淺談熱應(yīng)力對汽輪機組運行的影響

摘 要：熱應(yīng)力是金屬的屬性。對于大型汽輪機組來說，控制設(shè)備熱應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)是保證機組安全運行的必要條件。本文將對機組熱應(yīng)力產(chǎn)生情況、原因及危害進行分析，并提出防范措施，供指導(dǎo)生產(chǎn)之用。

關(guān)鍵詞：熱變形； 熱應(yīng)力；溫差 ； 危害

中圖分類號：U664.113 文獻標(biāo)識碼：A

國華熱電分公司#1、2汽輪機為德國ABB公司生產(chǎn)的單軸、雙缸、雙抽雙排汽凝汽抽汽式汽輪機，型號為DKEH-1ND31。汽輪機配有先進的DEH控制系統(tǒng)和多種保護來維持汽輪機的正常運行，防止機組在異常情況下運行。

1何為熱應(yīng)力

定義：汽輪機零部件在汽輪機啟動、停機或負荷變化過程中，由于溫度變化而產(chǎn)生的膨脹或收縮變形稱為熱變形，當(dāng)熱變形受到某種約束時，則要在零部件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。

由定義可知，熱應(yīng)力有兩種形式，一種是由于溫度變化設(shè)備漲縮，但受到剛性約束，使?jié)q縮受阻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。另一種是零部件加熱或冷卻時溫度不均勻，相鄰部分之間漲縮受到約束，如高溫部分受到低溫部分的約束，它的變形量比自由膨脹值小些，即在高溫部分引起壓縮熱應(yīng)力；反之，低溫部分受到高溫部分熱膨脹的牽拉，它的變形量比自由膨脹值大些，即在低溫區(qū)產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力。如果零部件不能按溫度變化規(guī)律進行自由漲縮，即變形受到約束，則在零部件內(nèi)引起應(yīng)力，這種由溫度或溫差引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。

對于第一種熱應(yīng)力，汽輪機在設(shè)計中，通過對滑銷系統(tǒng)和定、轉(zhuǎn)子死點的設(shè)置，可使其影響變小。在運行中我們主要控制的是第二種熱應(yīng)力。對于汽輪機而言，由于部件各部分溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要表現(xiàn)為兩種形式，一種是汽缸熱應(yīng)力，另一種為轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力。

2產(chǎn)生熱應(yīng)力的幾種情況

2.1冷態(tài)啟動時

規(guī)程規(guī)定：高壓轉(zhuǎn)子溫度≤160度時為冷態(tài)啟動，此時主汽參數(shù)為4Mpa，375度。蒸汽進入汽輪機時，對汽缸而言，內(nèi)表面與蒸汽直接接觸，受熱快，膨脹快，而外表面由于壁厚的影響，受熱慢，膨脹慢。內(nèi)表面膨脹受阻，受壓縮應(yīng)力，外表面受拉伸應(yīng)力。對轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子外表面與蒸汽直接接觸，受熱快，膨脹受阻，受壓縮應(yīng)力，內(nèi)表面受熱慢，受拉伸壓力。待機組運行穩(wěn)定后，汽缸和轉(zhuǎn)子各部件溫差消除，熱應(yīng)力逐漸減小，直至為零。

2.2停機時

采用滑參數(shù)停機，在整個停機過程中，主汽溫度由540度降至250度。對于汽缸而言，內(nèi)表面隨主汽溫度的下降而降低，冷卻速度快，受拉伸應(yīng)力，外表面冷卻速度慢，受壓縮應(yīng)力。對于汽輪機轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子外表面冷卻速度快于內(nèi)表面，外部受拉伸應(yīng)力，內(nèi)部受壓縮應(yīng)力。

2.3負荷變化時

隨著機組的負荷變化，汽缸和轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力也將發(fā)生變化。漲負荷時，熱應(yīng)力變化性質(zhì)與啟動時類似，落負荷時，與停機時類似。待負荷穩(wěn)定，溫差消除后，熱應(yīng)力變?yōu)榱恪?/p>

2.4左右側(cè)主汽溫度偏差大時

在機組啟動時存在著左右側(cè)主汽溫度偏差大，這種情況也容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。因為左右側(cè)主汽溫度偏差大，在進入汽輪機時，不會混合均勻，這就造成在汽缸或轉(zhuǎn)子同一表面上由于接觸的蒸汽溫度不均，而產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力變化。

2.5運行中主汽溫度變化大

機組運行中，主汽溫度發(fā)生異常變化，也將對汽輪機產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

3熱應(yīng)力的危害

3.1交變熱應(yīng)力

通過對以上幾種情況的分析，可發(fā)現(xiàn)：

機組啟動————→機組正常————→機組停止

漲負荷 ————→ 維持 ————→落負荷

汽溫增長————→ 穩(wěn)定 ————→ 汽溫下降

熱應(yīng)力變化： 壓縮應(yīng)力————→應(yīng)力為零————→拉伸應(yīng)力（以轉(zhuǎn)子外表面為例）

我們可以看到轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的變化為一個熱應(yīng)力循環(huán)，轉(zhuǎn)子在這種交變熱應(yīng)力的作用下，其材料會疲勞損傷，甚至出現(xiàn)裂紋，縮短轉(zhuǎn)子使用壽命。

3.2等效應(yīng)力

汽輪機轉(zhuǎn)子除了受熱應(yīng)力作用外，還受離心應(yīng)力，自重彎曲應(yīng)力以及傳遞扭矩的切應(yīng)力作用，后者統(tǒng)稱為機械應(yīng)力。即等效應(yīng)力=熱應(yīng)力+機械應(yīng)力。轉(zhuǎn)子在多種力的作用下工作，工作條件非常惡劣，而且轉(zhuǎn)子本身各部件受力情況不一，在某些應(yīng)力集中區(qū)，如葉輪根部、軸肩等部分應(yīng)力遠遠大于平均應(yīng)力。如果轉(zhuǎn)子的等效應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，將造成設(shè)備的損壞，縮短轉(zhuǎn)子的壽命。

4運行中如何減小熱應(yīng)力

由于部件各部位溫度不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，它值的大小與各部件間的溫差成正比。若要減小熱應(yīng)力，就要控制住溫差，使物體盡量受熱均勻.

在我公司機組的諸多保護中，有一條熱應(yīng)力保護，它對汽輪機在不同工變形進行在線監(jiān)視，一旦熱應(yīng)力超限，保護裝置將起作用。此保護為：

熱應(yīng)力=80%--100%， 將負荷梯度由100%減至0%

熱應(yīng)力=105%或-105% 報警 30min后跳機

熱應(yīng)力=125% 報警 1min 后跳機

熱應(yīng)力=-125% 報警 立即跳機

4.1在機組啟動過程中合理控制升速率、溫升率和漲負荷率。我廠汽輪機的沖轉(zhuǎn)過程已完全實現(xiàn)程序化控制，它會合理的分配升速率從而達到對熱應(yīng)力的控制。為使轉(zhuǎn)子或汽缸受熱緩慢、均勻，應(yīng)使溫升率≤1.2 度/min，升負荷率≤1-2MW/min。

4.2在機組滑停過程中，應(yīng)使各部件均勻冷卻，這就需要控制降負荷率和溫降率，從而控制轉(zhuǎn)子溫降率。要求轉(zhuǎn)子溫降率≤0.8度/min。

4.3在正常漲落負荷過程中，為了減小熱應(yīng)力，需要對負荷變化率進行控制，要求為2-3MW/min。

4.4在正常運行中，加強對主汽溫度的監(jiān)視，防止溫度發(fā)生不正常的大幅度變化。

4.5在啟動過程中，左右側(cè)主汽溫差超過20度時，嚴(yán)禁沖轉(zhuǎn)，避免溫度不均蒸汽進入汽輪機，造成較大熱應(yīng)力。

結(jié)語

通過上述對汽輪機熱應(yīng)力的討論，我們了解了熱應(yīng)力的產(chǎn)生原因和危害，我們今后在工作中應(yīng)加強對熱應(yīng)力變化的監(jiān)視，防止由于熱應(yīng)力過大而損壞設(shè)備。同時我們還應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，掌握在不同工況下對熱應(yīng)力的控制方法。

參考文獻

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