燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽輪機快速啟動的研究

鄭李鵬, 陳堅紅, 盛德仁, 洪 雷, 顧正浩, 林 成

(1.浙江大學 熱工與動力系統(tǒng)研究所,杭州 310027;2.浙能鎮(zhèn)海聯(lián)合發(fā)電有限公司,寧波 315208;3.浙江省電力試驗研究院,杭州 310014;4.浙江鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司,寧波 315208)

隨著生產的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國的用電結構發(fā)生了巨大變化,電網的峰谷差日趨增大.為保證電力系統(tǒng)的安全,引入啟停速度快、經濟性好的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組勢在必行.與單一的汽輪機發(fā)電機組不同,燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組一般是先啟動燃機使其迅速達到滿負荷,然后燃機的排氣進入余熱鍋爐產生蒸汽在汽輪機中做功.但在汽輪機啟動初期,主蒸汽溫度和壓力不能上升太快,所以有很大一部分燃機的排氣會通過旁路系統(tǒng)直接排出,余熱鍋爐的蒸汽也經旁路閥送至凝汽器,造成巨大的能源損失[1-2].由于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在我國主要用于調峰,一般采用日開夜?！皟砂嘀啤钡姆绞竭\行,汽輪機轉子經過8～10 h的停機冷卻后,轉子調節(jié)級金屬溫度一般在350℃左右.電廠為了保證安全,嚴格執(zhí)行轉子調節(jié)級金屬溫度在390℃以上才能采用熱態(tài)啟動方式的規(guī)程,只能采用耗時很長的溫態(tài)啟動方式,極大地降低了聯(lián)合循環(huán)電廠的靈活性,也造成巨大的經濟損失和能源浪費.機組啟動速度的控制主要取決于轉子的熱應力,燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的燃氣輪機溫態(tài)啟動只需大約10 min,汽輪機溫態(tài)啟動一般需要2 h,而汽輪機的熱態(tài)啟動一般需要50～60 m in[1].如果轉子金屬溫度在350℃時也能采用熱態(tài)啟動方式,就能充分發(fā)揮聯(lián)合循環(huán)機組啟停速度快的優(yōu)點,減少能量損失,增加經濟效益.機組功率越大,轉子直徑就越大,在機組啟動、停機及變負荷過程中,如果啟動不當,轉子一些部位的內外表面可能出現(xiàn)150～200℃的溫差,由此產生的熱應力很可能超過轉子材料的屈服極限,嚴重威脅轉子的壽命安全[3].所以,對汽輪機快速啟動研究的實質就是對汽輪機轉子熱應力的研究.

本文中討論的300 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由兩臺9E燃氣輪機和一臺105MW的汽輪機組成,該機組投產至今已有10年.在這10年間由于油價等原因機組使用率較低,現(xiàn)電廠提出在保證安全(單次啟動壽命損耗率不超過0.024%)的前提下,適當增大轉子的啟動速率來獲得更好的經濟效益.通過對該機組的汽輪機轉子金屬溫度為350℃時分別采用溫態(tài)和熱態(tài)兩種啟動方式進行溫度場和應力場的計算與對比分析,在確保安全的前提下,提出轉子金屬溫度在350℃時也可以采用熱態(tài)啟動方式,以達到快速啟動的目的,使其能充分發(fā)揮聯(lián)合循環(huán)機組調峰的優(yōu)點.考慮到汽輪機轉子結構的復雜性,筆者采用大型有限元計算軟件ANSYS對轉子的溫度場和應力場進行計算研究.

1 研究模型

本文涉及的汽輪機原型為某國外進口機組,單軸,高中壓合缸,無中間再熱,無抽汽,功率為105 MW.圖1為其轉子二維剖面圖.有1個單列調節(jié)級,13個高壓級,5個低壓級,前后各有一個軸承支撐,軸承軸頸處的溫度由軸承供油冷卻控制.

圖1 汽輪機轉子二維剖面圖Fig.1 2D cross section of steam turbine rotor

筆者在建立轉子有限元模型時,重點考慮轉子的溫度場和應力場,采用以等效離心力質量塊代替葉片的方法進行簡化,由于汽輪機轉子是軸對稱部件,故有限元模型只取二維的半剖面,采用軸對稱分析.為了提高計算精度,在容易產生應力集中的過渡圓角處細化網格.整個模型共生成11 908個單元,12 927個節(jié)點.圖2為轉子二維有限元模型及關鍵點.圖中的點A是7 348號節(jié)點,為調節(jié)級后轉子外表面過渡圓角處,此處熱應力一般最大;點 B是1 191號節(jié)點,為A點對應在轉子軸心處的節(jié)點;點C是162號節(jié)點,為調節(jié)級前轉子外表面過渡圓角處,此處一般在啟動前幾分鐘熱應力最大;點D是1 198號節(jié)點,為點C對應在轉子軸心處的節(jié)點;點E是835號節(jié)點,為轉子次末級外表面過渡圓角處,此處離心力最大.

圖2 轉子二維有限元模型及關鍵點標注圖Fig.2 2D finite element model of rotor and the keypoints

2 研究方法

2.1 熱邊界條件

根據汽輪機轉子在運行時熱流密度及能量傳遞特點[4],將轉子熱邊界條件作以下設定(見圖3):

(1)轉子左右端面是整鍛轉子在汽缸外的截斷面,其與空氣之間的傳熱系數(shù)很小,故在有限元計算中作絕熱處理.

(2)中心邊界在計算中作絕熱處理.

(3)轉子的外表面可作為已知傳熱系數(shù)及蒸汽溫度的第三類邊界條件.

(4)轉子左右軸承處,在整個計算過程中均為70℃,作為第一類邊界條件.

圖3 轉子熱邊界條件Fig.3 H eat boundary condition of rotor

2.2 換熱系數(shù)的確定

根據轉子結構特點和蒸汽的流動特性,蒸汽氣流與汽輪機轉子表面的傳熱系數(shù)有四類:①葉輪兩側的傳熱系數(shù);②輪緣傳熱系數(shù);③光軸傳熱系數(shù);④汽封傳熱系數(shù).首先計算出各級蒸汽的溫度和壓力,按照文獻[5-7]提供的蒸汽屬性計算公式計算得到蒸汽的比容、動力黏度和導熱系數(shù),再根據文獻[8]提供的傳熱系數(shù)計算公式,計算得到各級各處的傳熱系數(shù),以上這些都已寫成APDL程序[9],由ANSYS計算得到.

2.3 計算過程

采用熱-結構間接耦合法,計算溫度場采用plane55單元,計算應力場采用plane182單元.先計算轉子的初始溫度場,然后計算瞬態(tài)溫度場,最后讀入上步計算得到的溫度場結果作為體載荷加載到各節(jié)點上計算瞬態(tài)應力場.圖4為熱應力計算的流程圖.計算過程主要由三部分組成:①建模、劃分網格;②計算各處傳熱系數(shù)、溫度場;③讀入此前計算的溫度場結果,計算應力場[10].計算以1 min為一個載荷步,計算的傳熱系數(shù)、蒸汽溫度、轉子角速度也每分鐘加載一次.

圖4 ANSYS熱應力計算流程圖Fig.4 Flow chart of therm al stress calcu lation using ANSYS

3 計算結果及分析

3.1 溫態(tài)啟動工況下的計算結果與分析

為了進行溫態(tài)啟動和熱態(tài)啟動的應力對比,筆者先計算標準溫態(tài)啟動下轉子的熱應力情況.標準溫態(tài)啟動按照電廠規(guī)定的溫態(tài)啟動曲線進行,見圖5(圖中各參數(shù)均從DCS讀出).

圖5 溫態(tài)啟動曲線Fig.5 Curves of various parameters in warm start-up

3.1.1 溫態(tài)啟動溫度場和應力場計算結果

圖6～圖9為溫態(tài)啟動工況下采用熱-結構間接耦合法計算得到的結果.

圖6 溫態(tài)啟動時轉子溫度場計算結果Fig.6 Calculated results of tem perature field in warm start-up

3.1.2 溫態(tài)啟動計算結果分析

從圖6～圖9可以看出:

(1)E點的應力曲線與轉速曲線基本一致,可見此點主要受離心力的影響,達到額定轉速后,應力會有一些波動,在5 580 s達到整個啟動過程的最大值260.4 MPa,最后穩(wěn)定在224 MPa左右.

(2)A點和C點的應力主要由該點與其對應轉子中心處的溫差決定,在7 200 s左右達到各自的最大應力值220MPa和155 MPa,均小于E點的最大應力值.

圖7 溫態(tài)啟動關鍵點溫度曲線Fig.7 Temperatu re cu rves of keypoints in w arm start-up

圖8 溫態(tài)啟動轉子應力場計算結果Fig.8 Calculated results of stress field in w arm start-up

圖9 溫態(tài)啟動關鍵點應力曲線Fig.9 Stress curvesof keypoin ts in warm start-up

(3)在此工況下,啟動時間長達7 380 s(超過2 h),轉子暖機充分,所受的熱應力較小,應力水平主要取決于所受的離心力.因此,轉子金屬溫度在350℃時的啟動曲線是有優(yōu)化空間的.

3.2 熱態(tài)啟動工況下的計算結果與分析

轉子經過一夜的停機冷卻,轉子金屬溫度一般為350℃,如果這種情況下能采用熱態(tài)啟動,可以節(jié)省大約3/4的時間.圖10即為轉子溫度為350℃時采用熱態(tài)啟動方式的啟動曲線.

圖10 熱態(tài)啟動曲線Fig.10 Cu rves of various parameters in heat start-up

3.2.1 熱態(tài)啟動工況下的計算結果

圖11～圖14為熱態(tài)啟動工況下采用熱-結構間接耦合法計算得到的結果.

圖11 熱態(tài)啟動轉子溫度場計算結果Fig.11 Calculated results of temperatu re field in hot start-up

圖12 熱態(tài)啟動關鍵點溫度曲線Fig.12 Temperature curves of keypoints in hot start-up

圖13 熱態(tài)啟動轉子應力場計算結果Fig.13 Calculated results of stress field in hot start-up

圖14 熱態(tài)啟動關鍵點應力曲線Fig.14 Stress curves of keypoints in hot start-up

3.2.2 熱態(tài)啟動工況下的計算結果分析

從圖10～圖14可以看出:

(1)E點的應力曲線與轉子啟動過程中的轉速曲線基本一致,在 1 320 s時達到最大值,為 318 MPa,此后該點的應力與其離心力基本一致.

(2)A點最大應力值為321 MPa,出現(xiàn)在2 340 s,與E點的最大值非常接近,說明此啟動過程的熱應力與離心力水平相當,且滿足電廠規(guī)定的轉子壽命損耗要求.

(3)此次啟動時間只有20 m in,比相同轉子金屬溫度下采用溫態(tài)啟動所用時間縮短近100 min.

3.3 兩種啟動工況的計算結果對比

根據3.1和3.2中的計算結果把兩種啟動工況下的主要參數(shù)列于表1中.

表1 兩種不同啟動工況參數(shù)對比Tab.1 Comparison of working parameters between tw o start-upmodes

通過對比圖5～圖14,并參考表1可以看出:

(1)整個轉子結構復雜,應力集中部位多,且啟動過程中各級的蒸汽參數(shù)變化情況不一致,因此在啟動過程中應力最大值的位置(應力場中標 MX處)并不是固定在某一位置,而是隨著啟動過程進行有所變化的,如低壓次末級、調節(jié)級等位置.當機組負荷穩(wěn)定后,合成應力的最大值出現(xiàn)在低壓次末級葉輪根部,為225MPa左右(溫態(tài)為224 MPa,熱態(tài)為227M Pa).這是因為該處離心力較大,穩(wěn)定運行后,溫度差減小,熱應力變得較小,合成應力中起主要作用的是轉子離心力.

(2)金屬最大熱應力值主要由轉子外表面與其對應的中心處的金屬溫度差決定,內外溫差越大,應力就越大.而這個溫差主要與蒸汽最大溫升率有關,蒸汽的溫升率與負荷加載速率直接相關,這為我們優(yōu)化啟動曲線指明了方向.

(3)A點和C點的應力值基本與其對應的轉子中心點溫差一致.不過,調節(jié)級前轉子內外溫差大于調節(jié)級后轉子內外溫差,調節(jié)級前的轉子金屬應力卻小于調節(jié)級后的轉子金屬應力.以標準溫態(tài)啟動為例 ,tC-tD=137 K,tA-tB=114 K,而 σC=248 MPa,σA=321MPa.這主要是由調節(jié)級前轉子半徑比調節(jié)級后轉子半徑大,前后應力集中系數(shù)不同造成的.

(4)轉子調節(jié)級后最大熱應力σA出現(xiàn)的時刻與啟動完成時間大致相同.

(5)轉子溫度分布在軸向呈段狀分布,調節(jié)級溫度最高,沿軸向兩端逐漸降低.

3.4 兩種啟動工況的壽命損耗率

根據各關鍵點的最大應力值,及其對應時刻的溫度和材料的彈性模量,得到材料的半應變,然后查蘇聯(lián)P2M轉子0.1 mm的鋼疲勞特性曲線[8]得到每啟停一次的壽命損耗率,見表2.

表2 兩種工況壽命損耗率計算結果Tab.2 Comparison of life loss ratio between two start-up modes

從表2可以看出,轉子調節(jié)級金屬溫度350℃時采用溫態(tài)啟動的每次壽命損耗率為0.016 9%,采用熱態(tài)啟動時的每次壽命損耗率為0.023 8%,仍然符合電廠關于熱態(tài)啟動的每次壽命損耗率小于0.024%的規(guī)定.

4 結 論

(1)通過對汽輪機不同啟動方式的轉子熱應力分析,研究啟動過程的快速性與安全性,對機組的優(yōu)化運行具有理論指導意義.當轉子金屬溫度為350℃時采用熱態(tài)啟動,其最大熱應力為321M Pa,遠小于材料482℃的屈服強度507 MPa[11],無論從應力水平和壽命損耗分析都是安全的.

(2)根據本文的計算結果,實際運行的機組已經修改其汽輪機運行規(guī)程,將熱態(tài)啟動的轉子調節(jié)級金屬溫度調整為350℃.這樣每次啟動可節(jié)省時間100min.以電廠一年調峰啟動 150次,每度電1.02元計,通過改進啟動方式電廠每年可以增加1 703.45萬元的經濟效益.

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