正暖和倒暖啟動對汽輪機組壽命的影響研究

李國慶，崔崇，何青

正暖和倒暖啟動對汽輪機組壽命的影響研究

李國慶1，崔崇2，何青1

（1．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區102206；2．國電鍋爐壓力容器檢驗中心，北京市 昌平區102209）

汽輪機轉子是機組最脆弱的設備，其使用壽命代表了整個機組的壽命，而在啟動過程中轉子所承受的等效應力最大，因此掌握不同啟動方式下機組壽命的情況尤為重要。將某電廠汽輪機組作為仿真算例，對以冷態正暖和背壓倒暖2種方式啟動的機組進行三維建模、網格劃分以及溫度場和應力場的模擬分析，并進行壽命評估計算，得出2種啟動方式下的機組壽命損耗，比較2種啟動方式的優劣，為不同機組選擇合適的啟動方式提供合理的建議。

汽輪機轉子；啟動方式；仿真模擬；壽命評估

0 引言

汽輪機最核心的部件是轉子，工作的環境通常較為惡劣，如高溫、高壓以及高速，在3者的綜合作用下，不可避免地會發生損耗，其主要失效形式為高溫蠕變-疲勞交互式損傷失效，且無法通過修復等簡單的方法、以較低的成本實現對其壽命的延長，所以轉子的使用年限代表了整臺機組的運行壽命[1-3]。

導致機組疲勞損耗的應力是由離心力和熱應力共同作用產生的，而熱應力是最為主要的。轉子在汽輪機的啟停過程中經歷的溫度起伏較大，由此產生的熱應力比正常運行時的熱應力大，而不同的啟動方式導致機組生成的熱應力也不一樣。一般根據汽輪機進汽方式不同，將啟動分為正暖啟動和倒暖啟動。正暖啟動又叫冷態啟動，指主蒸汽依次經過高壓缸、中壓缸進行暖機、沖轉的啟動方式；倒暖啟動指蒸汽從中壓缸進入汽缸，先暖中壓缸再暖高壓缸，并且推動轉子旋轉的啟動方式[4-7]。為了解機組的壽命損耗以便優化機組運行管理，有必要掌握不同啟動方式對機組壽命產生的影響。本文以某一汽輪機組為例，對轉子以冷態正暖和背壓倒暖2種方式啟動進行壽命損耗計算，比較2種啟動方式對機組的影響。

1 壽命評估的理論基礎

1.1 有限元壽命評估流程

有限元評估是目前壽命評估應用最多的方法，能夠根據機組的實際情況建立相應的模型，并且設置所處的環境條件，最終清晰合理地模擬出其溫度和應力的數值及變化。圖1給出了利用有限元具體模擬、計算轉子壽命的流程[8-11]。

圖1 壽命評估流程

1.2 建立模型

實際的轉子葉片結構十分復雜，很難真實地建立模型，為了確保汽輪機轉子具有一定的質量以及恒定的轉動慣量，需將葉片等效為質量圓環。轉子葉片的等效轉換原理是：將葉片底端寬度與輪轂寬度相比較，當兩者差值小于10 mm時該葉片選擇輪轂的寬度，否則取葉片底端的尺寸。

對于轉換為等效質量圓盤的轉子，若某級葉片寬度、密度、厚度以及葉輪半徑分別為、、和，那么該級葉片的質量和轉動慣量由式(1)、(2)可得，而葉片的厚度和密度可由式(3)、(4)計算。因此若已知該級葉片的半徑以及圓盤寬度，聯立式(1)—(4)即可求解其余4個未知量。

1.3 網格劃分

劃分網格是有限元計算中至關重要的一步，劃分的優劣對模擬的結果有著重大影響。劃分網格的方法通常分為四面體劃分、自動劃分、六面體劃分以及掃掠型劃分，根據不同的對象模型采取不同的劃分方法，劃分方法選取的依據是：如果分析三維實體模型，通常將網格劃分為六面體；而當分析的對象是比較規則、結構簡單的物體時，掃掠劃分是比較好的選擇；在有前2種方法的情況下不建議將網格劃分為四面體；自動劃分是系統自動生成的網格，劃分的結構簡單、體積較大且質量粗糙，通常作為正式模擬之前的實驗手段。

1.4 材料參數確定

汽輪機轉子材料的性能不是固定不變的，通常會隨外在因素(所處的溫度和壓力)以及自身結構(如損壞情況)的改變而變化。而在整個啟動范圍內，轉子所承受的溫度和壓力都在不斷變化，所以為了使模擬過程更接近真實的運行情況，需要掌握各工況下轉子的物理特性、化學性能以及機械特性等[12-13]。

1.5 確定邊界條件

有限元分析要設置邊界條件，而在轉子啟動過程中邊界條件包括熱學邊界條件和力學邊界條件：

1）根據轉子的實際情況，確定不與蒸汽接觸的絕熱邊界條件以及和蒸汽進行熱交換、將蒸汽的溫度和計算得出的換熱系數作為第3類邊界條件；

2）根據轉子軸承的數量以及作用，選擇不同的約束方式。

其中計算轉子與蒸汽之間的對流傳熱系數是設定熱邊界條件的前提。根據傅里葉定律以及牛頓冷卻定理可以計算不同蒸汽參數下各級轉子葉片的對流傳熱系數[14]：

式中：為接觸面外法線向外的方向；為對流傳熱系數，W/(m2×K)；為導熱系數，W/(m×K)；f為葉片周圍的蒸汽溫度，℃；w為轉子表面溫度，℃。

2 仿真過程及結果

2.1 建模

以某電廠帶有9級葉片的汽輪機作為仿真算例，在對該機組研究之前，對文獻[15]中的機組進行測試驗證，仿真得出的溫度場和應力場與文獻[15]的結果基本一致，所以可以使用Workbench及以上方法對機組進行熱力學分析。某電廠轉子結構如圖2所示，只有一級調節級，其余為壓力級，2個前后的軸承支撐了整個轉子，其中前軸承約束了轉子徑向的自由度，后軸承不但約束了徑向自由度，還約束了軸向的位移，只保留了周向的自由度。

按照等效圓環變化方法可建立如圖3所示的轉子三維模型。

使用六面體網格劃分方法劃分模型，如圖4所示。

圖2 轉子結構圖

圖3 轉子三維模型

圖4 網格劃分

該機組轉子的組成材料為30Cr2MoV合金鋼，其在不同溫度下的疲勞特性如表1所示。

表1 循環應力-應變特性參數

Tab.1 Characteristic parameters of cyclic stress-strain

2.2 啟動方案

該轉子正暖和倒暖啟動過程的具體參數變化分別如圖5、6所示。

圖5 正暖啟動過程參數變化曲線

圖6 背壓倒暖啟動過程參數變化曲線

2.3 仿真結果

2.3.1 冷態正暖

1）溫度場。

按照該轉子的實際約束及啟動曲線，分別添加熱邊界條件以及力學邊界條件，模擬汽輪機轉子啟動過程的溫度場，分別如圖7和圖8所示，前者為剛開始啟動時汽輪機的溫度分布，而后者為機組穩定運行后轉子的溫度分布。由圖7、8可以看出，隨著啟動的開始，各級葉片溫度慢慢上升，由主汽門進入的過熱蒸汽從調節級依次流經各級，所以第1級的溫升最大，并且在流通的過程中溫度逐級遞減。

圖7 正暖啟動沖轉前溫度場

圖8 正暖啟動穩定運行時溫度場

2）應力場。

將以上得到的溫度場作為計算熱應力的原始參數導入力學計算模塊，便可得到轉子啟動過程的應力場。圖9和圖10分別為模擬出的沖轉前以及穩定運行時轉子的應力分布，可以看出，應力最大值的位置隨著啟動過程不斷變化，啟動開始時，速度較快的蒸汽立即與各級葉片接觸，調節級葉片較厚，其余動力級葉片較薄，且前段蒸汽溫度高，所以第一級動力級溫升速度快，由此導致的熱應力最大；隨著汽輪機速度的提升，各級轉子表面的換熱系數增大，換熱加快，應力的最大值出現在調節級前端的圓盤底部。由于應力最大點的壽命決定了整個機組的壽命，所以圖11統計出了危險點應力變化。

圖9 正暖啟動沖轉前應力場

圖10 正暖啟動穩定運行時應力場

圖11 正暖啟動中危險點應力變化

2.3.2 背壓倒暖

1）溫度場。

對于背壓倒暖，沖轉前和穩定運行時溫度場分別如圖12、13所示，可以看出0min倒暖結束，由于轉動速度較低(5.48 r/min)，轉子表面的放熱系數不大，1.5h內轉子溫度升高至250℃左右，并且最大溫度出現在第8級葉片。從0min開始停止倒暖，混合部分冷再的蒸汽從主汽閥進入，控制蒸汽溫升在一定的范圍內，不至于使轉子因溫升過高而引起較大的熱應力。

圖12 倒暖啟動沖轉前溫度場

圖13 倒暖啟動穩定運行時溫度場

2）應力場。

與正暖啟動相同，最大應力發生的部位隨時間而改變，背壓倒暖結束時，最大應力位于第8級葉輪根部，如圖14所示。新蒸汽開始沖轉后，最大應力基本位于調節級葉片，從一開始的葉片頂端逐漸轉移至葉輪進汽側根部。一開始出現在葉片頂端是因為高溫蒸汽剛接觸葉片時，葉片溫度變化較大，引起較大的熱應力；隨著蒸汽溫度逐漸升高，調節級葉輪根部在熱應力及離心力的作用下出現了較大的熱應力，如圖15所示。背壓倒暖啟動時葉輪根部危險點應力變化如圖16所示。

圖14 倒暖啟動沖轉前應力場

圖15 倒暖啟動穩定運行時應力場

圖16 倒暖啟動中危險點的應力變化

3 壽命評估計算

3.1 壽命計算公式

由Manson-Coffin原理可得汽輪機轉子用鋼在對稱循環應力下的-公式[16-17]：

對30Cr2MoV鋼在不同溫度下的試驗結果進行整理，擬合出這種鋼的-公式，該公式有95.4%置信度：

而塑性應變和彈性應變組成了總的應變，應變–應力關系式如下：

機組一次啟動或停機所引起的壽命損耗：

因此，求得啟停運行中應力最大點發生位置的等效應力即可得出因汽輪機啟停而導致的壽命損耗，而等效應力通常通過雨流法計算[15]。

3.2 冷態正暖

3.3 背壓倒暖

表2對比了2種啟動方式對轉子壽命的影響。

表2 2種啟動方式的比較

4 結論

對以冷態正暖和背壓倒暖2種方式啟動的機組進行了啟動過程壽命損耗的計算，對比2種啟動方式：

1）2種啟動方式啟動過程應力發生的幅值部位都是在調節級葉輪根部，而且發生的時間為汽輪機剛進入正常運行階段，因為此時轉速達到最大，葉輪根部的離心力最大，并且葉片與轉軸之間的溫差也達到最大，葉輪根部熱應力也最大，綜合應力達到最大；

2）背壓倒暖啟動較冷態正暖啟動時間短，并且倒暖過程的壽命損耗小于冷態正暖啟動的損耗，這是因為倒暖啟動暖機均勻，能夠有效地提高汽缸溫度，加快啟動速度，更容易控制各項參數，不至于使轉子因溫升過快而導致較大的熱應力；

3）雖然背壓倒暖啟動速度快，壽命損耗小，但并不意味著倒暖啟動方式比正暖啟動方式好，因為倒暖啟動系統復雜，對旁路配置要求高，需要較高的成本，并且倒暖對運行人員具有很高的操作控制要求；

4）機組選擇合理的啟動方式需要綜合考慮諸多因素，如運行操作人員的素質、經濟成本以及機組的安全，機組需根據自身實際情況選擇最優的啟動方案以減少壽命損耗，保證機組安全、經濟運行。

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Project Supported Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017XS050).

Study on Effect of Forward Warming and Backward Warming Start on Turbine Unit Lifetime

LI Guoqing1, CUI Chong2, HE Qing1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Guodian Boiler and Pressure Vessel Inspection Center, Changping District, Beijing 102209, China)

The turbine rotor is one of the most fragile components of the power plant, whose life is equal to the life of the unit. The rotor is subjected to the maximum equivalent stress during the process of start-up or shutdown, so it is particularly important to grasp the life of the unit under different starting modes. A power plant was taken as an example to build three-dimensional model, mesh, and analyzed temperature field and stress field of the unit under theforward warming and backward warming ways, and the life of the unit was finally evaluated. The life loss of the unit under two starting modes was obtained and the advantages and disadvantages of the two starting modes were compared to provide reasonable suggestions for selecting suitable starting mode for different units.

turbine rotor; starting modes; simulation; life assessment

10.12096/j.2096-4528.pgt.18163

2019-01-04。

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2017XS050)。

(責任編輯 楊陽)