復(fù)實(shí)踐與研究，已形成了一系列行之有效的防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子低溫脆性破壞措施。例如：

–ABB規(guī)定冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)低速暖機(jī)和帶初負(fù)荷暖機(jī)；

–東芝要求機(jī)組在冷啟時(shí)盤車狀態(tài)下高壓缸暖機(jī)和帶初負(fù)荷曖機(jī)；

–G／A公司機(jī)組冷啟的中速暖機(jī)和中壓缸啟動(dòng)方式等都是為了在低應(yīng)力狀態(tài)下加熱轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子金屬溫度超過材料的FATT后再轉(zhuǎn)向高應(yīng)力狀態(tài)下工作。1/11/202357汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班主要內(nèi)容一、電網(wǎng)調(diào)峰與火電大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行二、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析三、金屬材料的損傷及其影響因素四、壽命管理及壽命損耗五、汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線監(jiān)測1/11/202358汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班影響壽命損耗的因素影響汽輪機(jī)壽命的因素有很多，如蠕變斷裂、熱脆性、熱疲勞以及高溫介質(zhì)的氧化和腐蝕等。主要的影響因素是受到交變熱應(yīng)力作用引起的低周疲勞壽命損耗，以及受到高溫和工作應(yīng)力作用而產(chǎn)生的蠕變損耗。1/11/202359汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班汽輪機(jī)壽命管理汽輪機(jī)壽命管理包括兩層內(nèi)容：

1、在國家宏觀指定的服役年限內(nèi)，根據(jù)機(jī)組的帶負(fù)荷方式進(jìn)行壽命預(yù)分配，制定汽輪機(jī)壽命分配表，指導(dǎo)運(yùn)行，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益；

2、進(jìn)行汽輪機(jī)壽命的離線或在線監(jiān)測在汽輪機(jī)啟、停和變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，控制蒸汽溫度和負(fù)荷的變化率，控制汽輪機(jī)部件的熱應(yīng)力，使機(jī)組的壽命損耗不超過其預(yù)分配值，在機(jī)組規(guī)定的使用年限內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最佳的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使機(jī)組發(fā)揮最佳的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行壽命的科學(xué)管理。1/11/202360汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班汽輪機(jī)壽命的合理分配目前通常認(rèn)為汽輪機(jī)的服役年限為30年。在這30年的時(shí)間里，如何合理分配汽輪機(jī)的壽命，充分利用汽輪機(jī)的壽命，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益是汽輪機(jī)壽命分配的出發(fā)點(diǎn)。對于帶基本負(fù)荷的機(jī)組，汽輪機(jī)壽命的損耗主要為高溫蠕變和正常檢修啟停所需低周疲勞對汽輪機(jī)壽命的損耗。對調(diào)峰機(jī)組，除檢修、維護(hù)需要正常啟停以外還應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)要求，安排一定次數(shù)的熱態(tài)啟動(dòng)和一定范圍內(nèi)的負(fù)荷變化。負(fù)荷變化量（率）和熱態(tài)啟停次數(shù)（速區(qū)）應(yīng)視電網(wǎng)的要求而定。在分配壽命損耗時(shí)，既要考慮汽輪機(jī)壽命的合理損耗，又要考慮到電網(wǎng)的調(diào)峰需要。1/11/202361汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班低周疲勞特性對壽命的損耗(續(xù))

30Cr2MoV鋼500℃時(shí)的低周疲勞曲線1/11/202362汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班1/11/202363汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班低周疲勞特性對壽命的損耗1983年前蘇聯(lián)文獻(xiàn)中公布的轉(zhuǎn)子鋼疲勞特性曲線從圖中看到，所受熱應(yīng)力越大，循環(huán)周次(即金屬材料的疲勞壽命)就越少；工作溫度越高，循環(huán)周次就越少。1/11/202364汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班不同國家對機(jī)組壽命管理的規(guī)定我國“進(jìn)口大容量汽輪機(jī)技術(shù)談判指南”中規(guī)定：汽輪機(jī)的使用壽命一般為30年。在30年中，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)100次，溫態(tài)啟動(dòng)700次，熱態(tài)啟動(dòng)3000，極熱態(tài)啟動(dòng)150次，以及大于10%額定負(fù)荷突變12000次，其總的壽命損耗不大于75%。英國國家標(biāo)準(zhǔn)(BSI)中規(guī)定，大機(jī)組在使用壽命期內(nèi)必須經(jīng)得起冷態(tài)啟動(dòng)100次，溫態(tài)啟動(dòng)700次，熱態(tài)啟動(dòng)3000，以及負(fù)荷突變和頻繁負(fù)荷變動(dòng)。1/11/202365汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班ABB600MW超臨界機(jī)組

ABB600MW超臨界機(jī)組壽命損耗分配余度較大，30年內(nèi)由熱應(yīng)力損耗的壽命僅占總壽命的11.575%，其余88.425%作為高溫蠕變和富裕量。1/11/202366汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班東芝公司提供的600MW汽輪機(jī)該表東芝公司提供的600MW汽輪機(jī)壽命損耗分配。30年實(shí)際壽命消耗達(dá)75.45%，在600MW機(jī)組是較大的。1/11/202367汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班主要內(nèi)容一、電網(wǎng)調(diào)峰與火電大機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行二、轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力分析三、金屬材料的損傷及其影響因素四、壽命管理及壽命損耗五、汽輪機(jī)熱應(yīng)力在線監(jiān)測1/11/202368汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班經(jīng)過幾十年的研究，國內(nèi)外針對熱應(yīng)力問題的分析和監(jiān)測，普遍采用的方法和策略是：建立針對特定機(jī)組的熱應(yīng)力監(jiān)測模型，開發(fā)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行人員的操作。1/11/202369汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的部件，汽輪機(jī)的壽命主要取決于轉(zhuǎn)子的壽命，高中壓轉(zhuǎn)子第一級在啟停及負(fù)荷變動(dòng)過程中，汽溫變化最劇烈，導(dǎo)致該部位的熱應(yīng)力最大，是最危險(xiǎn)的部位。轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力進(jìn)行在線監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)優(yōu)化。1/11/202370汽輪機(jī)運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)研討班分析中需要現(xiàn)