1000MW機組汽輪機深度調峰損傷分析三維建模技術研究

大唐華東電力試驗研究院 劉俊建 王萬里 上海如為電力科技有限公司 孫 軒 劉曉云

隨著新能源的發展，1000MW機組未來調峰將成為常態。要想提高可再生能源的消納能力，就要不斷優化、改造深度調峰技術，這是燃煤機組后續的發展趨勢[1]。汽輪機在深度調峰運行過程中，負荷降低會使蒸汽溫度逐漸降低，尤其是鍋爐從干態變為濕態的過程中，由于氣溫過熱度不夠，極易發生汽輪機的水沖擊問題。加之鼓風摩擦等因素的影響，在一定程度上會導致蒸汽不足，無法將熱量排出，不斷增高低壓缸內的排氣溫度。

深度調峰主要影響聯合循環機組的安全可靠性及運行經濟性。機組進行深度調峰，不可避免地會偏離設計工況點，其運行經濟性會受到影響。頻繁快速變負荷以及長期低負荷運行也將加速機組核心部件的壽命損耗及損傷，影響機組的運行壽命，為此深度調峰需要確保汽輪機在安全、穩定的狀態下運行，使電廠的經濟、社會效益大幅提升[2-3]。

為了研究機組深度調峰對汽輪機設備壽命損傷影響。需要對汽輪機高壓內缸、轉子和中壓內缸、轉子等部件進行穩態、瞬態熱力耦合分析。分析其滿負荷和低負荷問題，冷熱態啟動、正常停機和事故停機過程工況下溫度場和應力場。汽輪機部件結構復雜、數量繁多，根據汽輪機廠家提供圖紙只能建立大致三維模型，部件倒角、圓角等結構難以從圖紙中讀取。為此，為了保證計算精度，需要采用圖紙和現場三維掃描結合模式。在機組停機大修期間，采用手持式激光掃描儀，對汽輪機高壓缸和低壓缸局部進行掃描，獲取局部尺寸，用于部件精準三維掃描。

1 三維掃描技術及部件三維掃描

在三維掃描儀出現之前，復雜設備的測量難度大、周期長和精度不夠。特別是電力行業高溫高壓設備，由于運行中承受較大壓力和溫度，制造精度高。通過一定時間的運行后，往往設備都會出現一定的應力釋放和蠕變變形導致的形狀改變。單獨用常規測量工具難以得到其精準尺寸。另外，如汽輪機葉片采用的是復雜的曲面設計，常規工具根本無法測試其三維外觀。三維掃描儀是一種應用于現代工業精準檢測儀器，通常用于測試和分析物體形狀、幾何構造、外觀數據（如顏色、表面反照率等性質）。測試得到的基礎數據被用于進行三維重新建模計算，在計算機三維場景中創建實際物體的數字模型。

靈活定位可使操作員根據其需要的任何方式進行360°移動物體。便攜式掃描儀具有體積小、攜帶方便的特點。便攜式手持三維掃描儀，可裝入普通通用手提工具箱，方便攜帶到作業現場或者工廠間。可以實現激光掃描技術的一些高質量數據，保持高解析度，同時在平面上保持較大三角形，從而生成較小的各種格式文件。便攜式手持三維掃描儀功能多樣并方便用戶使用，允許在狹小空間內掃描幾乎任何尺寸、形狀或顏色的物體。

本項目采用線激光手持式三維掃描儀，其自帶校準功能，采用高性能的紅色線激光閃光燈，配有一個穩定閃光燈和兩臺工業級攝像機。工作時將激光線照射到被掃描物體上，兩個相機快速捕捉瞬間的三維掃描數據。由于被掃描表面的曲率不同，光線照射在被掃描物體上會發生反射和折射。掃描所獲取的基礎數據通過數據處理程序轉換為三維模型。在掃描儀移動的過程中，光線會根據移動速度、方向等進行調整，計算機系統及時識別這些變化從而快速對系統進行優化調整。在掃描過程中移動掃描儀，即使掃描時動作很快，也同樣可以獲得高精度的掃描數據，手持式三維掃描儀工作時使用反光型角點標志貼，與掃描軟件配合使用，支持攝影測量和自校準技術。

在某1000MW機組停機檢修期間，技術人員在現場對汽輪機部件進行了測繪和掃描。具體部件包括高壓內外缸、高壓轉子和葉片、中壓內外缸、中壓轉子和葉片、低壓內外缸、低壓轉子和葉片。采用天遠FreeScan UEPro多功能激光手持三維掃描儀進行現場掃描，其技術參數見表1。

表1 三維掃描儀技術參數

掃描結束后對掃描數據進行了對齊、優化、融合、補洞、簡化、平滑等處理，得到高質量的面片模型。根據模型的曲率、特征等特性快速將面片歸納和分類為不同的集合領域，提取設計參數，自動創建草圖輪廓。用基于網格的擬合算法創建了NURBUS曲面，從網格的自由形狀輕松快速創建三維自由曲面體。從掃描數據創建了CAD特征，混合實體和曲面建模涵蓋不同零件類型，確保模型精度。

2 三維建模及模型測試

根據圖紙和掃描處理數據，在三維建模軟件中對汽輪機部件進行了建模，模型整體框架尺寸采用拼裝圖，局部采用三維掃描數據。如圖1所示，汽輪機外缸總體長度為6000mm左右，模型中包括高壓排氣口、抽汽出口管、冷卻蒸汽出口管、腔室壓力和溫度檢測孔等詳細部件。圓角和倒角采用手持式激光測試儀進行測試。相對于高壓外缸，高壓內缸對模型的要求更高。由于轉子和葉片的裝配，所以內缸內壁有完整的機械加工，其圓角尺寸為R12到R24之間，相對整個缸體其值較小，如果不采用激光測試儀，很難在其內部進行細節尺寸測量。在缸體沒有拆除情況下，現場搭設儀器掃描平臺，對所有小倒角和圓角進行了精細化掃描。

圖1 高壓外缸和內缸

由于葉片結構的特殊性，一般無法直接建模，通常采用三維直接掃描方法。通過三維掃描將葉片點云信息掃描出，然后通過模型處理，得出葉片的具體三維實體模型。汽輪機葉片在運行后，且在大修期會將轉子調離氣缸。但是葉片不會拆卸，為此葉片三維掃描只能在葉片安裝狀態下掃描。一般低壓缸、中壓和高壓缸末級部分結構較大，容易進行掃描。而對于高壓缸進氣部分葉片，部分曲面無法掃描到。原因是掃描儀采用激光反射原理，如果兩個葉片靠得近，相互會擋住激光掃描。為了克服掃描盲區，在葉片表面貼上保護層，采用具有一定黏度的保護膜材料。然后將不能掃描部位涂上快干膠，等膠干后取下成型膠。

成型后膠體較好地生成了頁面的曲面，同時在參考點會有一個圓形凹槽，在凹槽處貼上和葉片參考點一樣的反光點。根據反光點，再用計算掃描儀對曲面進行掃描，形成新的點云信息。根據兩次掃描點云信息，結合參考點坐標，在專業工具中形成葉片的整體三維模型（如圖2～圖4所示）。

圖2 高壓轉子和葉片

圖3 中壓外缸和內缸

圖4 中壓轉子和葉片

汽輪機部件損傷分析采用我國自主研發魚海仿真高性能CAE軟件，魚海CAE軟件是大型通用基于結構和溫度有限元分析工具，能與當前市面上現有電腦輔助設計軟件接口進行模型數據的共享和交換。其將高性能CAE技術充分應用于工業系統級產品研發，實現產品性能的精準評估。汽輪機模型建立后，為了測試模型質量，需要對汽輪機部件導入到魚海CAE中，通過魚海CAE導入接口，實現了部件的完整導入，如圖5～圖7所示。

圖5 高壓和中壓內缸模型導入

圖6 高壓和中壓內缸模型網格劃分

圖7 高壓和中壓內缸有限元分析

同時，采用6面體單元對模型進行了網格劃分，根據系統自動選擇單元精度，網格劃分順利，在三維空間模型中自動生成了規則網格，沒有出現錯誤。針對劃分好的網格模型，加載了溫度、重量、壓力等邊界條件，進行了求解和后處理，在計算和處理過程中沒有出現錯誤。為此可以得知，所建模型具有良好的質量，可為后續汽輪機部件調峰狀態壽命損傷分析打好基礎。

3 結語

為了對汽輪機部件進行調峰狀態壽命損傷分析，對汽輪機高壓缸、中壓缸、高中壓轉子等進行了三維現場掃描，結合建模工具和有限元分析軟件，完成了如下前期工作。

收集設計、安裝等資料，掌握某超超臨界機組汽輪機高中低壓轉子體、動靜葉片、汽缸等部位的基本尺寸和結構形式；結合機組檢修，采用三維掃描儀對汽輪機高中低壓轉子、動靜葉片、汽缸等部件整體進行掃描，掌握整體尺寸，精確到0.2mm；針對結構突變、葉根等容易引起應力集中或應力變化頻繁部位進行精細化掃描，精確到0.1mm，以便開展服役狀態應力分析。

根據三維掃描結果和圖紙，建立汽輪機轉子、葉片、汽缸等的總體模型，實際誤差不超過0.2mm。模型具有相對光滑的曲面、規則的轉角過度尺寸；對汽輪機部件導入到有限元分析軟件中，通過軟件導入接口，實現了部件的完整導入。同時，對模型進行了網格劃分，加載了溫度和重量邊界條件，進行了求解和后處理，在計算和處理過程中沒有出現錯誤。