某1 000 MW超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動優(yōu)化

吳凌軒, 紀冬梅

(1. 上海電力大學 能源與機械工程學院， 上海 200090;2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司， 上海 200240)

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

超超臨界機組的大規(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，盡量快速地啟停機組，這樣可以節(jié)省在啟動過程中所消耗的煤和油，降低運行成本。超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命關(guān)系到整臺汽輪機的壽命，合理地控制啟停時間、盡量減少熱應(yīng)力是保護超超臨界機組零部件安全的重要措施。

隨著火電機組參與調(diào)峰次數(shù)的增多，汽輪機轉(zhuǎn)子在頻繁啟動過程中，疲勞壽命損耗加劇，為了提高火電機組的安全性、經(jīng)濟性，指導汽輪機運行，研究汽輪機啟動過程的優(yōu)化具有極其重要的意義。

汽輪機在冷態(tài)啟動時，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，尤其是汽輪機高壓轉(zhuǎn)子的進汽端軸的汽封和前幾級葉片根部，汽溫變化最劇烈，是轉(zhuǎn)子的最危險部位；由于汽輪機轉(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，從而指導優(yōu)化汽輪機啟動過程。

兌悅等[5]分析了某320 MW亞臨界凝汽式汽輪機的冷態(tài)啟動過程，將啟動過程分成幾段，分別改變各段的進汽溫升速率，基于非線性函數(shù)尋優(yōu)對汽輪冷態(tài)啟動過程進行了優(yōu)化，在保證安全的前提下，將啟動時間縮短了近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，建立了汽輪機啟動優(yōu)化目標函數(shù)數(shù)學模型，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，通過改變進汽溫升速率，獲得了最優(yōu)化啟動方案。

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

1 通流部分傳熱系數(shù)的計算及分析

1.1 計算說明

溫度的變化在熱力機械構(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，變形受到限制，在其內(nèi)部會形成應(yīng)力，該應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。計算汽輪機高壓缸轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力之前，必須得到啟動過程中汽輪機的溫度分布。在汽輪機冷態(tài)啟動的過程中，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、啟動時間變化，是時間和空間的函數(shù)。

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

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

1.2 計算結(jié)果

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

典型位置的傳熱系數(shù)計算結(jié)果見圖3。

由圖3可得：隨著冷態(tài)啟動時間的推移，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)啟動結(jié)果分析

2.1 啟動前溫度場

進行有限元分析之前，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)啟動開始100 s時溫度場

冷態(tài)啟動開始100 s時局部放大高壓轉(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 ℃，位于進汽處，該處直接與400 ℃進汽接觸，溫度最高。冷態(tài)啟動開始100 s時局部放大高壓轉(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 啟動過程應(yīng)力曲線

整個啟動過程時間為480 min，啟動過程中最大應(yīng)力點的應(yīng)力變化曲線見圖7，啟動初期的時候應(yīng)力很大，所以對啟動初期應(yīng)力進行細化。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 進汽溫度優(yōu)化后轉(zhuǎn)子應(yīng)力分析

3.1 優(yōu)化方案

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

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

3.2 優(yōu)化后應(yīng)力計算

采用3個優(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)表達式[10]為：

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

(1)

文獻[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，彈性模量為137.7 GPa；文獻[10]中給出K為618.5、n為0.0921 。

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

S=1/N

(3)

優(yōu)化方案的轉(zhuǎn)軸材料壽命計算結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化方案的壽命計算結(jié)果

初始進汽溫度與循環(huán)次數(shù)的曲線見圖10。

5 結(jié)語

筆者采用優(yōu)化進汽溫度的方法，顯著降低了該1 000 MW超超臨界汽輪機高壓轉(zhuǎn)子冷態(tài)啟動過程的最大應(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，適當縮短中后期啟動的時間，可以在不影響轉(zhuǎn)子壽命的前提下，縮短汽輪機冷態(tài)啟動時間，這是后續(xù)待研究的課題。

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