第一篇：珠海發(fā)電廠三菱700 MW汽輪機(jī)啟動(dòng)過程及應(yīng)力分析

珠海發(fā)電廠三菱700 MW汽輪機(jī)啟動(dòng)過程及應(yīng)力分析

楊寧1，賴加良1，周宇陽2

（1.廣東省珠海發(fā)電廠，廣東珠海 519050； 2.上海交通大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，上海 200030）

摘要：珠海發(fā)電廠第一期1號(hào)、2號(hào)機(jī)組采用日本三菱700 MW凝汽式汽輪機(jī)，借助于先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)和管理經(jīng)驗(yàn)，在不增加機(jī)組的壽命損耗的前提下，可明顯地縮短啟動(dòng)時(shí)間。鑒此，介紹了機(jī)組的啟動(dòng)特性，結(jié)合某次實(shí)際冷態(tài)啟動(dòng)過程，利用有限元方法校核計(jì)算了高中壓轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，其中有限元模型的邊界上的換熱系數(shù)綜合使用了各國(guó)普遍推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，形成灰色區(qū)間曲線。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；啟動(dòng)；三菱；熱應(yīng)力；換熱系數(shù)；灰色區(qū)間

珠海發(fā)電廠規(guī)劃6臺(tái)燃煤機(jī)組，設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量372 MW，分兩期建設(shè)，首期第1臺(tái)機(jī)組已于2000年4月3日投入商業(yè)運(yùn)行。第2臺(tái)機(jī)組尚在可靠性試運(yùn)行階段，計(jì)劃2001年2月份投產(chǎn)。珠海發(fā)電廠采用中外合作方式興建，工程采用設(shè)計(jì)、供貨和建設(shè)總承包的方式進(jìn)行，由日本三菱株式會(huì)社組成集團(tuán)總負(fù)責(zé)。三菱集團(tuán)在提供國(guó)際先進(jìn)的汽輪發(fā)電機(jī)組的同時(shí)，也帶來了先進(jìn)的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。

本文綜合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況和三菱集團(tuán)提供的技術(shù)資料，介紹了機(jī)組啟動(dòng)過程要點(diǎn)，在用有限元方法進(jìn)行熱應(yīng)力校核的過程中，綜合考慮了目前常用的換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了換熱系數(shù)區(qū)間曲線條件下的應(yīng)力變化特性。總體描述

三菱700 MW汽輪機(jī)組型式為亞臨界、中間再熱三缸四排汽，由一個(gè)高中壓合缸和兩個(gè)低壓缸組成。為縮短汽輪機(jī)總長(zhǎng)度，使電廠平面布置緊湊，機(jī)組采用了高中壓缸合體，兩側(cè)各配有的蒸汽室通過撓性管道與高中壓缸體相連，使高溫部件與高中壓缸體隔離，從而大大降低部件中的溫度梯度，使得熱態(tài)啟動(dòng)和冷態(tài)啟動(dòng)過程中不致于發(fā)生缸體開裂現(xiàn)象。汽室出口通過4根進(jìn)汽管道連向噴嘴室。蒸汽沖過高壓級(jí)后，通過外缸底座上兩個(gè)出汽口直通再熱器。來自再熱器熱端的蒸汽通過2個(gè)中壓主汽門和4個(gè)中壓調(diào)門進(jìn)入中壓部件。低壓部件采用雙流布置，蒸汽由聯(lián)合出口進(jìn)入凝汽器。啟動(dòng)特性 機(jī)組啟動(dòng)過程中，特別是冷態(tài)啟動(dòng)，啟動(dòng)速度快，可以迅速并網(wǎng)發(fā)電，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，但是必須以增加壽命損耗為代價(jià)。顯然，存在一個(gè)最佳啟動(dòng)曲線，使得經(jīng)濟(jì)性最佳。決定這個(gè)優(yōu)化過程的關(guān)鍵因素就是轉(zhuǎn)子金屬的應(yīng)力狀態(tài)，包括熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力（以離心應(yīng)力為主）等。在應(yīng)力允許范圍快速地改變?cè)O(shè)置點(diǎn)來控制汽機(jī)的啟動(dòng)顯得相當(dāng)重要。2.1 沖轉(zhuǎn)條件

沖轉(zhuǎn)前，必須滿足主汽門前的蒸汽條件，要求壓力接近6.0 MPa，過熱溫度達(dá)56℃且汽溫小于430℃。此外，若具備高壓油油壓、凝汽器真空已建立和盤車已投入等條件，即可沖轉(zhuǎn)。沖轉(zhuǎn)時(shí)，由主汽閥控制升速，轉(zhuǎn)速?zèng)_至500 r/min，并保持此轉(zhuǎn)速運(yùn)行一定時(shí)間進(jìn)行暖機(jī)，以便對(duì)機(jī)組設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面檢查（傾聽機(jī)組聲音是否正常，檢查上下汽缸的溫差、脹差、缸脹，檢查轉(zhuǎn)子軸向位移及轉(zhuǎn)子的彎曲度、偏心度等是否在規(guī)定范圍內(nèi)）。2.2 沖轉(zhuǎn)及升速

對(duì)于溫態(tài)和熱態(tài)啟動(dòng)過程（噴嘴室金屬溫度大于120 ℃），沖轉(zhuǎn)及帶負(fù)荷保持時(shí)間依圖1曲線而定。例如，蒸汽溫度400℃、汽壓為7 MPa而噴嘴室金屬溫度為200 ℃時(shí)，升至額定轉(zhuǎn)速最少要用22 min；若進(jìn)口蒸汽的溫度和壓力改變（450 ℃，9 MPa），升速時(shí)間也隨之改變?yōu)?9 min（如圖1所示）。在帶初始負(fù)荷時(shí)，進(jìn)汽溫度很可能突然升高，據(jù)此可以從圖1的下部查出保持這個(gè)最小負(fù)荷所需時(shí)間，比如進(jìn)汽溫度假設(shè)升高了50 ℃，查圖可知保持最小負(fù)荷的時(shí)間為20 min。

冷態(tài)啟動(dòng)（噴嘴室金屬溫度小于120 ℃）的升速率一般要大于90 r/min2。升速過程中入口汽溫可升至430 ℃，注意控制其溫升率在55 ℃/h 以內(nèi)。在2 100 r/min時(shí)必須進(jìn)行暖機(jī)，且暖機(jī)時(shí)間不應(yīng)小于2 h，通過金屬溫度的緩慢升高使熱應(yīng)力得到有效的控制，然后以180 r/min2升速率升至3 000 r/min。2.3 并網(wǎng)

熱態(tài)啟動(dòng)并網(wǎng)時(shí)應(yīng)立即帶5%負(fù)荷保持時(shí)間如圖1所示，此后升降負(fù)荷所需時(shí)間參照?qǐng)D2曲線進(jìn)行，由相應(yīng)蒸汽參數(shù)的變化值共同決定。例如：負(fù)荷5%時(shí)，汽溫汽壓分別為450 ℃和5.9 MPa，升至100%負(fù)荷，汽溫汽壓分別為538 ℃和12.4 MPa。此過程中負(fù)荷變化95%，汽溫變化88 ℃，汽壓變化6.5 MPa，根據(jù)圖2曲線查得此次升負(fù)荷過程需要78 min。

冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)用調(diào)門（調(diào)速器）進(jìn)行并網(wǎng)帶5%的負(fù)荷，保持一段時(shí)間使入口蒸汽溫度趨于穩(wěn)定，此間要合理地控制好噴嘴蒸汽的溫升率，使之均勻且不超過83 ℃/h；此后增加負(fù)荷時(shí)應(yīng)該保證噴嘴腔金屬的最大溫升率不超過110 ℃/h。熱應(yīng)力計(jì)算

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子金屬溫度分布的不均勻?qū)е聼釕?yīng)力的產(chǎn)生，軸向和徑向較大的溫差導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，因此應(yīng)力場(chǎng)分析的第一步就是要取得整個(gè)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)。由于轉(zhuǎn)子金屬材料的耦合系數(shù)小，在溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析之間沒有高階的非線性交互作用。針對(duì)這種弱耦合，采用順序耦合計(jì)算的方法，即將溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析各自獨(dú)立，順序進(jìn)行：首先計(jì)算轉(zhuǎn)子瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布，將得出的各點(diǎn)溫度值作為體載荷加到應(yīng)力場(chǎng)分析當(dāng)中去，然后進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分析。

通常轉(zhuǎn)子主要應(yīng)力區(qū)域包括如下幾部分：調(diào)節(jié)級(jí)葉輪中心孔表面、調(diào)節(jié)級(jí)附近葉輪外表面、前端軸封底部以及調(diào)節(jié)級(jí)葉輪輪面等。三菱700 MW高中壓轉(zhuǎn)子沒有中心孔，本文以調(diào)節(jié)級(jí)葉輪附近外表面金屬的合成應(yīng)力為考慮對(duì)象。本文應(yīng)用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS 5.51（Low University）版本進(jìn)行計(jì)算。3.1 轉(zhuǎn)子幾何形狀及有限元模型

本文計(jì)算的高中壓轉(zhuǎn)子三維模型如圖3所示。本文采用三邊六節(jié)點(diǎn)的三角單元plane35，以適用表面不規(guī)則形狀，該單元可應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)熱分析，其單元自由度為溫度值；在溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，采用對(duì)應(yīng)幾何特征的plane2單元，這是一個(gè)帶有x和y方向位移自由度的三邊六節(jié)點(diǎn)單元。有限元剖分時(shí)采用重點(diǎn)區(qū)域密分的策略，其模型如圖4所示，共計(jì)4 548個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 009個(gè)單元。

3.2 冷態(tài)啟動(dòng)參數(shù)曲線 進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算所需的測(cè)點(diǎn)共12處，各測(cè)點(diǎn)部位如表1。通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將這些測(cè)點(diǎn)隨著時(shí)間的變化規(guī)律記錄在計(jì)算機(jī)中，并輸出曲線圖。筆者開發(fā)了曲線圖表自動(dòng)識(shí)別軟件，將曲線還原成數(shù)據(jù)。

圖5給出了一次典型冷態(tài)啟動(dòng)過程的主要參數(shù)隨時(shí)間關(guān)系的變化圖。

3.3 物性參數(shù)

本文采用全選主元插值的方法，計(jì)算蒸汽和轉(zhuǎn)子金屬的有關(guān)物性參數(shù)。

其中，u,v為插值點(diǎn)。3.4 換熱系數(shù) 在有限元模型內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)熱取決于材料的熱物性參數(shù)，邊界節(jié)點(diǎn)與蒸汽的傳熱則決定于蒸汽對(duì)金屬的換熱系數(shù)的大小。用努塞爾數(shù)Nu代表換熱系數(shù)α，其中Nu＝α r/λ（r為半徑，λ為熱導(dǎo)率），有如下無量綱經(jīng)驗(yàn)公式：

許多研究者采用數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)各種近似條件的熱傳導(dǎo)作了研究，目前常見于文獻(xiàn)引用的換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下［1～8］：

分別以公式（2）～（7）為準(zhǔn)，計(jì)算換熱系數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)值，繪制曲線集中于圖6。從圖6可見，在啟動(dòng)過程的初期，各公式對(duì)應(yīng)曲線比較接近，到啟動(dòng)后期，各曲線之間的距離越來越大，其差值2～9 MJ/(m2·h·K)不等，說明各換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式之間相差較大，尤其是蒸汽高參數(shù)階段。本文以相差相對(duì)較小的公式（2）～（5）為基準(zhǔn)用于計(jì)算，由最大值最小值圍成的灰色曲線區(qū)域如圖7所示。

3.5 計(jì)算結(jié)果

用一個(gè)區(qū)間曲線的方式表達(dá)換熱系數(shù)比用某根單值曲線描述顯然更為合理，因?yàn)榭梢愿鼮橹眯诺刂赋鰮Q熱系數(shù)的值一般總會(huì)落在這個(gè)曲線區(qū)間內(nèi)，由此計(jì)算得出的結(jié)果區(qū)間也相應(yīng)包含了真實(shí)的結(jié)果，這在一定程度上避免了由于換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式選取不當(dāng)造成的計(jì)算結(jié)果偏差。而從熱傳導(dǎo)微分方程角度來看，圖7換熱系數(shù)區(qū)間提供了一個(gè)灰色的邊界條件，這給解析分析帶來困難。

利用數(shù)值分析的手段，可以在任意給定滿足區(qū)間曲線的條件下進(jìn)行計(jì)算，觀察其規(guī)律。圖8和圖9給出了圖5中監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B在均勻選取區(qū)間曲線內(nèi)各值時(shí)的熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。由圖可見，在啟動(dòng)的開始階段（沖轉(zhuǎn)），熱應(yīng)力區(qū)間比較明顯，啟動(dòng)中間過程（升負(fù)荷階段），區(qū)間明顯減小，當(dāng)啟動(dòng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱應(yīng)力區(qū)間接近于單值；由于B點(diǎn)的熱容性，其熱應(yīng)力區(qū)間明顯滯后于A點(diǎn)。結(jié)束語

從珠海發(fā)電廠可靠性試運(yùn)行階段的一次典型冷態(tài)啟動(dòng)過程的熱應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，由于結(jié)構(gòu)合理，啟動(dòng)程序優(yōu)化，使得三菱700 MW機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程的峰值應(yīng)力小于國(guó)內(nèi)近似同等類型機(jī)組，且啟動(dòng)時(shí)間大大縮短，這對(duì)國(guó)內(nèi)機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行具有一定的參考意義。

由于技術(shù)資料的保密性，在對(duì)進(jìn)口機(jī)組進(jìn)行各種校核或分析時(shí)難以獲取充分的數(shù)據(jù)資料，例如機(jī)組幾何尺寸、啟動(dòng)過程參數(shù)等，由此計(jì)算結(jié)果的灰色特性不可避免，本文通過實(shí)例說明了這一點(diǎn)。文中給出的灰色邊界條件下的數(shù)值計(jì)算思路，還可以從單純對(duì)換熱系數(shù)的考慮擴(kuò)展到邊界溫度、材料物性參數(shù)等，從而使得應(yīng)力分析計(jì)算更為合理可信。

參考文獻(xiàn)：

［1］Kapinos V A, Gura L A.Investigation of heat transfer in Labyrinth glands on static models［J］.Teploenergetika, 1970, 17(11).［2］ Kays W M, Leung E Y.Heat transfer in annular passages— Hydrodynamically developed turbulent flow with arbitrarily prescribed heat flux［J］.International Journal of heat and mass transfer, 1963, 6:537—557.［3］ McAdams W H.Heat transmission［M］.3rd ed.New York: McGraw-Hill Book Company, 1954.［4］ Metzger D E.Heat transfer and pumping on a rotating disk with freely induced and forced cooling［J］.Transactions of the ASME Journal of engineering for Power, 1970, 92(3).［5］ Ozisik M N.Heat conduction［M］.New York: A wiley-interscience Publication, 1980.［6］ George M.Turbine rotor bose condition assessment［EB/OL］.http://personal.bellsouth.net, 1999.［7］ 黃保海，李維特.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子放熱系數(shù)的計(jì)算分析［J］.電站系統(tǒng)工程, 1999, 15(4): 35—37.［8］ 黃仙，倪維斗.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力復(fù)頻法建模與機(jī)組運(yùn)行壽命管理研究［D］.北京：清華大學(xué), 1995.作者簡(jiǎn)介：楊寧（1970—），男，廣東茂名人，工程師，工學(xué)學(xué)士，從事火電廠鍋爐及汽輪機(jī)技術(shù)管理工作。