汽轮机转子热应力在线监测与分析

汽轮机转子热应力在线监测与分析付忠广博士/教授能源与动力工程学院副院长电站机组运行优化技术研究所所长fzg@1/11/20231汽轮机运行与节能技术研讨班主要内容一、电网调峰与火电大机组调峰运行二、转子热应力分析三、金属材料的损伤及其影响因素四、寿命管理及寿命损耗五、汽轮机热应力在线监测1/11/20232汽轮机运行与节能技术研讨班我国人均发电量与西方主要国家比较国家项目美国日本中国年份1942196719902000201020202050人均发电量kWh/人.年350050005471106212924284502摘自—中国能源战略研究总报告

—中国工程院咨询报告97-00-01-01

国家电力需求1/11/20233汽轮机运行与节能技术研讨班我国人均发电量与发达国家差距目前我国人均耗电水平与发达国家人均耗电平均水平差距高达8547千瓦﹒小时。1/11/20234汽轮机运行与节能技术研讨班我国电网峰谷差据统计，2003年我国华北电网最高负荷31010MW，最低21090MW，最大峰谷差8980MW；东北电网最高负荷23350MW，最低14470MW，最大峰谷差8240MW；华东电网最高负荷29250MW，最低17200MW，最大峰谷差10530MW；华中电网最高负荷22970MW，最低11840MW，最大峰谷差10470MW；西北电网最高负荷12010MW，最低8760MW，最大峰谷差为3070MW。北京地区2005年夏季最大负荷已达10650MW，最大峰谷差已突破5000MW。电网中的峰谷差不仅与季节有关，而且每周、每日的不同时间也不尽相同。1/11/20235汽轮机运行与节能技术研讨班电网负荷曲线1/11/20236汽轮机运行与节能技术研讨班电网的调峰问题随着社会的发展，我国供电能力大幅度提高。同时，电网的负荷特性也发生了很大的变化，电网的峰谷差很大，商业用电、生活用电比例激增。1/11/20237汽轮机运行与节能技术研讨班调峰问题及其现状电力需求结构发生了较大变化，导致电网峰谷差增大，供电紧张我国电网的问题主要表现为：高峰期电力短缺电网峰谷差大最大负荷增长的波动性加大电网调峰困难1/11/20238汽轮机运行与节能技术研讨班电网峰谷差增大的主要原因第二产业用电比重减小第三产业和居民生活用电比重相应提高电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%，在经济发达地区，可能要大于这个数字工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高1/11/20239汽轮机运行与节能技术研讨班电网的调峰手段水电机组调峰抽水蓄能调峰机组燃气轮机机组调峰联合循环机组调峰火电机组调峰1/11/202310汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202311汽轮机运行与节能技术研讨班制约我国电网调峰的主要因素（1）我国水电的总体调峰容量十分有限主要是水电站季节贫水欠发时间长，有很多是径流式，汛期库容小，不宜弃水调峰；水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用，充分兼顾防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。1/11/202312汽轮机运行与节能技术研讨班制约我国电网调峰的主要因素（2）部分地区，如山东等经济比较发达的东部地区，受水力资源限制，基本没有可供经济开发的抽水蓄能水电站站址抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能电站一般造价高（需要引进可逆式机组）、建设周期长1/11/202313汽轮机运行与节能技术研讨班“十五”期间电力工业的主要任务

在水能资源贫乏（华东、华北等）、调峰能力弱、系统峰谷差大的电网，在对各种调峰手段进行充分技术经济论证和电网调峰规划的基础上，选择经济效益好的优良站址，适当建设抽水蓄能电站。1/11/202314汽轮机运行与节能技术研讨班我国已建抽水蓄能电站情况单位：万千瓦电网省份电站名称装机容量华北电网河北岗南1.1河北潘家口27北京市密云2.2北京市十三陵80华东电网浙江天荒坪180浙江溪口8江苏沙河10安徽响洪甸8华中电网湖北天堂7四川寸塘口0.2河南回龙12西藏电网西藏自治区羊卓雍湖9南方电网广东广州240合计

584.51/11/202315汽轮机运行与节能技术研讨班到2005年底，全国建成投产的抽水蓄能电站共13座，装机容量584.5万千瓦（不含台湾省，其中密云抽水蓄能电站2.2万千瓦已停用），占全国总发电装机容量的1.15%。1/11/202316汽轮机运行与节能技术研讨班全国在建抽水蓄能电站情况单位：万千瓦电网省份电站名称装机容量备注东北电网吉林白山30计划2006年9月末工程竣工辽宁蒲石河120计划2010年12月全部机组投入运行华北电网河北张河湾100计划2009年底首台机组投产发电山东泰安100计划2006年12月全部机组投入运行山西西龙池120计划2009年底首台机组投产发电华东电网浙江桐柏120计划2006年底全部机组投产发电安徽琅琊山60计划2007年12月全部建成投产江苏宜兴100计划2009年6月机组全部建成投产华中电网南方电网湖北白莲河120计划2008年底首台机组投产发电河南宝泉120计划2009年全部建成广东惠州240计划2011年全部建成合计

12301/11/202317汽轮机运行与节能技术研讨班在建抽水蓄能电站11座，装机规模为1230万千瓦（不含台湾省，其中国家电网公司系统990万千瓦，南方电网公司系统240万千瓦）。有学者曾用规划论方法进行分析，认为抽水蓄能机组在电网中的比例在8－14%之间是比较合理的。1/11/202318汽轮机运行与节能技术研讨班制约我国电网调峰的主要因素（3）受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰1/11/202319汽轮机运行与节能技术研讨班制约我国电网调峰的主要因素（4）电网结构不合理，受区域电网潮流及负荷联络线稳定极限的制约，导致电网局部地区负荷分配不合理，造成局部“窝电”、“欠电”现象，被迫加大电网调峰的现象普遍发生。1/11/202320汽轮机运行与节能技术研讨班制约我国电网调峰的主要因素（5）电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是以热定电，调峰能力差，2000年10万千瓦及以下凝汽机组和小于0.6万千瓦的小火电共计6000多万千瓦退役。据介绍，我国2007年关停小火电机组1438万千瓦。山东、河南分别关停了171.7万千瓦、154.3万千瓦。在“十一五”期间计划关停小火电机组5000万千瓦。我国将实行节能发电调度，即按照发电机组消耗的化石燃料确定其发电量。1/11/202321汽轮机运行与节能技术研讨班国内调峰现状

我国各电网均存在着火电机组调峰能力不足问题。我国火电机组约占总装机容量的73％，而国产大机组大多数是以带基本负荷设计的，主辅机均难以适应大幅度调峰运行的要求，使调峰能力不高。因此随着峰谷差的日益增大，我国电网的调峰问题将更加突出；当然调峰运行还与多种因素有关系，例如火电机组调峰的管理方法和经济政策、煤质的变化和锅炉的适应性等。当前我国调峰机组的运行方式主要是两班制运行、少蒸汽运行和低负荷运行。1/11/202322汽轮机运行与节能技术研讨班国内大型火电机组调峰需解决的问题对于原设计为带基本负荷的机组改为两班制运行须进行大量的实验和研究。一般情况必须进行以下几方面的工作：(1)通过实验，制订合理的启停方式，以满足调峰运行的需要；(2)在频繁启动停机的条件下，确保热应力、热疲劳、热膨胀在安全范围内；(3)在满足预定的寿命损耗的前提下，尽量缩短启动时间；(4)为了在限定时间内实现频繁操作，必须设法改善运行操作和加强监视功能；(5)必须最大限度地减少启、停损失。1/11/202323汽轮机运行与节能技术研讨班△4台50MW机组，80年代初组投运△1992年开始启停调峰运行，最多时

100多次/年△1998-1999年发现汽缸裂纹△2000年发现转子裂纹，最深一条7mm裂纹某地区汽缸、转子出现裂纹情况统计1/11/202324汽轮机运行与节能技术研讨班电网调峰的前景预测近几年来，核电机组的建设，化石燃料价格的上涨，使调峰机组有了新的变化。美国电力研究所(EPRI)对电网调峰的前景作了预测，得出如下结论：(1)大功率火电机组将来会承担调峰任务；(2)核电机组也将遇到调峰问题；(3)由于未来化石燃料资源和价格的限制，目前承担基本负荷的大型高效机组也会参与调峰。因此越来越多的国家开始重视调峰汽轮机的设计和调峰方式的研究，以平衡电网中日益增长的负荷峰谷差。1/11/202325汽轮机运行与节能技术研讨班调峰机组？国外已制造出专门用于调峰的大容量汽轮机，设计带基本负荷的机组经过实验改进，也可以施行两班制运行。据资料介绍，日本的两班制运行机组占61％，以450MW以下机组为主。1/11/202326汽轮机运行与节能技术研讨班对机组的安全运行有重要影响的因素:一是机组轴系的振动过大（动态应力大）二是机组部件受静态力过大（包括：离心力、扭转剪切力和热应力）。1/11/202327汽轮机运行与节能技术研讨班机组振动过大，往往是一系列不安全运行因素的直接或间接后果汽轮发电机组的振动有一系列的监测分析手段，可以防止振动对机组本体造成损伤。离心力、扭转剪切力可通过转速限制与负荷限制保护机组的安全。而热应力是对机组可能造成严重损伤的另一主要因素，其后果是导致机组本体发生严重的变形和断裂（或裂纹），严重的可使机组本体报废或产生严重的毁机事故。问题：目前对汽轮机转子的热应力缺少有效的监测与保护。1/11/202328汽轮机运行与节能技术研讨班主要内容一、电网调峰与火电大机组调峰运行二、转子热应力分析三、金属材料的损伤及其影响因素四、寿命管理及寿命损耗五、汽轮机热应力在线监测1/11/202329汽轮机运行与节能技术研讨班热应力看不见、摸不到，对汽轮机转子的热应力若无有效的监测，运行人员将无法得知现在运行过程热应力的大小。目前国内大部分电厂的汽轮机组未装备热应力在线监测系统，机组启动或停机过程中运行人员无法得知转子热应力的大小。1/11/202330汽轮机运行与节能技术研讨班热应力值小，意味着主蒸汽温变率小，启动（或停机）时间较长，造成不必要的经济损失（燃油增大运行成本）；而应力值过大，则对机组造成不安全因素。1/11/202331汽轮机运行与节能技术研讨班热应力的基本概念热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，也将产生热应力。1/11/202332汽轮机运行与节能技术研讨班转子的热应力的基本知识过渡工况下的热应力：汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。

重点部位：汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。1/11/202333汽轮机运行与节能技术研讨班转子热应力的特点直接求取转子热应力很困难

由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手段，需要通过理论计算来解决。有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内外壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。

1/11/202334汽轮机运行与节能技术研讨班温度探针通过模拟原理建立一个数学模型，使棒体各部的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。这种设备形似直接探测，实际上是通过传热学模型来建立模拟关系。1/11/202335汽轮机运行与节能技术研讨班汽轮机转子的热应力可以采用下式计算:式中：—热应力；

—体积平均温差；

—转子材料的泊桑比，计算中一般取0.3。由上式可知，确定汽轮机的热应力计算模型之前，首先需要确定汽轮机转子内的温度场分布。1/11/202336汽轮机运行与节能技术研讨班解析法

解析法建模是将转子视为无限长的圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。

解析法计算的热应力误差较大，但其计算速度快，将其计算结果进行修正后，可以得到工程上所需要的精度。1/11/202337汽轮机运行与节能技术研讨班数值法－－有限元法在数值方法中，有限元法可得到较精确的转子热应力分布，这种方法最大的缺点是计算准备时间长、计算时间长，不适用于在线监测系统。

1/11/202338汽轮机运行与节能技术研讨班机组应力集中较严重的部位通常有：高压转子调节级叶轮根部、中压转子第一级叶轮根部等。这两个部位又处于高温高压蒸汽的进汽端，是最危险的两个部位。1/11/202339汽轮机运行与节能技术研讨班机组启动终了时的转子应力场1/11/202340汽轮机运行与节能技术研讨班机组停机终了时的热应力场1/11/202341汽轮机运行与节能技术研讨班启停和变动负荷过程中汽轮机转子热应力的大小已成为广大电厂所关心的重要因素之一。1/11/202342汽轮机运行与节能技术研讨班国产200MW机组转子弹性槽的应力集中1/11/202343汽轮机运行与节能技术研讨班热应力集中的特点应力集中均密集在槽底1～2mm深度以内，在这个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为1～2mm。在这个深度以外，原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新表面还可有相当高的疲劳寿命。1/11/202344汽轮机运行与节能技术研讨班热冲击金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击。热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停和正常运行中，应特别注意。1/11/202345汽轮机运行与节能技术研讨班调节级汽室汽温与转子温度计算热应力时，调节级和中压第一级汽室汽温是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术措施，都与调整这个区域的汽温有关汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定（理论计算和实际测试都存在困难）1/11/202346汽轮机运行与节能技术研讨班调节级室汽温的降落幅度调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以及调节级的设计焓降有关N125机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表由表可见：新汽压力越低，汽温降落的幅度越小。因此在启动时，新汽的压力以低些为宜。1/11/202347汽轮机运行与节能技术研讨班主要内容一、电网调峰与火电大机组调峰运行二、转子热应力分析三、金属材料的损伤及其影响因素四、寿命管理及寿命损耗五、汽轮机热应力在线监测1/11/202348汽轮机运行与节能技术研讨班低周疲劳汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力，在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹的循环周期少，故称为低周疲劳。1/11/202349汽轮机运行与节能技术研讨班(a)540℃(b)565℃两种温度下，断口扫描电镜图片1/11/202350汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202351汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202352汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202353汽轮机运行与节能技术研讨班高温蠕变蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。565℃下蠕变裂纹扩展图

1/11/202354汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202355汽轮机运行与节能技术研讨班低温脆性&FATT低温脆性是指高强度合金钢在某一低温范围内，韧性特性显著下降的一种现象。在工程应用上，把进行材料冲击试验时断口形貌中韧性和脆性破坏面积各占50％时所对应的试验温度，称为材料的脆性转变温度，记作FATT。

–材料温度＞FATT，呈现韧性破坏

–材料温度＜FATT，呈现脆性破坏，发生脆性损伤的可能性增加。

–材料在高温环境下长期工作，其FATT有缓慢升高的现象对汽轮机转子材料的FATT有明确的要求，而且对预防汽轮机转子脆性损伤也有具体的措施

–对CrMoV转子钢来讲，FATT=80～130℃。现代断裂力学认为：金属材料低温脆性破坏的根本原因在手材料在锻造、热处理过程中形成的潜在微小裂纹。

1/11/202356汽轮机运行与节能技术研讨班低温脆性破坏的预防自从50年代相继发生了多起高强度合金钢低温脆性破坏的严重事故后，低温脆性破坏引起了人们的高度重视。经反复实践与研究，已形成了一系列行之有效的防止汽轮机转子低温脆性破坏措施。例如：

–ABB规定冷态启动时低速暖机和带初负荷暖机；

–东芝要求机组在冷启时盘车状态下高压缸暖机和带初负荷暧机；

–G／A公司机组冷启的中速暖机和中压缸启动方式等都是为了在低应力状态下加热转子，使转子金属温度超过材料的FATT后再转向高应力状态下工作。1/11/202357汽轮机运行与节能技术研讨班主要内容一、电网调峰与火电大机组调峰运行二、转子热应力分析三、金属材料的损伤及其影响因素四、寿命管理及寿命损耗五、汽轮机热应力在线监测1/11/202358汽轮机运行与节能技术研讨班影响寿命损耗的因素影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀等。主要的影响因素是受到交变热应力作用引起的低周疲劳寿命损耗，以及受到高温和工作应力作用而产生的蠕变损耗。1/11/202359汽轮机运行与节能技术研讨班汽轮机寿命管理汽轮机寿命管理包括两层内容：

1、在国家宏观指定的服役年限内，根据机组的带负荷方式进行寿命预分配，制定汽轮机寿命分配表，指导运行，以取得最大的经济效益；

2、进行汽轮机寿命的离线或在线监测在汽轮机启、停和变负荷运行时，控制蒸汽温度和负荷的变化率，控制汽轮机部件的热应力，使机组的寿命损耗不超过其预分配值，在机组规定的使用年限内，实现最佳的安全经济运行，使机组发挥最佳的经济效益，实现机组运行寿命的科学管理。1/11/202360汽轮机运行与节能技术研讨班汽轮机寿命的合理分配目前通常认为汽轮机的服役年限为30年。在这30年的时间里，如何合理分配汽轮机的寿命，充分利用汽轮机的寿命，以取得最大的经济效益是汽轮机寿命分配的出发点。对于带基本负荷的机组，汽轮机寿命的损耗主要为高温蠕变和正常检修启停所需低周疲劳对汽轮机寿命的损耗。对调峰机组，除检修、维护需要正常启停以外还应根据电网要求，安排一定次数的热态启动和一定范围内的负荷变化。负荷变化量（率）和热态启停次数（速区）应视电网的要求而定。在分配寿命损耗时，既要考虑汽轮机寿命的合理损耗，又要考虑到电网的调峰需要。1/11/202361汽轮机运行与节能技术研讨班低周疲劳特性对寿命的损耗(续)

30Cr2MoV钢500℃时的低周疲劳曲线1/11/202362汽轮机运行与节能技术研讨班1/11/202363汽轮机运行与节能技术研讨班低周疲劳特性对寿命的损耗1983年前苏联文献中公布的转子钢疲劳特性曲线从图中看到，所受热应力越大，循环周次(即金属材料的疲劳寿命)就越少；工作温度越高，循环周次就越少。1/11/202364汽轮机运行与节能技术研讨班不同国家对机组寿命管理的规定我国“进口大容量汽轮机技术谈判指南”中规定：汽轮机的使用寿命一般为30年。在30年中，机组冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，极热态启动150次，以及大于10%额定负荷突变12000次，其总的寿命损耗不大于75%。英国国家标准(BSI)中规定，大机组在使用寿命期内必须经得起冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，以及负荷突变和频繁负荷变动。1/11/202365汽轮机运行与节能技术研讨班ABB600MW超临界机组

ABB600MW超临界机组寿命损耗分配余度较大，30年内由热应力损耗的寿命仅占总寿命的11.575%，其余88.425%作为高温蠕变和富裕量。1/11/202366汽轮机运行与节能技术研讨班东芝公司提供的600MW汽轮机该表东芝公司提供的600MW汽轮机寿命损耗分配。30年实际寿命消耗达75.45%，在600MW机组是较大的。1/11/202367汽轮机运行与节能技术研讨班主要内容一、电网调峰与火电大机组调峰运行二、转子热应力分析三、金属材料的损伤及其影响因素四、寿命管理及寿命损耗五、汽轮机热应力在线监测1/11/202368汽轮机运行与节能技术研讨班经过几十年的研究，国内外针对热应力问题的分析和监测，普遍采用的方法和策略是：建立针对特定机组的热应力监测模型，开发汽轮机转子热应力在线监测系统，指导机组运行人员的操作。1/11/202369汽轮机运行与节能技术研讨班汽轮机转子是高速旋转的部件，汽轮机的寿命主要取决于转子的寿命，高中压转子第一级在启停及负荷变动过程中，汽温变化最剧烈，导致该部位的热应力最大，是最危险的部位。转子的热应力进行在线监测，可实现启动优化。1/11/202370汽轮机运行与节能技术研讨班分析中需要现