某1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化

吳凌軒, 紀(jì)冬梅

(1. 上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院， 上海 200090;2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司， 上海 200240)

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》將“重大產(chǎn)品和重大設(shè)施壽命預(yù)測技術(shù)”列為前沿技術(shù)中的先進(jìn)制造技術(shù)，全國各大高校和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合企業(yè)開展了汽輪機(jī)壽命管理方面的大量工作，分別在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的分析、疲勞和蠕變壽命損耗的計(jì)算、設(shè)備剩余壽命的評估及在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制方面進(jìn)行了研究，并取得了成果。

超超臨界機(jī)組的大規(guī)模應(yīng)用引發(fā)了許多亟待解決的問題，很多電廠希望在安全的前提下，盡量快速地啟停機(jī)組，這樣可以節(jié)省在啟動(dòng)過程中所消耗的煤和油，降低運(yùn)行成本。超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命關(guān)系到整臺(tái)汽輪機(jī)的壽命，合理地控制啟停時(shí)間、盡量減少熱應(yīng)力是保護(hù)超超臨界機(jī)組零部件安全的重要措施。

隨著火電機(jī)組參與調(diào)峰次數(shù)的增多，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在頻繁啟動(dòng)過程中，疲勞壽命損耗加劇，為了提高火電機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性，指導(dǎo)汽輪機(jī)運(yùn)行，研究汽輪機(jī)啟動(dòng)過程的優(yōu)化具有極其重要的意義。

汽輪機(jī)在冷態(tài)啟動(dòng)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，尤其是汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的進(jìn)汽端軸的汽封和前幾級葉片根部，汽溫變化最劇烈，是轉(zhuǎn)子的最危險(xiǎn)部位；由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的部件，目前尚無直接測量其金屬溫度和熱應(yīng)力的有效手段，需要通過理論計(jì)算[1-4]的方法間接得到轉(zhuǎn)子的溫度和應(yīng)力分布情況，從而指導(dǎo)優(yōu)化汽輪機(jī)啟動(dòng)過程。

兌悅等[5]分析了某320 MW亞臨界凝汽式汽輪機(jī)的冷態(tài)啟動(dòng)過程，將啟動(dòng)過程分成幾段，分別改變各段的進(jìn)汽溫升速率，基于非線性函數(shù)尋優(yōu)對汽輪冷態(tài)啟動(dòng)過程進(jìn)行了優(yōu)化，在保證安全的前提下，將啟動(dòng)時(shí)間縮短了近300 s。蔡宇[6]在確定了蒸汽和轉(zhuǎn)子表面金屬溫差的限值后，建立了汽輪機(jī)啟動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型，綜合考慮了燃料消耗量、壽命損耗、控制啟停過程的可操作性及電網(wǎng)效益等方面，通過改變進(jìn)汽溫升速率，獲得了最優(yōu)化啟動(dòng)方案。

筆者使用有限元法對某1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)過程進(jìn)行分析，計(jì)算得到汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程中高壓轉(zhuǎn)子的溫度場和應(yīng)力場，通過改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度對汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行優(yōu)化，最后比較了優(yōu)化前后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命。

1 通流部分傳熱系數(shù)的計(jì)算及分析

1.1 計(jì)算說明

溫度的變化在熱力機(jī)械構(gòu)件里將引起受熱構(gòu)件的形狀發(fā)生變化，產(chǎn)生收縮或膨脹的熱變形。物體如果在溫度變化時(shí)，變形受到限制，在其內(nèi)部會(huì)形成應(yīng)力，該應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。計(jì)算汽輪機(jī)高壓缸轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力之前，必須得到啟動(dòng)過程中汽輪機(jī)的溫度分布。在汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)的過程中，和高壓缸轉(zhuǎn)子外表面直接接觸的蒸汽的溫度以及蒸汽與轉(zhuǎn)子的傳熱系數(shù)均隨軸向位置、啟動(dòng)時(shí)間變化，是時(shí)間和空間的函數(shù)。

根據(jù)電廠提供資料，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)高壓轉(zhuǎn)子的參數(shù)見圖1。

轉(zhuǎn)子不同部位傳熱系數(shù)的計(jì)算方法是不同的，按照計(jì)算模型不同，將高壓缸轉(zhuǎn)子分為無汽封光軸、帶動(dòng)葉片葉輪、高低壓汽封、帶汽封光軸、葉輪輪面這5個(gè)部分，在MATLAB軟件中編制程序計(jì)算不同位置的傳熱系數(shù)。

1.2 計(jì)算結(jié)果

汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖2，其中：Q表示高壓側(cè)汽封，C表示低壓側(cè)汽封，H表示級。

筆者選用文獻(xiàn)[7]中的方法計(jì)算無汽封光軸、高低壓汽封和帶汽封光軸的傳熱系數(shù)，選用文獻(xiàn)[8]中的方法計(jì)算葉輪輪面的傳熱系數(shù)，選用文獻(xiàn)[9]中的方法計(jì)算倒T形葉根的傳熱系數(shù)。

典型位置的傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖3。

由圖3可得：隨著冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間的推移，蒸汽的壓力和溫度不斷上升，蒸汽與轉(zhuǎn)子表面的傳熱系數(shù)顯著增加。汽封處傳熱系數(shù)最高，C2處的傳熱系數(shù)為2.0×104W/(m2·K)；倒T形葉根處的傳熱系數(shù)最低，大多在1 000 W/(m2·K)以下，這是由于倒T形葉根的熱阻和結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，傳熱系數(shù)是固定的且有上限。

2 高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)結(jié)果分析

2.1 啟動(dòng)前溫度場

進(jìn)行有限元分析之前，首先要確定高壓轉(zhuǎn)子的初始溫度分布，結(jié)果見圖4。

2.2 冷態(tài)啟動(dòng)開始100 s時(shí)溫度場

冷態(tài)啟動(dòng)開始100 s時(shí)局部放大高壓轉(zhuǎn)子的溫度分布見圖5。

由圖5可以看出：高壓轉(zhuǎn)子的最高溫度為359 ℃，位于進(jìn)汽處，該處直接與400 ℃進(jìn)汽接觸，溫度最高。冷態(tài)啟動(dòng)開始100 s時(shí)局部放大高壓轉(zhuǎn)子的應(yīng)力分布見圖6。由圖6可以看出：高壓轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力為658 MPa，位于高壓側(cè)汽封處。

2.3 啟動(dòng)過程應(yīng)力曲線

整個(gè)啟動(dòng)過程時(shí)間為480 min，啟動(dòng)過程中最大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線見圖7，啟動(dòng)初期的時(shí)候應(yīng)力很大，所以對啟動(dòng)初期應(yīng)力進(jìn)行細(xì)化。由圖7可以看出：高壓側(cè)汽封處(C1和C2之間)的應(yīng)力最大，為750 MPa。

3 進(jìn)汽溫度優(yōu)化后轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析

3.1 優(yōu)化方案

文獻(xiàn)[5]中提出的優(yōu)化方案為改變進(jìn)汽溫升速率，高壓轉(zhuǎn)子啟動(dòng)中期時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為縮短冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間。冷態(tài)啟動(dòng)過程中高壓轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力發(fā)生在啟動(dòng)開始后3～5 min，根據(jù)汽輪機(jī)啟動(dòng)曲線，此時(shí)進(jìn)汽溫度為400 ℃、進(jìn)汽壓力為8.5 MPa。由于高壓轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)過程中的壽命損傷和最大應(yīng)力的關(guān)系密切，該機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子達(dá)到最大應(yīng)力時(shí)，進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力尚未發(fā)生明顯改變，所以無法通過更改進(jìn)汽溫升速率來降低轉(zhuǎn)子啟動(dòng)過程中的最大應(yīng)力。

通過上述分析可知：為提高高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)壽命，應(yīng)將降低最大應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，在保證啟動(dòng)總時(shí)間不變的約束條件下，合理改變汽輪機(jī)高壓缸的進(jìn)汽參數(shù)。冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度在360～440 ℃，筆者據(jù)此提出3個(gè)優(yōu)化方案，具體見圖8。

3.2 優(yōu)化后應(yīng)力計(jì)算

采用3個(gè)優(yōu)化方案后，高壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力見圖9。由圖9可以看出：3個(gè)方案的最大應(yīng)力位置均在高壓側(cè)汽封處(C1和C2之間)，方案1、2、3的最大應(yīng)力分別為725 MPa、700 MPa、 660 MPa。

4 壽命計(jì)算及分析

在所有的ε-N(ε為循環(huán)應(yīng)變，N為循環(huán)次數(shù))關(guān)系式中，Manson-Coffin公式使用最為廣泛，該1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸材料(X12CrMoWVNbN10-1-1鋼)在600 ℃多軸應(yīng)力下的循環(huán)應(yīng)變和循環(huán)次數(shù)表達(dá)式[10]為：

ε=0.003 04(2N)-0.090 2+0.583 6(2N)-0.813 1

(1)

文獻(xiàn)[10]中給定的金屬材料循環(huán)穩(wěn)定的關(guān)系式為：

(2)

式中：σeq為應(yīng)力幅值，MPa；E為彈性模量，MPa；K為循環(huán)應(yīng)變硬化系數(shù)；n為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

溫度為600 ℃時(shí)，彈性模量為137.7 GPa；文獻(xiàn)[10]中給出K為618.5、n為0.0921 。

筆者沒有對汽輪機(jī)正常運(yùn)行過程進(jìn)行分析，僅計(jì)算每次冷態(tài)啟動(dòng)疲勞損傷消耗的轉(zhuǎn)軸材料壽命S，其計(jì)算公式為：

S=1/N

(3)

優(yōu)化方案的轉(zhuǎn)軸材料壽命計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化方案的壽命計(jì)算結(jié)果

初始進(jìn)汽溫度與循環(huán)次數(shù)的曲線見圖10。

5 結(jié)語

筆者采用優(yōu)化進(jìn)汽溫度的方法，顯著降低了該1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動(dòng)過程的最大應(yīng)力，增加了高壓轉(zhuǎn)子的壽命。在冷態(tài)中后期高壓轉(zhuǎn)子應(yīng)力水平較低，適當(dāng)縮短中后期啟動(dòng)的時(shí)間，可以在不影響轉(zhuǎn)子壽命的前提下，縮短汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間，這是后續(xù)待研究的課題。

傳熱系數(shù)計(jì)算模型的選取對傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生一定影響，目前還沒有統(tǒng)一計(jì)算汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子傳熱系數(shù)的方法，如何用試驗(yàn)方法對傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算也是后續(xù)待研究的課題。