汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响

汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响

潘科盛

北方联合电力有限责任公司乌海热电厂 内蒙古自治区乌海市 016000

摘要：转子是汽轮机的核心部件，工作于高温、高压、高转速等恶劣环境下。冷态起动过程中转子被蒸汽加热，转子表面温度快速上升，受压应力作用；停机过程则相反，转子表面受拉应力作用。起、停机过程中转子表面的热应力发生拉、压变化，导致转子产生疲劳寿命消耗，严重时则导致转子表面产生裂纹萌生及扩展，威胁整个机组的安全运行。国内许多机组起动速度过慢，导致经济性差且造成环境污染。因此，控制和优化起停机过程中转子热应力和起动时间对于保证机组的安全性、经济性，以及保护环境都有重要意义。

关键词：汽轮机起动过程温升分配；转子热应力；

前言：对汽轮机起停过程中转子的热应力及起动时间加以控制，能够使机组的经济性及安全性得到有效保障，同时还能够起到保护环境的作用。因此，综合考虑，对“汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响”进行分析，能够进一步了解汽轮机的运行情况，进而为其运行效益的提升提供参考建议。

1 汽轮机及转子相关内容概述

1.1 转子及热效应控制分析。在汽轮机当中，转子是一大核心部件，通常在高温、高压以及高转速等环境下工作。基于冷态起动期间，转子会被蒸汽加热，从而导致转子表层温度的升高速度加快，并且在此过程中易受到压应力的作用。而在停机期间，则恰恰相反，在转子表面容易遭遇拉应力的作用。在起、停机过程中，转子表面的热应力会有拉、压变化发生，进而致使转子发生疲劳寿命损耗，在严重情况下还会使转子表面有裂纹产生，进而使机组的可靠、安全运行受到很大程度的考验。从我国现状来看，机组起动速度缓慢的情况较为多见，进而容易引发经济效益低下以及环境污染等一系列问题。所以，综合考虑，有必要对起停机过程中转子的热应力加以控制及优化，同时控制机组的起动时间，以此使机组的安全性及经济性得到有效保障，并使环境污染问题得到有效解决。

1.2 相关研究进展分析。有研究者利用有限元法起动中压缸，以600 MW 的汽轮机为例，对其在超临界状态下，转子不同起停工况下的瞬态温度场以及应力场进行了分析，进一步对转子的疲劳蠕变寿命消耗进行了估算。同时，还有研究者对损伤力学方法加以应用，分析了300 MW 汽轮机转子低周疲劳—蠕变非线性损伤情况。此外，国外有学者优化了某电厂汽轮机组起动曲线，在采取相应的试验策略的情况下，使得转子起动应力得到有效降低。结合诸多学者的研究，虽然取得了不同的成果，但一致认为：汽轮机起动过程温升分配会对转子热应力产生很大程度的影响。所以，从汽轮机运行的可靠性及安全性角度考虑，了解、掌握其中存在的影响非常关键。

2汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响

2 .1转子温度场及应力场相关问题分析。对于汽轮机转子来说，属于一种典型的轴对称构建，在对其进行计算分析过程中，需采取相应的模型。而对于其中的转子温度场及应力场问题，还有待进一步探究。具体内容包括以下几点。上述提到，汽轮机转子为一类典型的轴对称构建，所以在对其进行计算过程中，需考虑轴对称模型。在对转子非稳态温度场进行计算过程中，可将转子视为一类均匀、各向同性，且不存在内热源的一种物体，在计算过程中，将其定义为一类非定常温度函数问题的求解，在具体求解过程中，需考虑到的系数包括：其一，材料热导率；其二，材料密度；其三，材料比热容；其四，轴向坐标；其五，径向坐标；其六，时间。此外，由于转子外表面为对流换热边界的条件，也就是第三类热边界条件，因此在边界上需考虑相应的系数，即：转子表面蒸汽温度、表面传热系数以及转子表面法向。在这里，针对汽轮机转子应力场，基于计算过程中，所采取的是弹塑性计算，并利用了双线性随动强化模型。此模型把简单拉伸试验所获取的应力应变关系曲线进行简化，主要简化为2 段折线，在计算过程中，同样需要考虑到一些参数，包括：其一，弹性模量；其二，切线模量；其三，屈服应力及对应应变。同时，在应力计算过程中，如果使用双线性随动强化模型，那么值得注意的是屈服点的判断。并且，在计算期间，通常会使用Von.Mises 屈服准则对材料进行判断，看其在什么时候屈服。一般情况下，在等效应力到屈服极限的情况下，材料便会进入屈服状态，进而便可以对材料进行判断，看材料是处于弹性状态，还是处于塑性状态。

2. 2结合上述分析，认识到在考虑转子温度场及应力。场相关问题的时候，需注意的是转子温度场及应力场的计算。从起动过程来说，主要分为压缸预暖过程、中速暖机过程、升负荷过程。此过程全部完成需要花费大约7.5 个小时，即从冲转到起动。完成冲转后，切缸都使用较小温升率，当切缸后，快速提高温升率，进而增加机组运行负荷。运用热力计算方法，以冷态起动工况为条件，估算各个时间转子表面不同位置的热力参数，包括温度参数和压力参数等。运用轴对称有限元法，在冷态起动工况下，计算瞬态温度场。近年来，不少学者研究表明，汽轮机起动过程温升分配会对转子热应力产生一定程度的影响。下面以某亚临界660 MW 汽轮机高中压转子为例，其转子长度大概为8 m，高中压缸一共有12 级，当中高压有7 级，中压则有5 级。为转子轴向剖面图以转子轴对称的结构特点为依据，设计了4 节点四边形轴对称单元，进而对网格进行划分。在对网格进行划分过程中，需考虑到一些易出现应力集中的区域，并进一步对这些区域采取局部加密措施。从单元划分上来看，一共划分了36353 个单元；从节点来看，一共有39253 个节点，因网格太密，未能将整体的网格给出来，但是可得出清晰的局部网格，转子局部网格（左为调节级，右为中压第2 级）。

2.3在明确上述思路之后，需做好的的工作包括：（1）对前冷态起动曲线下热应力计算加以优化。基于起动期间，涵盖的过程有三：其一，高压缸预暖；其二，中速暖机；其三，升负荷。从冲转至起动，一共用了7.5个小时。值得注意的是，在冲转之后，切缸需使用偏小的温升率，确保切机组的负荷能够得到有效提高。（2）在对温升分配进行调整之后，需对转子热应力进行计算。为了使转子起动热应力得到有效减小，并实现转子寿命损耗的降低，有必要修改冷态起动曲线，进而使冲转阶段的温度及温升率得到有效提高。（3）为了使汽轮机转子表面的最大热应力得到有效降低，同时使转子的寿命得到有效延长，有必要对温升分布前后热应力进行调整。通过修改上述的冷态起动曲线，从冲转到切缸阶段入手，

增加温度以及温升率，重新进行温升分布，根据优化后的曲线，来计算转子温度场以及应力场。从计算结果来说，相同的起动时间，使用差异的温升分配模型，出现了转子表面最大热应力值减小的情况，下降了34.0%，并且转子热应力也得到降低，延长了汽轮机的转子寿命。简言之，维持热应力以及寿命损耗，能够合理缩减机组起动时间。

结束语：通过分析过程温升分配的不同模型，给转子热应力造成的影响，提出了减少转子热应力的方法，也就是调整温升。研究中使用了不用的模型，优化起动曲线，来选择温升分配模式，得出了以下结论：在制定曲线时，优选温升分配模型，可以科学合理的降低汽轮机启动过程的转子热应力，缩减起动时间，同时延长转子的使用寿命。

参考文献：

[1]张亚平，王强，王尧. 百万等级核电汽轮机组转子热应力计算和控制[J]. 东方汽轮机，2018（01）：60-65.

[2] 徐自力，王凯，方宇，刘东旗，刘金芳. 汽轮机起动过程温升分配对转子热应力的影响[J]. 机械工程学报，2019，49（12）：136-141.