分析强制冷却对200MW汽轮机高压转子寿命损耗的影响

1、分析强制冷却对200mw汽轮机高压转子寿命损耗的影响汽轮机停机后的自然冷却时间往往长达数天，占用了消缺检修的时间，从而严重延迟了机组的起动发电时间，降低了机组的可用率。在事故抢修情况下，该矛盾尤为突出，带来了巨大的经济损失。运用快冷技术，对空气强制冷却可以缩短停机时间，提高发电机组可用率。在当前电力供应紧张的形势下，快冷技术的运用，可以直接增加机组的发电时间和发电量，缓解当前的缺电局面，具有更加显著的社会、经济效益。在快冷技术应用趋于普遍的同时，近年各电厂和研究单位开始关注快冷过程中汽轮机的寿命损耗问题。空气强制冷却会产生冷冲击，部件温度变化加快，热应力也会相应增加，是否会对汽轮机部件造成过大

2、的损伤和寿命损耗，如果快冷过程中，机组寿命损耗不大的话，其冷却速率能否进一步加快，以产生更大的经济和社会效益。1机组快速冷却过程1.1快冷系统和运行参数控制沙角a电厂13号00mw汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的n200-130/535/535型一次中间再热凝汽式汽轮机，在大小修停机和抢修中多次投入快冷。投用强冷装置时，汽缸金属温度降低的速率控制在35/h，停机后盘车冷却时间由57天缩短到34天。高压缸和中压缸的快冷系统均采用空气顺流冷却方式，对高压缸的法兰螺栓和夹层也可以实施冷却，是目前国内较为成熟的快冷系统布置方式。快冷的关键在于控制冷却速度、冷却介质与金属表面的温差。沙角a电厂对200mw机

3、组快冷进气温差的规定：当高压内上缸内壁金属温度高于300，则快冷气进气温度应比高压内上缸内壁金属温度低60；当高压内上缸内壁金属温度高于200，则快冷气进气温度应比高压内上缸内壁金属温度低80；当高压内上缸内壁金属温度高于100，则快冷气进气温度应比高压内上缸内壁金属温度低100。1.2沙角a厂3号机组的实际快冷投运过程为配合沙角a电厂3号机第4次大修汽轮机三缸通流的改造大修，抢夺工期，在大修停机中实施了滑参数停机与停机后快速冷却相结合的停机快冷方式。2002年3月3日零时11分，利用周日调峰机会，3号机组开始滑参数停机，滑停前机组负荷为140mw，主蒸汽温度为476，主蒸汽压力为6.8mpa

4、，高压内缸内壁上壁温度为463。3月3日5时41分，负荷到0，打闸停机，此时主蒸汽温度为57，主蒸汽压力为2.5mpa，高压内缸内壁上壁温度为51。滑停过程平均降压速度0.013mpa/min，降温速率为0.664/min。打闸之后转子惰走时间为1min。本次滑停操作非常成功，最终滑停时参数较低，为缩短冷却盘车时间创造了有利条件。经过一段时间的自然冷却，3月3日下午14时20分开始投入快冷装置运行，此时高压内缸内壁上壁温度为242，设定快冷装置加热后的压缩空气温度为150，二者的温差为90。3月4日凌晨5时45分，高压内缸内壁上壁温度降至148，停盘车，停止快冷运行。快冷过程中高压胀差控制在1

5、.21.6mm，中压胀差控制在00.33mm，都在运行规程允许的正常范围之内。1.3沙角a厂3号机停机过程中的参数变化趋势a)滑停阶段，3号机主蒸汽温度的变化趋势，见图1所示。b)快冷阶段高压内缸上半内壁温和压缩空气温度变化趋势，见图2所示。由图2可见，压缩空气温度与高压内缸上半缸内壁温度降低的速率和趋势是一致的，且二者之间的温差在80100内。2汽轮机高压转子的温度场、应力分布寿命损耗计算模型在汽轮机转子热应力寿命评估时，对汽轮机寿命最薄弱的环节高压转子进行温度场、应力场分布计算。在快冷过程中，汽轮机高压转子蒸汽温度变化最剧烈的部位是与冷却压缩空气接触的调节级，现将此处定为快冷寿命考察的重点

6、部位，以求得不同强冷速率对汽轮机寿命的影响情况。2.1汽轮机转子温度场计算的数学模型2.1.1轴对称二维非稳态温度场的模型计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、各向同性无内热源的物体，属于解轴对称非定常温度函数问题，其温度t应满足下列偏微分方程式：式中:t转子任意一点的温度;ti转子初始温度；a转子材料导温系数，a=/cp；tf与转子表面接触的蒸汽温度；蒸汽与转子表面的放热系数；时间；cp转子材料比热；转子材料导热系数；转子密度；r转子监视段径向任一点的半径；rext转子外半径；rint转子内半径。可以用变分原理将此方程转化为求泛函的极值，并通过求解区域的离散化来求解。2.1.

7、2高中压转子材料换热系数的计算国产高压机组中高中压转子的材料多为30cr2mov低碳合金钢，其物理特性随温度变化而变化。因为30cr2mov钢的换热系数在400时为最大，见文献1和图1，这对安全生产有利。换热系数的计算在蒸汽传热阶段，换热系数与转速、蒸汽压力相关。在一般精度计算时，可以把这归纳为与蒸汽压力的关系，即：式中：p高压调节级或中压第一级处的蒸汽压力；n转速(在强冷阶段，空气与转子间的换热系数，取文献4中推荐的最大值200w/(m2k)。2.2汽轮机转子应力计算模型对寿命影响最大的是温差大和应力集中的部位。经过分析比较，把高压转子调节级后的叶轮根部作为危险部位来重点监测和考察计算。2.

8、2.1热应力计算将转子视为无限长圆柱体，设转子的外径为rext，内径为rint(断面上温度的分布对称于分布转子的轴线)，则由弹性力学中的物理方程、平衡方程、几何方程，可以得出计算转子热应力的通用计算式为：式中：e材料弹性模量;材料线胀系数;v泊桑比；温度与圆柱体体积平均温度的差，t为外表面或中心孔温度。2.2.2离心应力的计算转子上除了热应力之外，还存在由离心力、蒸汽压力及作用力、转子自重等因素产生的机械应力，其中除由离心力产生的切向应力较大外，其它各项应力对于机组的起动安全及寿命损耗来说，一般都可以忽略不计。在任意转速下的离心应力值为：式中：n任意转速n下的离心切向应力;额定转速n0下的切向

9、离心应力。2.2.3转子的合成应力转子外表面及中心孔只存在轴向及切向应力，径向应力为零，切向应力既有热应力又有离心应力，当忽略轴向热流的影响时，轴向热应力与切向相等，此处轴向应力主要是热应力th，切向应力为切向热应力与离心力引起的切向机械应力之和。在这种应力状态下，根据第一强度定理，可以得到:式中：eq转子中心孔或外表面处的合成应力。2.2.4热应力集中现象在汽轮机转子外表面的叶轮根部圆角、轴肩以及槽沟等部位，都存在不同程度的热应力集中现象，在机组起停时，这些部位特别是轴封弹性槽处的热应力可能达到较高的水平，导致疲劳裂纹首先在这些应力集中部位发生和发展，是影响机组起停安全和寿命损耗的重点部位。

10、应力集中部位的最大应力与无应力集中时光轴上的公称应力之比称为应力集中系数，即对于热应力集中系数kth，国内外都进行了大量的研究，可以根据资料或经验公式求得。考虑热应力集中系数kth，转子的最大应力值为：2.3寿命损耗的计算汽轮机转子的寿命系指其金属材料的使用寿命，包括由于汽轮机的起停及变负荷运行导致的低周疲劳寿命损耗和材料在高温状态下受应力作用的蠕变寿命损耗。2.3.1载荷谱应用雨流法，对应力谱进行分解可以获得与这个应力谱等效的应力循环序列，进而得到应变循环序列，通过应变和寿命损耗的关系及寿命损耗的线性累积准则(miner准则)，计算出这段时间内的寿命损耗值。2.3.1低周疲劳寿命损耗的计算沙

11、角a电厂国产汽轮机高中压转子材料30crmov的低周疲劳解析式为式中：n总应变量；t循环周次。2.3.3高温蠕变寿命损耗可用转子在不同温度区域运行的时间累积值来计算高温蠕变寿命损耗。2.3.4总寿命损耗根据miner公式，假设寿命损耗由低周疲劳寿命损耗和高温蠕变寿命损耗两部分线性累加构成，则寿命损耗的计算公式如公式(9)。式中：ni循环应力作用下，实际循环周次;ni循环应力作用下，材料失效循环周次;tj在j温度条件下，实际运行时间;tbj在j温度条件下，材料蠕变失效时间。miner准则认为当寿命损耗累积达到1时，就有可能出现裂纹。在实际操作过程中，为了安全起见，有时在e=0.5时，就认为寿命终

12、了。第7/11页33号机组停机和快冷过程汽轮机高压转子的寿命损耗计算结合沙角a电厂3号机组快冷系统投入运行的情况和数据，运用前述的数学模型计算方法，对快冷过程汽轮机高压转子的寿命损耗进行了计算。3.1应力和寿命损耗从汽轮机减负荷开始，到汽机快冷结束的整个停机过程中，汽轮机高压转子调节级处的应力变化趋势见图3。从图3中可以看出，在停机过程中高压转子出现了一个应力的主峰值和次峰值，最大应力峰值491mpa出现在滑参数停机过程中；次峰值117mpa出现在滑参数停机完毕之时。由此计算得出:本次停机过程中机组的具体寿命损耗为0.00576%，寿命损耗相当小。3.2寿命损耗计算结果分析由于沙角a电厂3号机

13、组的快冷停机过程的寿命损耗为0.00576%，这样，从ge公司、日本三菱公司、上海汽轮机厂等各汽轮机制造厂制定的寿命分配数据看，提供的周末停机一次的寿命损耗分配值为0.002%或0.01%，可以说明本次滑停加上快冷的停机过程的寿命损耗值在各汽轮机制造厂制定的寿命分配数据范围之内，属于停机正常的寿命损耗。由此也可以看出，本次快冷过程，高压内缸上缸内壁温度的平均冷却速率为6.1/h。在目前的冷却速率下，快冷停机过程寿命损耗较小且在正常范围之内，与正常的停机寿命损耗相当，此冷却速率属于合理范围之内，也说明本次快冷停机过程是安全、成功的。4不同强冷速率对寿命损耗影响的计算分析在当前我国电力供应形势紧张

14、的背景下，汽轮机快冷过程的冷却速率如果进一步加快的第8/11页话，可以进一步缩短停机时间，产生更大的效益，为此，文章将探讨在更快的冷却速率下机组寿命的损耗问题，以求其实施起来的可行性。为了探讨机组快冷冷却速度的潜力，以及快冷的优化方式，本文还模拟了机组两个冷却速率更高的快冷工况并进行了寿命损耗的计算，并与前述实际快冷实验过程的寿命损耗进行对比，以探讨相关的结论。4.1三种强制冷却工况的寿命损耗对比计算通过模拟提高快冷过程中压缩空气的温度与高压内缸上缸内壁温度之间的温差，来得到冷却速率较高的两个模拟工况。在模拟工况1下，滑停阶段的速率不变，而在快冷阶段，高压内缸上半缸内壁温度的下降速率为14.1

15、/h，停机后冷却时间为15h10min(含自然冷却时间8h40min)。在模拟工况2下，滑停阶段的速率不变，而在快冷阶段，高压内缸上半缸内壁温度的下降速率为8.4/h。停机后冷却时间为19h10min(含自然冷却时间8h40min)。由此可以得出在两种模拟工况和实际工况下，快冷阶段高压内缸上半缸内壁温度随时间下降的具体趋势，见图4。经过计算，三种工况停机过程的高压转子调节级区域的应力谱见图5。4.2三种强制冷却工况的寿命损耗对比计算结果分析从应力谱曲线的趋势来看，三条曲线在滑停阶段和自然冷却阶段的应力谱分布是完全一致的。这是由于在三个工况下，两个阶段的冷却数据完全一致的。最大应力峰值(491mpa)出现在滑停过程中，而快冷阶段三个工况的应力分布出现不同，模拟工况1的应力水平较高；模拟工况2的应力水平次高；实际快冷工况的应力谱分布水平最低。从整个曲线看，快冷过程的应力走向较为平稳，而且应力水平较低，不超过71mpa，但三条曲线的总体分布是一致的。寿命计算结果得出在三个工况下停机过程中的寿命损耗值均为0.00576%，可见快冷阶段应力水平的变化较小，并未对汽轮机的寿命损耗产生影响。模拟工况下加快冷却速率，对汽轮机