大型汽輪機運行特性1-2015年

本課程的主要內容汽輪機的調峰運行與汽輪機熱應力和壽命管理汽輪機啟停和正常運行中的幾個關鍵問題汽輪機幾種典型運行事故與運行特性相關的汽輪機幾個典型系統(tǒng)及運行管理汽輪機采用的提高經濟性的先進技術汽輪機組狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷第一頁，共165頁。參考書目1作

者：張保衡出

版

社：水利電力出版社出版時間：1988-10第二頁，共165頁。參考書目2作者：付忠廣出版社：中國電力出版社出版日期：2007-7-4第三頁，共165頁。第一章汽輪機的調峰運行與

汽輪機熱應力和壽命管理第四頁，共165頁。負荷低谷---電力系統(tǒng)日最小負荷負荷尖峰---電力系統(tǒng)日尖峰負荷或最大負荷最小負荷以下的負荷稱為電力系統(tǒng)基本負荷（簡稱：基荷）電力系統(tǒng)最大負荷與最小負荷之差稱為電力系統(tǒng)負荷峰谷差（differencebetweenpeakandvalleyloadofelectricpowersystem）電力系統(tǒng)典型日負荷曲線

第五頁，共165頁。電力系統(tǒng)調峰電力系統(tǒng)調峰(peakloadfollowingofelectricpowersystem)(或稱：電網調峰)：

為滿足電力系統(tǒng)日尖峰負荷需要，對發(fā)電機組出力所進行的調整。第六頁，共165頁。預期電力系統(tǒng)負荷峰谷差的變化趨勢發(fā)達國家電力系統(tǒng)負荷峰谷差約為50％，中等發(fā)達國家約為40％，第三世界國家約為30％。第七頁，共165頁。國內電力系統(tǒng)發(fā)展面臨的主要問題電力需求結構發(fā)生了較大變化，導致電力系統(tǒng)負荷峰谷差增大我國電力系統(tǒng)的問題主要表現為：電力系統(tǒng)峰谷差持續(xù)增大最大負荷增長的波動性加大電網調峰困難第八頁，共165頁。北京地區(qū)典型電力系統(tǒng)負荷曲線第九頁，共165頁。北京地區(qū)整體用電負荷非常大，至2015年最高峰接近2300~2700萬千瓦；峰谷差接近50%，目前約500~700萬千瓦，至2015年約1000~1300萬千瓦；峰谷差相當于北京市內發(fā)電廠的總裝機容量；負荷低谷發(fā)生在凌晨4點左右，午高峰發(fā)生在中午11點左右，僅差7小時；要求機組具備快速升降負荷能力；熱電聯(lián)產機組，采暖季電力調峰壓力更大；北京地區(qū)有大量重要負荷，負荷高峰期不能拉閘限電北京地區(qū)電力系統(tǒng)調峰矛盾突出：第十頁，共165頁。電力系統(tǒng)負荷峰谷差增大的主要原因第二產業(yè)用電比重減小第三產業(yè)和居民生活用電比重相應提高電網高峰負荷中，空調負荷大約占30%~50%，在經濟發(fā)達地區(qū)，這個數字較高工業(yè)內部高耗電行業(yè)（冶金、化工、建材等）和傳統(tǒng)行業(yè)（紡織、煤炭等）用電比重減小，低電耗、高附加值產業(yè)的用電比重相應提高第十一頁，共165頁。電力系統(tǒng)的調峰手段常規(guī)水電機組調峰抽水蓄能調峰機組燃氣輪機機組調峰火電機組調峰其他新形式調峰電源和手段如：壓縮空氣儲能、飛輪儲能、智能電網（如階梯電價、電動汽車等）、需求側管理、……第十二頁，共165頁。承擔不同負荷的電廠第十三頁，共165頁。制約我國電網調峰的主要因素（1）我國水電的總體調峰容量十分有限主要是水電站季節(jié)貧水欠發(fā)時間長，有很多是徑流式，汛期庫容小，不宜棄水調峰；水電站要服從于水利樞紐工程的綜合利用，充分兼顧防洪、發(fā)電和航運的作用，特別是汛期，發(fā)電必須服從于防洪。因此火電機組的調峰壓力很大。第十四頁，共165頁。制約我國電網調峰的主要因素（2）部分經濟比較發(fā)達的東部地區(qū)（如山東等），受水力資源限制，基本沒有可供經濟開發(fā)的水電站站址抽水蓄能電站的建設要有合適的地形和水源，條件好的抽水蓄能電站的站址越來越少，而且抽水蓄能電站一般建設周期長第十五頁，共165頁。制約我國電網調峰的主要因素（3）受油氣資源限制，一些地區(qū)沒有燃油或天然氣的燃氣輪機發(fā)電用于調峰。第十六頁，共165頁。制約我國電網調峰的主要因素（4）電網結構不合理，受區(qū)域電網潮流及負荷聯(lián)絡線穩(wěn)定極限的制約，導致電網局部地區(qū)負荷分配不合理，造成局部“窩電”、“欠電”現象，被迫加大電網調峰的現象普遍發(fā)生。第十七頁，共165頁。制約我國電網調峰的主要因素（5）電源結構不合理，火電機組所占比例大，但沒有相應的火電調峰電站供熱機組多數是以熱定電，調峰能力差，大批200MW及以下凝汽機組退役。第十八頁，共165頁。電網調峰存在的問題電網中很多大機組都參與了調峰，但調峰能力不足依然是電網運行的主要矛盾。第十九頁，共165頁。調峰機組的運行特性啟、停頻繁負荷變動范圍大對外界負荷變化的響應迅速第二十頁，共165頁。思考題什么是電力系統(tǒng)負荷峰谷差（differencebetweenpeakandvalleyloadofelectricpowersystem）？什么叫電力系統(tǒng)調峰？試分析電力系統(tǒng)負荷峰谷差增大的原因有哪些？分析電力系統(tǒng)不同調峰手段的特點。試分析不同類型的電廠適合承擔的電力系統(tǒng)負荷是什么？試分析制約我國電網調峰的主要因素有哪些？試分析電力系統(tǒng)調峰對機組運行提出的要求。第二十一頁，共165頁。影響機組運行機動性、靈活性的因素很多。這里重點關注：影響汽輪機、鍋爐運行機動性、靈活性的有關因素第二十二頁，共165頁。關注：

調峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響研究發(fā)現：汽輪機轉子上的局部結構不同導致機組不同的運行特性。第二十三頁，共165頁。調峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響第二十四頁，共165頁。調峰機組的設計與運行特性日本東芝公司十分重視高溫汽缸頭幾級葉輪區(qū)域附近轉子表面形狀的改進工作。通過采取特殊的結構措施，大大提高了汽輪機的機動性。第二十五頁，共165頁。調峰機組的設計與運行特性如對某廠運行的100MW機組進行的分析表明：該型汽輪機不宜作兩班制調峰運行。若一定要參與調峰運行，建議車大彈性槽圓角半徑和隔板汽封進出汽處過渡圓角半徑。第二十六頁，共165頁。對汽輪機本體的安全運行有重要影響的因素一是機組軸系的振動過大（動態(tài)應力大）二是機組汽輪機部件受靜態(tài)力過大（包括：離心力、扭轉剪切力和熱應力）。第二十七頁，共165頁。第二十八頁，共165頁。機組振動過大，往往是一系列不安全運行因素的直接或間接后果汽輪發(fā)電機組的振動有一系列的監(jiān)測分析手段，可以防止振動對機組本體造成損傷。離心力、扭轉剪切力可通過轉速限制與負荷限制保護機組的安全。熱應力是可能對機組造成嚴重損傷的另一主要因素，其后果是導致機組本體發(fā)生嚴重的變形和斷裂（或裂紋），嚴重的可使機組本體報廢或產生嚴重的毀機事故。問題：目前對汽輪機轉子的熱應力缺少有效的監(jiān)測與保護。第二十九頁，共165頁。△4臺50MW機組，80年代初組投運△1992年開始啟停調峰運行，最多時100多次/年△1998-1999年發(fā)現汽缸裂紋△2000年發(fā)現轉子裂紋，最深一條7mm裂紋某地區(qū)汽缸、轉子出現裂紋情況統(tǒng)計第三十頁，共165頁。主蒸汽母管聯(lián)絡門閥體斷裂案例2000年8月31日，某機主蒸汽母管聯(lián)絡門閥體焊縫熱影響區(qū)一側主蒸汽管爆斷。累計運行126,691小時，啟停738次。斷口分析：低周疲勞裂紋原因分析：聯(lián)絡門不嚴、聯(lián)絡管積冷水、定參數停機、閥體和短管表面劇烈冷沖擊第三十一頁，共165頁。熱應力是隱藏的威脅，對汽輪機轉子的熱應力若無有效的監(jiān)測，運行人員將無法得知現在運行過程熱應力的大小。目前國內大部分電廠的汽輪機組未裝備熱應力在線監(jiān)測系統(tǒng)，機組啟動或停機過程中運行人員無法得知轉子熱應力的大小。第三十二頁，共165頁。機組運行與熱應力的關聯(lián)關系熱應力值小，意味著主蒸汽溫變率小，啟動（或停機）時間較長，造成不必要的經濟損失（燃油增大運行成本）；而應力值過大，則對機組造成不安全因素。第三十三頁，共165頁。汽輪機的調峰運行

(peakandcyclicloadoperation)第三十四頁，共165頁。我國火電機組調峰現狀可供燃煤機組選擇的調峰方式低負荷運行方式兩班制運行或周末停機運行方式低速旋轉熱備用調峰方式強制頻繁啟停和深度調峰，影響到機組的安全性、經濟性與可靠運行第三十五頁，共165頁。夜間低負荷運行調峰方式機組白天基本滿負荷運行，深夜負荷低谷時降低負荷運行，是帶基本負荷機組參與調峰的主要運行方式之一。有的小機組夜間采用少蒸汽無負荷運行方式，發(fā)電機轉為電動機方式運行，帶無功負荷，故也稱為調相運行。要求：機組具有負荷快速變化（5~10%/分鐘）的適應能力低負荷運行穩(wěn)定性好（特別是鍋爐的低負荷穩(wěn)定性），并能保持較高的熱效率第三十六頁，共165頁。兩班制運行調峰方式機組白天基本滿負荷運行，夜間低谷時停運8~10小時，清晨熱態(tài)啟動，周末停運。優(yōu)點：機組調負荷幅度大，特別是在低谷時間較長時經濟性好。缺點：啟停操作頻繁，對設備的健康狀況影響比較大，發(fā)生故障的可能性增加，有時會影響正常的調峰。應具備三個條件機組啟停損失小，停運比低負荷運行經濟機組啟停迅速，能在8小時內順利啟動機組具有一定自動化程度，運行人員操作工作量不過于繁重第三十七頁，共165頁。周末停機電網負荷一般在周末比較低，為此要求機組周末停運，周一啟動。這類機組應具備較好的啟動特性和較高的運行經濟性。第三十八頁，共165頁。低速旋轉熱備用調峰方式指電網低谷時機組與電網解列后，用蒸汽推動汽輪發(fā)電機組低速旋轉，而處于熱備用狀態(tài)。優(yōu)點：機組在下次啟動升速時，金屬處于較高的溫度水平（與極熱態(tài)啟動相當），以加快升速和帶負荷的速度。啟動時的運行操作比兩班制啟停方式調峰要簡單得多。缺點：這種方式調峰需要引入低壓蒸汽，保持在低速運轉時轉速穩(wěn)定。

第三十九頁，共165頁。機組調峰運行存在的問題及建議機組原設計按承擔基本負荷設計，負荷適應性較差鍋爐低負荷穩(wěn)燃問題，導致調峰能力差一些機組自動化程度不高，熱態(tài)啟動性能不好，很難實現兩班制運行調峰手段應多樣化。如：建抽水蓄能機組，水電廠再開發(fā)，燃氣輪機，壓縮空氣儲能等。第四十頁，共165頁。機組帶廠用電運行

operationatauxliarypowerload優(yōu)點：系統(tǒng)故障時，可加快恢復電網供電，進一步提高廠用電源的可靠性，保證重要地區(qū)符合的需要。缺點：對機組是一種惡劣工況，會影響機組的壽命。因此，應盡可能縮短運行時間，一般推薦帶負荷運行時間為10~20min。第四十一頁，共165頁。影響機組運行的關鍵因素－

熱應力&疲勞壽命損耗第四十二頁，共165頁。熱應力的基本概念熱變形受到約束時，在物體內部產生熱應力。當物體的溫度不均勻時，即使沒有外界約束，也將產生熱應力。熱應力的數值可以用簡單的虎克定律表達：

第四十三頁，共165頁。思考題燃煤火電機組參加電力系統(tǒng)調峰的方式有哪些？夜間低負荷運行調峰方式的特點是什么？兩班制運行調峰方式的特點是什么？低速旋轉熱備用調峰方式的特點是什么？機組帶廠用電運行的優(yōu)缺點是什么？熱應力是如何產生的？第四十四頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子熱應力的特點溫度場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第四十五頁，共165頁。轉子熱應力的特點直接求取轉子熱應力很困難

由于汽輪機是高速旋轉的部件，目前尚無直接測量其金屬溫度及熱應力的有效手段，需要通過理論計算來解決。有些進口的機組雖然裝有轉子溫度探針，其實這種探針同樣是通過數學模型來顯示轉子內外溫差的，并非直接測量轉子內外壁的溫度，因此它的準確計算同樣依賴于數學模型的建立。第四十六頁，共165頁。溫度探針通過模擬原理建立一個數學模型，使棒體各部的溫度能夠模擬轉子的徑向溫度及其差值。這種設備形似直接探測，實際上是通過傳熱學模型來建立模擬關系。第四十七頁，共165頁。轉子熱應力的計算方法求解溫度場及應力場，通常有兩種方法：一種是解析法，將轉子視為無限長的圓柱體的一維模型，根據一維不穩(wěn)定導熱微分方程求得溫度分布，再由體積平均溫度差計算轉子內外表面的熱應力。另一種理論算法是數值解法，它將轉子考慮為軸對稱二維計算模型，避免了一維模型簡化時造成的誤差，用來比較精確的計算幾何邊界條件及溫度邊界條件復雜的工程實際問題。

第四十八頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子熱應力的特點溫度場模型應力場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

轉子的應力場應力重點監(jiān)測部位第四十九頁，共165頁。溫度場的數學模型計算汽輪機轉子不穩(wěn)定溫度場時，可以認為轉子是一個均勻、各向同性且無內熱源的物體，屬于解軸對稱非定常溫度函數的問題，溫度t(z,r,τ)在區(qū)域中應滿足下列偏微分方程式：

確定上面微分方程的解，除了需要滿足初始條件t=?(z,r)外，在物體邊界條件上還應滿足一定的邊界條件，這里屬于傳熱學中的第三類邊界條件，即邊界與介質的熱交換條件為已知：

當放熱系數α為零時，上式化為絕熱邊界條件。第五十頁，共165頁。溫度場的數學模型（續(xù)1）由變分原理，不穩(wěn)定導熱偏微分方程的第三類邊界條件問題，可等價地轉換為下列泛函

的極值問題，即

在求泛函數極值的基礎上，對區(qū)域D進行離散化，在每個單元上，泛函式是成立的，由于整個區(qū)域D是全部單元的總和第五十一頁，共165頁。溫度場的數學模型（續(xù)2）對于邊界單元：

對于內部單元：

設溫度在單元體中呈線性分布，對單元作變分計算，可得：第五十二頁，共165頁。溫度場的數學模型（續(xù)3）通過公式推導，可得到n階線性代數方程組以求解n個節(jié)點的溫度，選用伽遼金格式，其形式為：

上式穩(wěn)定且不振蕩的條件是：

第五十三頁，共165頁。邊界條件的處理在計算溫度場的時候，中心孔邊界作為作為絕熱邊界條件處理軸的外表面可視為已知放熱系數及介質溫度的第三類邊界條件當換熱系數較大時，介質溫度的變化對轉子溫度場的影響很大。汽輪機調節(jié)級汽室溫度是影響機組熱應力的關鍵參數。蒸汽溫度變化率是運行中應重點監(jiān)控的參數軸徑部位，屬于已知邊界溫度的第一類邊界條件第五十四頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第五十五頁，共165頁。放熱系數的計算汽封中的放熱系數

調節(jié)級葉輪兩側的放熱系數

壓力級葉輪兩側的放熱系數

光軸的放熱系數

第五十六頁，共165頁。汽封中的放熱系數式中——蒸汽的導熱率，kJ/(m.℃.h)――汽封間隙，m;

——汽封環(huán)境寬度，m;

——漏汽面積，

----漏汽量，kg/s;

——蒸汽粘度,Pa.s

——汽封漏汽量，t/h;

、——分別為其流入口及出口的壓力

——汽封入口的蒸汽比容，

——汽封齒數第五十七頁，共165頁。調節(jié)級葉輪兩側的放熱系數調節(jié)級葉輪可作為在無限流體空間旋轉的圓盤來處理，其兩側的放熱系數為：

第五十八頁，共165頁。壓力級葉輪兩側的放熱系數當雷諾數時當雷諾數時

第五十九頁，共165頁。光軸的放熱系數式中，——光軸半徑，m第六十頁，共165頁。放熱系數變化規(guī)律第六十一頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第六十二頁，共165頁。汽輪機啟動時轉子的溫度變化第六十三頁，共165頁。汽輪機啟動時轉子的溫度變化國產100MW機組溫態(tài)啟動終了的溫度場第六十四頁，共165頁。轉子的內外壁的溫度～時間關系曲線

第六十五頁，共165頁。汽輪機啟動時轉子的溫度變化660MW超超臨界機組按照冷態(tài)啟動曲線，啟動終了時刻汽輪機轉子的溫度場分布云圖

第六十六頁，共165頁。按照停機曲線停機終了時刻的溫度場分布云圖

第六十七頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的特點溫度場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第六十八頁，共165頁。應力場的數學模型

求解應力場的關鍵是解出在非穩(wěn)態(tài)溫度變化下，單元上各節(jié)點的位移，從而求得單元內的應變及應力，以熱彈性理論為基礎，單元各節(jié)點的位移可用矩陣表示為：

單元內的位移為：

代入幾何方程：

單元內的應變?yōu)椋旱诹彭?，?65頁。應力場的數學模型（續(xù)1）有了應變之后，利用物理方程求得應力：

第七十頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第七十一頁，共165頁。轉子的應力場某國產100MW機組溫態(tài)啟動終了的應力場第七十二頁，共165頁。轉子的重點部位的應力～時間關系曲線第七十三頁，共165頁。汽輪機轉子的熱應力場按照冷態(tài)啟動曲線，啟動終了時刻的合成應力場分布云圖

第七十四頁，共165頁。汽輪機轉子的熱應力場按照冷態(tài)啟動曲線，額定運行20分鐘后的合成應力場分布云圖

第七十五頁，共165頁。熱應力的簡化計算：第七十六頁，共165頁。轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的特點溫度場模型應力場模型放熱系數的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位第七十七頁，共165頁。熱應力重點監(jiān)測部位在機組啟停過程中，轉子高中、壓軸封段和前幾級所經過的溫度變化最為劇烈，因而產生的熱應力也最大。彈性槽以及葉輪根部的過渡圓角和軸肩等處，由于熱不匹配會存在著不同程度的熱應力集中現象，因而也應視為機組啟停時的監(jiān)督重點。第七十八頁，共165頁。國產100MW機組高壓轉子有限元計算網格劃分圖第七十九頁，共165頁。660MW機組轉子有限元網格劃分第八十頁，共165頁。轉子的熱應力過渡工況下的熱應力：汽輪機在啟動、停機或負荷變化時，轉子金屬內部將產生較大的溫度梯度并由此產生熱應力，這種過渡工況下的熱應力是影響機組壽命損耗的重要因素。

重點部位：汽輪機高、中壓轉子的前軸封段和前幾級，在啟停及負荷變動過程中，汽溫的變化最為劇烈，導致了該部位溫度梯度及熱應力為最大，成為整個轉子的最危險部位。

第八十一頁，共165頁。轉子的應力集中的部位轉子的應力集中的部位：

在汽輪機轉子外表面的葉輪根部圓角、軸肩以及槽溝等部位都存在不同程度的熱應力集中現象。在機組啟停時，這些部位特別是軸封彈性槽處的熱應力可能達到很高的水平，是影響機組啟停安全和壽命損耗的重點部位。第八十二頁，共165頁。100MW機組停機時的熱應力場第八十三頁，共165頁。國產200MW機組轉子彈性槽的應力集中汽封齒的熱應力集中問題不大。第八十四頁，共165頁。國產200MW機組中壓第一級葉輪根部應力集中第八十五頁，共165頁。某N125機組彈性槽在冷態(tài)啟動終了的應力集中第八十六頁，共165頁。某機組停機終了時刻的合成應力場分布云圖

第八十七頁，共165頁。熱應力集中的特點應力集中均密集在槽底1～2mm深度以內，在這個深度以外，應力迅速衰減至公稱應力水平。因此初始裂紋深度常為1～2mm。在這個深度以外，原有的應力水平很低，當加工車去表面裂紋后，新表面還可有相當高的疲勞壽命。第八十八頁，共165頁。槽形狀的改變對熱應力集中的影響第八十九頁，共165頁。等效彈性應力第九十頁，共165頁。熱應力集中的影響因素幾何形狀熱載荷材料的物理特性第九十一頁，共165頁。熱應力的數值可以用簡單的虎克定律表達：前述公式只是針對光軸而言，實際轉子存在應力集中現象

其中:——熱應力集中系數

——無熱應力集中時光軸上的公稱應力熱應力集中第九十二頁，共165頁。幾何形狀對應力集中的影響國產N200機組由于高、中壓轉子彈性槽的幾何形狀設計不甚合理，槽太深且底部拐角圓弧太小，導致了嚴重的熱應力集中現象。熱應力集中主要表現在轉子的軸向應力，切向應力集中現象輕微。第九十三頁，共165頁。熱載荷的影響熱應力集中系數與一般的機械應力集中系數不同，其值除與幾何形狀有關外，還與熱載荷有關。第九十四頁，共165頁。熱應力集中系數vs機械應力集中系數在相同的幾何尺寸下，熱應力集中系數要比機械應力集中系數大；軸的直徑越大，兩者相差越多；當軸徑較小時，兩者趨于相等。第九十五頁，共165頁。暖機過程對應力集中的影響第九十六頁，共165頁。物理特性對應力集中的影響當應力接近或超過材料的屈服極限時，應力進入塑性范圍，真實應力集中系數減小，而應變系數增大。第九十七頁，共165頁。式中：Kt

——

理論集中系數，

——

槽的深度；

r

——

槽底圓角半徑；

or

——

相當于槽底直徑的光軸公稱當量應力；

o

——

相當于槽面直徑的光軸公稱當量應力；

因為熱應力與轉子直徑的平方成正比，為了簡化計算，可以將上述式中的當量應力比，代以相應直徑平方之比。軸封彈性槽的熱應力集中系數第九十八頁，共165頁。影響熱應力的因素轉子的結構材料

溫度的變化壓力的變化第九十九頁，共165頁。熱應力的基本方程式為：

——彈性模量

——線脹系數

——泊松比

材料對熱應力的影響第一百頁，共165頁。轉子鋼熱物性的變化第一百零一頁，共165頁。溫度的變化對熱應力的影響溫升率對熱應力的影響從圖中三條曲線對比可以看出，溫升率越大，熱應力水平越高，而且熱應力在開始階段迅速達到最大值，隨后呈下降趨勢。

第一百零二頁，共165頁。調節(jié)級汽室汽溫與轉子溫度計算熱應力時，調節(jié)級和中壓第一級汽室汽溫是一個最重要的參數。很多降低熱應力的技術措施，都與調整這個區(qū)域的汽溫有關汽輪機定速之前，調節(jié)級汽溫難以確定（理論計算和實際測試都存在困難）第一百零三頁，共165頁。調節(jié)級室汽溫的降落幅度調節(jié)級室汽溫的降落幅度與進汽調節(jié)方式、新汽參數以及調節(jié)級的設計焓降有關N125機組熱態(tài)啟動沖轉時調節(jié)級汽溫降落幅度計算值見下表由表可見：新汽壓力越低，汽溫降落的幅度越小。因此在啟動時，新汽的壓力以低些為宜。第一百零四頁，共165頁。調節(jié)級后的溫度與溫度匹配第一百零五頁，共165頁。汽輪機轉子照片第一百零六頁，共165頁。N125機組兩班制運行調節(jié)級汽溫實測第一百零七頁，共165頁。N200機組啟動過程中調節(jié)級汽溫變化曲線(實測)第一百零八頁，共165頁。汽溫波動對熱應力的影響

當啟動或正常運行時，由于鍋爐燃燒或其它不定因素，常常引起主汽溫的波動，導致調節(jié)級汽溫也隨之發(fā)生變化。調節(jié)級汽溫對汽缸和轉子熱應力的影響，除了汽溫變化幅度外，汽溫的變化頻率也是一個重要的因素。計算表明，如果汽溫波動不超過25℃，在轉子和汽缸上不會產生有害的熱應力。

第一百零九頁，共165頁。壓力的變化對熱應力的影響蒸汽的壓力往往影響放熱系數在一般粗略的計算中，可以把兩者之間的關系歸納為：轉子光軸處：高壓軸封入口：

外表面可以視為第三類邊界條件：壓力越大，對流系數就越大。第一百一十頁，共165頁。汽輪機啟動時高中壓轉子的溫度變化第一百一十一頁，共165頁。熱沖擊金屬材料受到劇烈的加熱或冷卻，引起內部產生很大的溫差，形成很大的沖擊熱應力的現象稱為熱沖擊。熱沖擊時承受很大的熱應力，有時僅一次熱沖擊就可能造成零部件的永久性破壞。汽輪機熱態(tài)啟動時，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常運行中，鍋爐汽包水位失調而造成滿水等均可能產生汽輪機的熱沖擊。同樣，當電網或發(fā)電機故障而引起汽輪機甩負荷后帶廠用電或空負荷運行，也將造成汽輪機的熱沖擊。熱沖擊可能對汽輪機產生嚴重的損傷，因此，在機組啟停和正常運行中，應特別注意。第一百一十二頁，共165頁。思考題根據換熱系數變化規(guī)律，說明汽輪機啟動過程中蒸汽溫度與轉子表面間溫差的變化規(guī)律。根據導熱的變化規(guī)律，說明汽輪機轉子內外溫差與蒸汽溫度變化率之間的關系。簡述汽輪機啟動/停機過程中，汽輪機轉子內外表面熱應力的變化規(guī)律與影響因素。汽輪機轉子的熱應力集中部位一般在什么地方？汽輪機轉子上熱應力的重點監(jiān)測部位有哪些？為什么？汽輪機轉子上熱應力集中的特點是什么？熱應力集中與機械應力集中有什么區(qū)別？對熱應力變化產生影響的主要因素是什么？如何影響熱應力？什么是熱沖擊？哪些因素可能導致熱沖擊？第一百一十三頁，共165頁。壽命損耗疲勞損傷由材料力學可知，金屬材料在交變應力反復作用下，會出現疲勞損傷。即使應力不超過材料的屈服極限，經過一定次數的循環(huán)（交變應力反復作用），金屬材料也將產生微觀裂紋。如果應力足夠大，則循環(huán)次數不多，材料也將斷裂。第一百一十四頁，共165頁。壽命損耗（續(xù)1）壽命工程上，將致裂疲勞循環(huán)周次（致裂壽命）稱為：有效壽命。工程上，將產生宏觀初始裂紋至斷裂之間的循環(huán)周次（即斷裂壽命與致裂壽命之差）稱為：殘余壽命。低周疲勞汽輪機在啟停和工況變化過程中，轉子承受交變熱應力。這種交變熱應力循環(huán)的特點是：交變循環(huán)周期長，頻率低，疲勞裂紋萌發(fā)的循環(huán)次數少，故稱為低周疲勞第一百一十五頁，共165頁。影響壽命的因素影響汽輪機壽命的因素有很多，如蠕變斷裂、熱脆性、熱疲勞以及高溫介質的氧化和腐蝕等。主要的影響因素是受到交變熱應力作用引起的低周疲勞壽命損耗，以及受到高溫和工作應力作用而產生的蠕變損耗。

第一百一十六頁，共165頁。(a)540℃(b)565℃兩種溫度下，斷口掃描電鏡圖片第一百一十七頁，共165頁。第一百一十八頁，共165頁。第一百一十九頁，共165頁。第一百二十頁，共165頁。高溫蠕變即金屬在高溫下，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。565℃下蠕變裂紋擴展金屬材料的高溫蠕變第一百二十一頁，共165頁。第一百二十二頁，共165頁。時效過程中組織變化(a)原始試樣(b)660℃時效300小時(c)660℃時效500小時(d)660℃時效800小時

660℃溫度下不同時效時間的金相組織照片第一百二十三頁，共165頁。第一百二十四頁，共165頁。第一百二十五頁，共165頁。汽輪機轉子的低周疲勞汽輪機在啟停過程中轉子所承受的是交變熱應力。啟動加熱時轉子表面承受壓應力，停機時為拉應力，在這種交變應力作用下，經過一定周次的循環(huán)，就會在金屬表面出現疲勞裂紋并逐漸擴展以致斷裂。汽輪機轉子承受的這種交變應力的特點是交變周期長、頻率低、疲勞裂紋的循環(huán)周期少，故稱為低周疲勞。

第一百二十六頁，共165頁。第一百二十七頁，共165頁。第一百二十八頁，共165頁。1983年前蘇聯(lián)文獻中公布的轉子鋼低周疲勞特性曲線

從圖中看到，所受熱應力越大，循環(huán)周次(即金屬材料的疲勞壽命)就越少；工作溫度越高，循環(huán)周次就越少。低周疲勞特性對壽命的損耗第一百二十九頁，共165頁。第一百三十頁，共165頁。低周疲勞特性對壽命的損耗(續(xù))

30Cr2MoV鋼500℃時的低周疲勞曲線

第一百三十一頁，共165頁。第一百三十二頁，共165頁。轉子疲勞壽命損耗的計算依據材料的低周疲勞特性曲線進行計算，首先求

式中，——計算點的公稱當量應力；

——材料的彈性模量；

——彈、塑性應變集中系數；

算出后，即可查得，則啟動（或停機）一次的壽命損耗為

第一百三十三頁，共165頁。高溫蠕變蠕變即金屬在高溫下，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。實驗證明，金屬的蠕變與金屬材料所承受的工作應力和工作溫度有密切的關系。在工作應力和工作溫度一定時，蠕變發(fā)展過程呈現三個階段：第一階段，是蠕變不穩(wěn)定階段；第二階段，是蠕變的穩(wěn)定階段，蠕變速度恒定；第三階段，蠕變速度增加很快，直至斷裂。在汽輪機壽命管理時，第三階段時間不能計入蠕變壽命。134第一百三十四頁，共165頁。高溫蠕變壽命汽輪機穩(wěn)定運行時，轉子熱應力趨于零，轉子工作應力主要是離心應力和傳遞扭矩的剪切應力。因為蠕變壽命是應力和溫度的函數，因此，汽輪機轉子的最小蠕變壽命部位為轉子上溫度最高的部位，即高壓轉子調節(jié)級時輪根部或中壓轉子第一級葉輪根部附近。為此，高溫蠕變對汽輪機轉子的壽命損耗可用下式表達：135t——累計運行時間ta——汽輪機滿負荷時，調節(jié)級根部在金屬溫度 和工作應力下的蠕變壽命第一百三十五頁，共165頁。高溫蠕變對壽命的損耗從圖中可看出，在同一應力下，轉子工作溫度越高，蠕變斷裂時間越短，同一溫度下，轉子承受的應力越大，蠕變斷裂時間就越短。蠕變損耗累積到一定程度時，會導致轉子產生裂紋，引起蠕變變形，發(fā)生動靜摩擦事故。通常規(guī)定汽輪機運行十萬小時后，總的變形量不得超過0.1%。第一百三十六頁，共165頁。低溫脆性&FATT低溫脆性是指高強度合金鋼在某一低溫范圍內，韌性特性顯著下降的一種現象。在工程應用上，把進行材料沖擊試驗時斷口形貌中韌性和脆性破壞面積各占50％時所對應的試驗溫度，稱為材料的脆性轉變溫度，記作FATT。

–材料溫度＞FATT，呈現韌性破壞

–材料溫度＜FATT，呈現脆性破壞，發(fā)生脆性損傷的可能性增加。

–材料在高溫環(huán)境下長期工作，其FATT有緩慢升高的現象對汽輪機轉子材料的FATT有明確的要求，而且對預防汽輪機轉子脆性損傷也有具體的措施

–對CrMoV轉子鋼來講，FATT=80～130℃。現代斷裂力學認為：金屬材料低溫脆性破壞的根本原因在于材料在鍛造、熱處理過程中形成的潛在微小裂紋。

第一百三十七頁，共165頁。低溫脆性破壞的預防自從50年代相繼發(fā)生了多起高強度合金鋼低溫脆性破壞的嚴重事故后，低溫脆性破壞引起了人們的高度重視。經反復實踐與研究，已形成了一系列行之有效的防止汽輪機轉子低溫脆性破壞措施。例如：

–ABB規(guī)定冷態(tài)啟動時低速暖機和帶初負荷暖機；

–東芝要求機組在冷啟時盤車狀態(tài)下高壓缸暖機和帶初負荷曖機；

–G／A公司機組冷啟的中速暖機和中壓缸啟動方式等都是為了在低應力狀態(tài)下加熱轉子，使轉子金屬溫度超過材料的FATT后再轉向高應力狀態(tài)下工作。

第一百三十八頁，共165頁。壽命的管理與控制對汽輪機壽命的評估方法，一般采用線性累積損傷法，即轉子的累積總壽命損耗率Ｍ為低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷之和：

由上式可知，轉子的使用壽命有壽命分配問題。

第一百三十九頁，共165頁。汽輪機壽命管理汽輪機壽命管理包括兩層內容：

1、在國家宏觀指定的服役年限內，根據機組的帶負荷方式進行壽命預分配，制定汽輪機壽命分配表，指導運行，以取得最大的經濟效益；

2、進行汽輪機壽命的離線或在線監(jiān)測在汽輪機啟、停和變負荷運行時，控制蒸汽溫度和負荷的變化率，控制汽輪機部件的熱應力，使機組的壽命損耗不超過其預分配值，在機組規(guī)定的使用年限內，實現最佳的安全經濟運行，使機組發(fā)揮最佳的經濟效益，實現機組運行壽命的科學管理。

第一百四十頁，共165頁。汽輪機壽命的合理分配目前通常認為汽輪機的服役年限為30年。在這30年的時間里，如何合理分配汽輪機的壽命，充分利用汽輪機的壽命，以取得最大的經濟效益是汽輪機壽命分配的出發(fā)點。對于帶基本負荷的機組，汽輪機壽命的損耗主要為高溫蠕變和正常檢修啟停所需低周疲勞對汽輪機壽命的損耗。對調峰機組，除檢修、維護需要正常啟停以外還應根據電網要求，安排一定次數的熱態(tài)啟動和一定范圍內的負荷變化。負荷變化量（率）和熱態(tài)啟停次數（速區(qū)）應視電網的要求而定。在分配壽命損耗時，既要考慮汽輪機壽命的合理損耗，又要考慮到電網的調峰需要。第一百四十一頁，共165頁。不同國家對機組壽命管理的規(guī)定我國“進口大容量汽輪機技術談判指南”中規(guī)定：汽輪機的使用壽命一般為30年。在30年中，機組冷態(tài)啟動100次，溫態(tài)啟動700次，熱態(tài)啟動3000，極熱態(tài)啟動150次，以及大于10%額定負荷突變12000次，其總的壽命損耗不大于75%。英國國家標準(BSI)中規(guī)定，大機組在使用壽命期內必須經得起冷態(tài)啟動100次，溫態(tài)啟動700次，熱態(tài)啟動3000，以及負荷突變和頻繁負荷變動。第一百四十二頁，共165頁。ABB600MW超臨界機組

ABB600MW超臨界機組壽命損耗分配余度較大，30年內由熱應力損耗的壽命僅占總壽命的11.575%，其余88.425%作為高溫蠕變和富裕量。該機組設計壽命富裕是最大的。

第一百四十三頁，共165頁。東芝公司提供的600MW汽輪機

該表東芝公司提供的600MW汽輪機壽命損耗分配。30年實際壽命消耗達75.45%，在600MW機組是較大的。

第一百四十四頁，共165頁。汽輪機壽命的監(jiān)測在實際運行過程中，由于不可預測的因素較多，可能導致實際壽命損耗與預先分配值有較大偏差，因此，有必要對汽輪機壽命損耗進行監(jiān)測。

壽命監(jiān)測就是定期或不定期（每次啟、停中或啟停后）地對汽輪機壽命的實際損耗情況進行核算，以確保機組的安全運行。

第一百四十五頁，共165頁。壽命監(jiān)測的方式壽命監(jiān)測有兩者方式：在線和離線兩種方式

離線計算是在啟動或停機之后，根據調節(jié)級或中壓第一級的汽溫變化曲線，取出各個階段的溫