1000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件

1000MW超超臨界汽輪機(jī)自啟動(dòng)中熱應(yīng)力控制金屬部件受熱不均，出現(xiàn)溫差就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。溫差越大，熱應(yīng)力也越大。部件加熱時(shí)受到壓縮應(yīng)力，部件冷卻時(shí)收到拉伸應(yīng)力。而壓縮和拉伸應(yīng)力得不斷交錯(cuò)循環(huán)，將會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞裂紋，消耗設(shè)備的使用壽命，并逐漸擴(kuò)大直到斷裂失效。對(duì)于汽輪機(jī)而言，在非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行（如啟停，增、減負(fù)荷或變溫度運(yùn)行）時(shí)，其金屬部件將受到固定大小和頻率的熱應(yīng)力影響，會(huì)導(dǎo)致材料處于一個(gè)高水平的疲勞度而出現(xiàn)裂紋。減少部件疲勞，控制熱應(yīng)力的最好方法就是控制部件內(nèi)外溫差，控制部件內(nèi)外溫差的最好方法則是延緩部件的升、降溫速率。因此合理的消耗壽命，以便設(shè)備在使用壽命內(nèi)發(fā)揮最大的效益就是設(shè)備熱應(yīng)力控制的目的。為1000MW超超臨界汽輪機(jī)自啟動(dòng)中熱應(yīng)力控制金屬部件受熱不均1此一般廠家都會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特性，合理分配設(shè)備的壽命消耗。如汽機(jī)廠會(huì)提供全壽命內(nèi)汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)的啟動(dòng)次數(shù)限制，以及升降負(fù)荷的速率限制。西門子DEH的熱應(yīng)力控制就是將汽機(jī)廠的這些要求和手段轉(zhuǎn)換成程序，測取（或模擬計(jì)算）受溫度劇烈變化影響的汽機(jī)主要厚重部件如高中壓主汽門閥體、高中壓缸體、高中壓轉(zhuǎn)子等部件的內(nèi)外壁溫，然后計(jì)算出可能的最大應(yīng)力（用溫差進(jìn)行表征）并與規(guī)定限值進(jìn)行比較，從而構(gòu)成汽機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，并根據(jù)應(yīng)力決定汽機(jī)啟動(dòng)過程中的升速率以及變負(fù)荷時(shí)最大的允許負(fù)荷變動(dòng)率。此一般廠家都會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特性，合理分配設(shè)備的西門子DEH2熱應(yīng)力評(píng)估TSE汽輪機(jī)熱應(yīng)力評(píng)估TSE的基本功能就是對(duì)汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子、高壓主汽門、調(diào)門閥體和高壓外缸缸體等厚重部件的溫差進(jìn)行監(jiān)視，防止由于蒸汽溫度與金屬溫度的不匹配導(dǎo)致金屬部件產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，影響部件的使用壽命。這里的溫差監(jiān)視實(shí)際上是所謂的溫度裕度（Margin）監(jiān)視。它是汽輪機(jī)部件的實(shí)際溫差和設(shè)計(jì)溫差的差值，溫度裕度越大，說明溫差越小，部件所受的熱應(yīng)力也越小。為了確保機(jī)組啟動(dòng)和變工況時(shí)，其熱應(yīng)力處于可控范圍，DEH根據(jù)溫度裕度的大小自動(dòng)設(shè)置升速率和最大允許的負(fù)荷變動(dòng)率。而且TSE出現(xiàn)故障時(shí)，DEH將不允許機(jī)組啟動(dòng)，并閉鎖汽輪機(jī)升速或變負(fù)荷。熱應(yīng)力與溫差的線性關(guān)系汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子、高壓主汽門、調(diào)門閥體和高壓缸熱應(yīng)力評(píng)估TSE3體是汽輪機(jī)中最厚重的部件，因此只要控制了這五個(gè)部件的熱應(yīng)力，其它部件也就不存在熱應(yīng)力超標(biāo)問題。由于汽輪機(jī)上述部件都是規(guī)格和形狀復(fù)雜的部件，因此在計(jì)算他們的熱應(yīng)力前，需要先進(jìn)行簡化：在雙層缸汽機(jī)很薄的外缸中的熱流或汽機(jī)缸體法蘭中的熱流可類似為一個(gè)平板中的熱流；一個(gè)管子或一個(gè)很厚的汽機(jī)缸體，可看作一個(gè)中空的柱體；一個(gè)實(shí)心軸看作一個(gè)實(shí)心柱體；閥體在計(jì)算時(shí)假定為一個(gè)空的半球。經(jīng)過簡化的部件，就可以根據(jù)應(yīng)用熱應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算了。在彈性模量范圍內(nèi)，一個(gè)理想物體的熱應(yīng)力計(jì)算公式如下：體是汽輪機(jī)中最厚重的部件，因此只要控制了這五個(gè)部件的熱應(yīng)力，4從公式上可見，熱應(yīng)力與溫差存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此用溫差來表示熱應(yīng)力是可行的，也是合理的。從公式上可見，熱應(yīng)力與溫差存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，因5溫差裕度（Margin）的計(jì)算由于熱應(yīng)力與部件的溫差之間有線性關(guān)系，因此監(jiān)視熱應(yīng)力最方便的辦法就是監(jiān)視部件的溫差值。對(duì)于高壓主汽門閥體、高壓調(diào)門閥體和高壓缸外缸等靜止部件，測量部件溫差的方法比較簡便，只要在部件上打個(gè)孔，安裝兩只位置相鄰、但插入深度不同的熱電偶作為內(nèi)壁溫和平均壁溫的溫度測點(diǎn)，具體布置見圖1。插入100％深度處的溫度T1泛指直接接觸蒸汽并進(jìn)行熱交換的相應(yīng)閥體(缸體)溫度，插入50%深度處的溫度Tm泛指相應(yīng)閥體(缸體)的平均溫度。由于熱傳導(dǎo)的延遲，Tm的變化總會(huì)慢于T1的變化，從而存在溫差,這一溫差的大小,即表示應(yīng)力的大小.溫差裕度（Margin）的計(jì)算6圖1用于熱應(yīng)力控制的溫度測點(diǎn)的布置圖1用于熱應(yīng)力控制的7圖2高壓缸外缸表面溫度和平均溫度的變化曲線圖2高壓缸外缸表面溫度和平均溫度的變化曲線8目前實(shí)測高、中壓轉(zhuǎn)子的溫度是十分困難的，只能采用仿真計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)。首先，用高壓(中壓)內(nèi)缸的溫度來近似表示高壓(中壓)轉(zhuǎn)子表面的溫度Ta，計(jì)算轉(zhuǎn)子動(dòng)葉根部的溫度作為轉(zhuǎn)子平均溫度,也用Tm表示,另外再計(jì)算轉(zhuǎn)子中心的溫度Tax。轉(zhuǎn)子表面溫度Ta和轉(zhuǎn)子平均溫度Tm的差值就表示轉(zhuǎn)子應(yīng)力的大小。目前實(shí)測高、中壓轉(zhuǎn)子的溫度是十分困難的，只能采9圖3高壓轉(zhuǎn)子表面溫度、平均溫度和中心溫度的變化曲線圖3高壓轉(zhuǎn)子表面溫度、平均溫度和中心溫度的變化曲線10部件的熱應(yīng)力限制曲線材料的壽命取決于疲勞強(qiáng)度和疲勞周期。對(duì)汽輪機(jī)而言，強(qiáng)度較大的應(yīng)力交變主要發(fā)生在啟動(dòng)和停機(jī)階段，由于機(jī)組啟停的一次需要間隔較長的時(shí)間，因此它是低周疲勞。而機(jī)組每時(shí)每刻的都有可能的增、減負(fù)荷，若蒸汽溫度發(fā)生變化時(shí)，材料也將面臨交變壓力的影響。汽輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過統(tǒng)計(jì)汽輪機(jī)在基本負(fù)荷或最大負(fù)荷區(qū)間的計(jì)劃使用情況來確定預(yù)期應(yīng)力周期的數(shù)量，選用的材料必須能滿足這些疲勞周期數(shù)量。汽輪機(jī)廠將材料的允許應(yīng)力以溫差限制的方式做成曲線用于指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行。曲線的形式與基于假設(shè)周期數(shù)量的部件絕對(duì)溫度相關(guān)。在限制曲線的計(jì)算中，部件的設(shè)計(jì)特征（例如：它們的外形和槽口的影響）都必須考慮。圖4就是部件的溫差限制曲線。部件的熱應(yīng)力限制曲線材料的壽命取決于疲勞強(qiáng)度和疲勞周期。對(duì)11圖4部件的熱應(yīng)力（溫差）限制曲線圖4部件的熱應(yīng)力（溫差）限制曲線12溫度裕度、允許溫度裕度和剩余溫度裕度部件的熱應(yīng)力限制曲線是根據(jù)材料壽命確定的，一旦越限就有可能影響設(shè)備的正常壽命。為此，在機(jī)組正常運(yùn)行中，需要留出一定的安全裕量，這就是所謂的溫度裕度。溫度裕度是部件內(nèi)外壁的實(shí)際溫差和允許溫差的差值，裕度越大，說明溫差越小，部件所受的熱應(yīng)力也越小。溫度裕度的計(jì)算方法見圖5。對(duì)于每一個(gè)部件都有一個(gè)允許的溫度變化裕度，允許值和運(yùn)行人員選擇的機(jī)組啟動(dòng)模式有關(guān)，分為快速、正常和慢速啟動(dòng)三種?？焖賳?dòng)的允許溫度裕度最大，正常啟動(dòng)其次，慢速啟動(dòng)最小。這一允許值減去實(shí)際溫差值就是剩余溫度裕度，分剩余上升裕度和剩余下降裕度，其公式為：溫度裕度、允許溫度裕度和剩余溫度裕度部件的熱應(yīng)力限制曲線是根131000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件14圖5汽缸和轉(zhuǎn)子部件的溫差裕度（Margin）計(jì)算圖5汽缸和轉(zhuǎn)子部件的溫差裕度（Margin）計(jì)算15允許的溫度裕量總是正的，但實(shí)際的溫度差dT有正負(fù)。當(dāng)剩余溫度裕量為正時(shí)，表示最大允許的溫度差還沒有達(dá)到，機(jī)組還有上升(或下降)空間。但是當(dāng)剩余溫度裕量為負(fù)時(shí)，則表示允許的溫度差已經(jīng)超過了。這些部件的剩余裕量都以數(shù)字和棒狀圖的形式顯示在操作員畫面上，給運(yùn)行人員提供操作指導(dǎo)。溫度裕量會(huì)參與計(jì)算各種x準(zhǔn)則。另外，各部件剩余裕量中的最小值作為機(jī)組當(dāng)前有效的溫度裕量，并根據(jù)這個(gè)裕量來控制汽輪機(jī)升速或者升負(fù)荷的速度。允許的溫度裕量總是正的，但實(shí)際的溫度差dT有正負(fù)。當(dāng)剩余溫16圖6TSE溫度裕度畫面圖6TSE溫度裕度畫面17溫度裕度的作用前面已經(jīng)講過，只有汽輪機(jī)處于啟?；蜃冐?fù)荷等不穩(wěn)定工況下，因蒸汽溫度的波動(dòng)才有可能引起部件的溫度變化，產(chǎn)生溫差。因此在這些階段，通過溫度裕度來決定或限制機(jī)組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化速率，就能達(dá)到控制熱應(yīng)力的目的。1）升、降速率機(jī)組啟停期間是，是汽輪機(jī)部件加熱或冷卻最厲害的階段，此時(shí)金屬部件的熱應(yīng)力處于高強(qiáng)度狀態(tài)，因此在這個(gè)階段的熱應(yīng)力控制顯得尤為重要。所以SIEMENSDEH的ATC程控中，將根據(jù)高壓缸體和高、中壓轉(zhuǎn)子這三個(gè)部件中的最小溫度裕度值，來決定機(jī)組的升速率OFBN和降速率UFBN，且不允許運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定。以此達(dá)到熱應(yīng)力控制在最小，啟動(dòng)時(shí)間最短的目的。溫度裕度的作用18OFBN＝Min（WTO，30K）×600r/min/min÷30K其中WTO是應(yīng)力計(jì)算程序WTG來的上限溫度裕度同理：UFBN＝Max（WTU×－1，-30K）×600r/min/min÷30K其中WTU是應(yīng)力計(jì)算程序WTG來的下限溫度裕度因此，只要部件的溫度裕度大于30K，此時(shí)機(jī)組的啟動(dòng)將以最大的升速率600r/min/min來沖轉(zhuǎn)汽機(jī)，汽輪機(jī)將以不到5min的時(shí)間實(shí)現(xiàn)從暖機(jī)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速。若部件的溫度裕度小于30K，此時(shí)的升速率將受限制。如果溫度裕度很小，汽輪機(jī)將有可能無法快速過臨界，導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)失敗。因此在沖轉(zhuǎn)前，應(yīng)適當(dāng)提高溫度裕度。OFBN＝Min（WTO，30K）×600r/min/min19由于DEH可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用下帶負(fù)荷運(yùn)行，因此在該方式下的負(fù)荷變化速率只能通過機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)的OFBN和UFBN的計(jì)算方法同上面一樣，只是最大的允許升、降速率從±600r/min2變?yōu)镻SVG×δ÷PNOM。其中PSVG是DEH允許的最大變負(fù)荷率，MW/min；δ是轉(zhuǎn)速不等率，δ＝0.15r/(min·MW)；PNOM是機(jī)組額定出力，1000MW2）負(fù)荷變化率負(fù)荷變化率的計(jì)算方法同轉(zhuǎn)速變化率的方法基本相同。但實(shí)際中，還是以運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定為主，OFBP和UFBP只是用于限制。因此在這里不展開過大的敘述。由于DEH可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用下帶負(fù)荷運(yùn)行，因此在2）負(fù)荷變20溫度裕度的影響即TSEINFL子環(huán)可以在OM上投切，同時(shí)顯示相應(yīng)的信息。在正常情況，該子環(huán)必須投入，否則機(jī)組無法啟動(dòng)或負(fù)荷升降。而溫度裕度影響功能投入時(shí)，若應(yīng)力估算程序故障，發(fā)出WTST＝1信號(hào)，將自動(dòng)把TSEINFL子環(huán)切除，此時(shí)閉鎖（BLOCK）延時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速NSV或目標(biāo)負(fù)荷PSV的變化，只有等到故障信號(hào)消失，運(yùn)行人員在OM再次投入子環(huán)后，同時(shí)投入設(shè)定值復(fù)位子環(huán)，發(fā)出SWFQ命令后，使WTS復(fù)位，機(jī)組才能再?zèng)_轉(zhuǎn)或負(fù)荷變化。X準(zhǔn)則概述和啟動(dòng)階段熱應(yīng)力控制策略SIEMENSDEH的一個(gè)顯著特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)就是汽輪機(jī)的啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)必須由其提供的程控子組完成，系統(tǒng)未提供運(yùn)行人員手動(dòng)操作的界面。為了實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的ATC，DEH需溫度裕度的影響即TSEINFL子環(huán)可以在OM上投切，同X準(zhǔn)21要對(duì)啟動(dòng)過程中的很多設(shè)備、系統(tǒng)以及汽輪機(jī)相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和確認(rèn)。X準(zhǔn)則就是其中一個(gè)重要的條件，其實(shí)質(zhì)是變溫度準(zhǔn)則，就是根據(jù)金屬部件不同的溫度，確定不同的蒸汽溫度，并使之與汽輪機(jī)金屬部件溫度匹配，溫差控制在TSE差值內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)在啟動(dòng)過程中的熱應(yīng)力控制，并使啟動(dòng)時(shí)間最小，最佳。目前使用的X準(zhǔn)則有六個(gè)，分別是X2、X4、X5、X6、X7A/B和X8。根據(jù)X準(zhǔn)則在汽輪機(jī)自啟動(dòng)程控中的步驟，可劃分為：順控第13步：X2準(zhǔn)則，打開主蒸汽管道上的主汽門并對(duì)閥體預(yù)熱的條件；順控第20步：X4、X5、X6，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)，開調(diào)門的條件；要對(duì)啟動(dòng)過程中的很多設(shè)備、系統(tǒng)以及汽輪機(jī)相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)22順控第23步：X7A、X7B，汽輪機(jī)中速暖機(jī)結(jié)束，升速到額定轉(zhuǎn)速的條件順控第第29步：X8，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷的條件根據(jù)功能劃分：最低蒸汽溫度的限定，避免熱部件不必要的冷卻：X5、X6蒸汽與金屬部件的溫差，限制熱應(yīng)力：X7A、X7B、X8、X2在汽輪機(jī)用蒸汽沖轉(zhuǎn)之前過熱度的限定：X4順控第23步：X7A、X7B，汽輪機(jī)中速暖機(jī)結(jié)束，升速到額定23西門子DEH自動(dòng)化程度較高，通過執(zhí)行汽輪機(jī)主順控來自動(dòng)完成整個(gè)啟動(dòng)過程，從汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速到360r/min、低速暖機(jī)、升速到額定轉(zhuǎn)速3000r/min、高速暖機(jī)一直到并網(wǎng)帶負(fù)荷。在各個(gè)階段，主順控會(huì)通過x準(zhǔn)則的判斷來確定熱應(yīng)力是否符合要求，以決定是否可以進(jìn)行下一步，或繼續(xù)在本步等待，直到條件滿足，其邏輯示意圖如圖7所示。這些判斷由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需運(yùn)行人員干預(yù)，否則反而會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力超限。另外，在主順控中還會(huì)自動(dòng)投入高壓級(jí)壓力控制，以減少啟動(dòng)初期高壓缸部分的熱應(yīng)力。西門子DEH自動(dòng)化程度較高，通過執(zhí)行汽輪機(jī)主順控來自動(dòng)完成整24圖7汽輪機(jī)主順控及準(zhǔn)則判斷示意圖圖7汽輪機(jī)主順控及準(zhǔn)則25X2準(zhǔn)則用途：用來確定開高壓主汽門進(jìn)行暖高壓閥門腔室前的主汽壓力值。說明：在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)高壓調(diào)門的閥體溫度低于主蒸汽的飽和溫度。在打開主汽門后，蒸汽與調(diào)門接觸，以凝結(jié)換熱的方式向調(diào)門閥體傳遞熱量。由于凝結(jié)換熱的放熱系數(shù)很大，劇烈的換熱將使閥體的溫度很快上升到蒸汽的飽和溫度。如果閥體內(nèi)部溫度過低，就會(huì)在閥體內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。所以要使主蒸汽的飽和溫度低于高調(diào)閥閥體內(nèi)部溫度加某一值，則需滿足X2準(zhǔn)則。使用時(shí)機(jī)： 開高、中壓主汽門前，順控第13步。X2準(zhǔn)則26X4準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的主汽溫度值。說明：該準(zhǔn)則用來避免濕蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，確保主汽溫度高于主汽飽和溫度某一值，即主汽要有一定的過熱度，這樣可以防止?jié)裰髌M(jìn)入汽輪機(jī)。使用時(shí)機(jī)：開調(diào)門沖轉(zhuǎn)前，順控第20步。X4準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的主汽溫度值。27X4為允許的最低過熱度，該過熱度又是飽和溫度的函，飽和溫度越高，要求的過熱度越高，其函數(shù)關(guān)系見表1X5準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的主汽溫度值。說明：該準(zhǔn)則用來避免高壓汽輪機(jī)部分被冷卻，確保主汽溫度高于高壓缸的平均壁溫和高壓轉(zhuǎn)子的平均溫度某一值，即滿足X5準(zhǔn)則。在極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，允許蒸汽的溫度可以略低于高壓缸缸體和轉(zhuǎn)子的溫度。使用時(shí)機(jī)： 開調(diào)門沖轉(zhuǎn)前，順控第20步。X4為允許的最低過熱度，該過熱度又是飽和溫度的函，飽和溫度281000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件29X6準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的再熱蒸汽溫度值。說明：該準(zhǔn)則用來避免中壓汽輪機(jī)部分被冷卻，確保再熱蒸汽溫度高于中壓轉(zhuǎn)子的平均溫度某一值，即滿足X6準(zhǔn)則。在極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，允許蒸汽的溫度可以略低于中壓轉(zhuǎn)子的溫度。使用時(shí)機(jī)： 開調(diào)門沖轉(zhuǎn)前，順控第20步。X6準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的再熱蒸汽溫度值。301000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件31X7準(zhǔn)則X7A準(zhǔn)則用途：用來判斷汽機(jī)暖機(jī)是否結(jié)束，進(jìn)而可以升速至額定轉(zhuǎn)速。說明：該準(zhǔn)則在沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速前使用，目的是使高壓汽輪機(jī)充分暖機(jī)，汽輪機(jī)的啟動(dòng)過程是一個(gè)對(duì)汽輪機(jī)各部件加熱的過程，為了使缸體和轉(zhuǎn)子的應(yīng)力不超過許用應(yīng)力，要使缸體和轉(zhuǎn)子的內(nèi)外表面溫差小，必須對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行暖機(jī)，暖機(jī)是否完成，由X7準(zhǔn)則來判斷使用時(shí)機(jī)： 升速至額定轉(zhuǎn)速前，順控第23步X7準(zhǔn)則X7A準(zhǔn)則用途：用來判斷汽機(jī)暖機(jī)是否結(jié)束，進(jìn)而可以321000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件33X7B準(zhǔn)則X7B準(zhǔn)則在汽輪機(jī)主順控第23步，即結(jié)束低速暖機(jī)準(zhǔn)備升速至額定轉(zhuǎn)速前加以判斷，目的是在低速暖機(jī)時(shí)使蒸汽充分加熱汽輪機(jī)高壓缸。汽輪機(jī)的啟動(dòng)是對(duì)汽輪機(jī)各部件加熱的過程，為了使高壓缸的熱應(yīng)力不超過允許應(yīng)力，要使高壓缸的內(nèi)外溫差小，所以必須對(duì)其進(jìn)行充分暖機(jī)。從暖機(jī)轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速過程中，要快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，但又不得超過應(yīng)力限制。高壓缸暖機(jī)是否合適，需由X準(zhǔn)則判斷：X7B準(zhǔn)則X7B準(zhǔn)則在汽輪機(jī)主順控第23步，即結(jié)束低速暖機(jī)準(zhǔn)341000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件35溫度準(zhǔn)則X8X8準(zhǔn)則在汽輪機(jī)主順控第29步，即結(jié)束高速暖機(jī)準(zhǔn)備并網(wǎng)帶負(fù)荷前加以判斷，目的是在汽輪機(jī)并網(wǎng)之前使汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子充分暖機(jī)。當(dāng)汽輪機(jī)并網(wǎng)后，為防止逆功率動(dòng)作，會(huì)帶上一定的初負(fù)荷。隨著負(fù)荷的增加，中壓缸的蒸汽流量也會(huì)不斷加大，中壓缸的應(yīng)力也開始加大，X8準(zhǔn)則的目的就是讓再熱蒸汽溫度能和中壓轉(zhuǎn)子的暖機(jī)匹配，或者說讓中壓缸充分暖機(jī)從而能夠不受應(yīng)力的限制而在并網(wǎng)后帶上一定的初負(fù)荷。在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)不帶負(fù)荷時(shí)，中壓調(diào)門的開度很小，在帶負(fù)荷后才開始開大，故高壓缸主要在暖機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)就能得到暖機(jī)，而中壓缸主要在帶負(fù)荷后才得到暖機(jī)。這使得中壓缸很容易在帶負(fù)荷初始階段受到應(yīng)力的限制，故在并網(wǎng)前滿足X8準(zhǔn)則非常必要。溫度準(zhǔn)則X8X8準(zhǔn)則在汽輪機(jī)主順控第29步，即結(jié)束高速暖機(jī)準(zhǔn)361000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件371000MW超超臨界汽輪機(jī)自啟動(dòng)中熱應(yīng)力控制金屬部件受熱不均，出現(xiàn)溫差就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。溫差越大，熱應(yīng)力也越大。部件加熱時(shí)受到壓縮應(yīng)力，部件冷卻時(shí)收到拉伸應(yīng)力。而壓縮和拉伸應(yīng)力得不斷交錯(cuò)循環(huán)，將會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生疲勞裂紋，消耗設(shè)備的使用壽命，并逐漸擴(kuò)大直到斷裂失效。對(duì)于汽輪機(jī)而言，在非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行（如啟停，增、減負(fù)荷或變溫度運(yùn)行）時(shí)，其金屬部件將受到固定大小和頻率的熱應(yīng)力影響，會(huì)導(dǎo)致材料處于一個(gè)高水平的疲勞度而出現(xiàn)裂紋。減少部件疲勞，控制熱應(yīng)力的最好方法就是控制部件內(nèi)外溫差，控制部件內(nèi)外溫差的最好方法則是延緩部件的升、降溫速率。因此合理的消耗壽命，以便設(shè)備在使用壽命內(nèi)發(fā)揮最大的效益就是設(shè)備熱應(yīng)力控制的目的。為1000MW超超臨界汽輪機(jī)自啟動(dòng)中熱應(yīng)力控制金屬部件受熱不均38此一般廠家都會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特性，合理分配設(shè)備的壽命消耗。如汽機(jī)廠會(huì)提供全壽命內(nèi)汽機(jī)冷、溫、熱態(tài)的啟動(dòng)次數(shù)限制，以及升降負(fù)荷的速率限制。西門子DEH的熱應(yīng)力控制就是將汽機(jī)廠的這些要求和手段轉(zhuǎn)換成程序，測?。ɑ蚰M計(jì)算）受溫度劇烈變化影響的汽機(jī)主要厚重部件如高中壓主汽門閥體、高中壓缸體、高中壓轉(zhuǎn)子等部件的內(nèi)外壁溫，然后計(jì)算出可能的最大應(yīng)力（用溫差進(jìn)行表征）并與規(guī)定限值進(jìn)行比較，從而構(gòu)成汽機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)的一部分，并根據(jù)應(yīng)力決定汽機(jī)啟動(dòng)過程中的升速率以及變負(fù)荷時(shí)最大的允許負(fù)荷變動(dòng)率。此一般廠家都會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行特性，合理分配設(shè)備的西門子DEH39熱應(yīng)力評(píng)估TSE汽輪機(jī)熱應(yīng)力評(píng)估TSE的基本功能就是對(duì)汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子、高壓主汽門、調(diào)門閥體和高壓外缸缸體等厚重部件的溫差進(jìn)行監(jiān)視，防止由于蒸汽溫度與金屬溫度的不匹配導(dǎo)致金屬部件產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，影響部件的使用壽命。這里的溫差監(jiān)視實(shí)際上是所謂的溫度裕度（Margin）監(jiān)視。它是汽輪機(jī)部件的實(shí)際溫差和設(shè)計(jì)溫差的差值，溫度裕度越大，說明溫差越小，部件所受的熱應(yīng)力也越小。為了確保機(jī)組啟動(dòng)和變工況時(shí)，其熱應(yīng)力處于可控范圍，DEH根據(jù)溫度裕度的大小自動(dòng)設(shè)置升速率和最大允許的負(fù)荷變動(dòng)率。而且TSE出現(xiàn)故障時(shí)，DEH將不允許機(jī)組啟動(dòng)，并閉鎖汽輪機(jī)升速或變負(fù)荷。熱應(yīng)力與溫差的線性關(guān)系汽輪機(jī)的高、中壓轉(zhuǎn)子、高壓主汽門、調(diào)門閥體和高壓缸熱應(yīng)力評(píng)估TSE40體是汽輪機(jī)中最厚重的部件，因此只要控制了這五個(gè)部件的熱應(yīng)力，其它部件也就不存在熱應(yīng)力超標(biāo)問題。由于汽輪機(jī)上述部件都是規(guī)格和形狀復(fù)雜的部件，因此在計(jì)算他們的熱應(yīng)力前，需要先進(jìn)行簡化：在雙層缸汽機(jī)很薄的外缸中的熱流或汽機(jī)缸體法蘭中的熱流可類似為一個(gè)平板中的熱流；一個(gè)管子或一個(gè)很厚的汽機(jī)缸體，可看作一個(gè)中空的柱體；一個(gè)實(shí)心軸看作一個(gè)實(shí)心柱體；閥體在計(jì)算時(shí)假定為一個(gè)空的半球。經(jīng)過簡化的部件，就可以根據(jù)應(yīng)用熱應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算了。在彈性模量范圍內(nèi)，一個(gè)理想物體的熱應(yīng)力計(jì)算公式如下：體是汽輪機(jī)中最厚重的部件，因此只要控制了這五個(gè)部件的熱應(yīng)力，41從公式上可見，熱應(yīng)力與溫差存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此用溫差來表示熱應(yīng)力是可行的，也是合理的。從公式上可見，熱應(yīng)力與溫差存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，因42溫差裕度（Margin）的計(jì)算由于熱應(yīng)力與部件的溫差之間有線性關(guān)系，因此監(jiān)視熱應(yīng)力最方便的辦法就是監(jiān)視部件的溫差值。對(duì)于高壓主汽門閥體、高壓調(diào)門閥體和高壓缸外缸等靜止部件，測量部件溫差的方法比較簡便，只要在部件上打個(gè)孔，安裝兩只位置相鄰、但插入深度不同的熱電偶作為內(nèi)壁溫和平均壁溫的溫度測點(diǎn)，具體布置見圖1。插入100％深度處的溫度T1泛指直接接觸蒸汽并進(jìn)行熱交換的相應(yīng)閥體(缸體)溫度，插入50%深度處的溫度Tm泛指相應(yīng)閥體(缸體)的平均溫度。由于熱傳導(dǎo)的延遲，Tm的變化總會(huì)慢于T1的變化，從而存在溫差,這一溫差的大小,即表示應(yīng)力的大小.溫差裕度（Margin）的計(jì)算43圖1用于熱應(yīng)力控制的溫度測點(diǎn)的布置圖1用于熱應(yīng)力控制的44圖2高壓缸外缸表面溫度和平均溫度的變化曲線圖2高壓缸外缸表面溫度和平均溫度的變化曲線45目前實(shí)測高、中壓轉(zhuǎn)子的溫度是十分困難的，只能采用仿真計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)。首先，用高壓(中壓)內(nèi)缸的溫度來近似表示高壓(中壓)轉(zhuǎn)子表面的溫度Ta，計(jì)算轉(zhuǎn)子動(dòng)葉根部的溫度作為轉(zhuǎn)子平均溫度,也用Tm表示,另外再計(jì)算轉(zhuǎn)子中心的溫度Tax。轉(zhuǎn)子表面溫度Ta和轉(zhuǎn)子平均溫度Tm的差值就表示轉(zhuǎn)子應(yīng)力的大小。目前實(shí)測高、中壓轉(zhuǎn)子的溫度是十分困難的，只能采46圖3高壓轉(zhuǎn)子表面溫度、平均溫度和中心溫度的變化曲線圖3高壓轉(zhuǎn)子表面溫度、平均溫度和中心溫度的變化曲線47部件的熱應(yīng)力限制曲線材料的壽命取決于疲勞強(qiáng)度和疲勞周期。對(duì)汽輪機(jī)而言，強(qiáng)度較大的應(yīng)力交變主要發(fā)生在啟動(dòng)和停機(jī)階段，由于機(jī)組啟停的一次需要間隔較長的時(shí)間，因此它是低周疲勞。而機(jī)組每時(shí)每刻的都有可能的增、減負(fù)荷，若蒸汽溫度發(fā)生變化時(shí)，材料也將面臨交變壓力的影響。汽輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過統(tǒng)計(jì)汽輪機(jī)在基本負(fù)荷或最大負(fù)荷區(qū)間的計(jì)劃使用情況來確定預(yù)期應(yīng)力周期的數(shù)量，選用的材料必須能滿足這些疲勞周期數(shù)量。汽輪機(jī)廠將材料的允許應(yīng)力以溫差限制的方式做成曲線用于指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行。曲線的形式與基于假設(shè)周期數(shù)量的部件絕對(duì)溫度相關(guān)。在限制曲線的計(jì)算中，部件的設(shè)計(jì)特征（例如：它們的外形和槽口的影響）都必須考慮。圖4就是部件的溫差限制曲線。部件的熱應(yīng)力限制曲線材料的壽命取決于疲勞強(qiáng)度和疲勞周期。對(duì)48圖4部件的熱應(yīng)力（溫差）限制曲線圖4部件的熱應(yīng)力（溫差）限制曲線49溫度裕度、允許溫度裕度和剩余溫度裕度部件的熱應(yīng)力限制曲線是根據(jù)材料壽命確定的，一旦越限就有可能影響設(shè)備的正常壽命。為此，在機(jī)組正常運(yùn)行中，需要留出一定的安全裕量，這就是所謂的溫度裕度。溫度裕度是部件內(nèi)外壁的實(shí)際溫差和允許溫差的差值，裕度越大，說明溫差越小，部件所受的熱應(yīng)力也越小。溫度裕度的計(jì)算方法見圖5。對(duì)于每一個(gè)部件都有一個(gè)允許的溫度變化裕度，允許值和運(yùn)行人員選擇的機(jī)組啟動(dòng)模式有關(guān)，分為快速、正常和慢速啟動(dòng)三種?？焖賳?dòng)的允許溫度裕度最大，正常啟動(dòng)其次，慢速啟動(dòng)最小。這一允許值減去實(shí)際溫差值就是剩余溫度裕度，分剩余上升裕度和剩余下降裕度，其公式為：溫度裕度、允許溫度裕度和剩余溫度裕度部件的熱應(yīng)力限制曲線是根501000MW汽輪機(jī)的熱應(yīng)力控制解讀課件51圖5汽缸和轉(zhuǎn)子部件的溫差裕度（Margin）計(jì)算圖5汽缸和轉(zhuǎn)子部件的溫差裕度（Margin）計(jì)算52允許的溫度裕量總是正的，但實(shí)際的溫度差dT有正負(fù)。當(dāng)剩余溫度裕量為正時(shí)，表示最大允許的溫度差還沒有達(dá)到，機(jī)組還有上升(或下降)空間。但是當(dāng)剩余溫度裕量為負(fù)時(shí)，則表示允許的溫度差已經(jīng)超過了。這些部件的剩余裕量都以數(shù)字和棒狀圖的形式顯示在操作員畫面上，給運(yùn)行人員提供操作指導(dǎo)。溫度裕量會(huì)參與計(jì)算各種x準(zhǔn)則。另外，各部件剩余裕量中的最小值作為機(jī)組當(dāng)前有效的溫度裕量，并根據(jù)這個(gè)裕量來控制汽輪機(jī)升速或者升負(fù)荷的速度。允許的溫度裕量總是正的，但實(shí)際的溫度差dT有正負(fù)。當(dāng)剩余溫53圖6TSE溫度裕度畫面圖6TSE溫度裕度畫面54溫度裕度的作用前面已經(jīng)講過，只有汽輪機(jī)處于啟停或變負(fù)荷等不穩(wěn)定工況下，因蒸汽溫度的波動(dòng)才有可能引起部件的溫度變化，產(chǎn)生溫差。因此在這些階段，通過溫度裕度來決定或限制機(jī)組轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化速率，就能達(dá)到控制熱應(yīng)力的目的。1）升、降速率機(jī)組啟停期間是，是汽輪機(jī)部件加熱或冷卻最厲害的階段，此時(shí)金屬部件的熱應(yīng)力處于高強(qiáng)度狀態(tài)，因此在這個(gè)階段的熱應(yīng)力控制顯得尤為重要。所以SIEMENSDEH的ATC程控中，將根據(jù)高壓缸體和高、中壓轉(zhuǎn)子這三個(gè)部件中的最小溫度裕度值，來決定機(jī)組的升速率OFBN和降速率UFBN，且不允許運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定。以此達(dá)到熱應(yīng)力控制在最小，啟動(dòng)時(shí)間最短的目的。溫度裕度的作用55OFBN＝Min（WTO，30K）×600r/min/min÷30K其中WTO是應(yīng)力計(jì)算程序WTG來的上限溫度裕度同理：UFBN＝Max（WTU×－1，-30K）×600r/min/min÷30K其中WTU是應(yīng)力計(jì)算程序WTG來的下限溫度裕度因此，只要部件的溫度裕度大于30K，此時(shí)機(jī)組的啟動(dòng)將以最大的升速率600r/min/min來沖轉(zhuǎn)汽機(jī)，汽輪機(jī)將以不到5min的時(shí)間實(shí)現(xiàn)從暖機(jī)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速。若部件的溫度裕度小于30K，此時(shí)的升速率將受限制。如果溫度裕度很小，汽輪機(jī)將有可能無法快速過臨界，導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)失敗。因此在沖轉(zhuǎn)前，應(yīng)適當(dāng)提高溫度裕度。OFBN＝Min（WTO，30K）×600r/min/min56由于DEH可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用下帶負(fù)荷運(yùn)行，因此在該方式下的負(fù)荷變化速率只能通過機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)的OFBN和UFBN的計(jì)算方法同上面一樣，只是最大的允許升、降速率從±600r/min2變?yōu)镻SVG×δ÷PNOM。其中PSVG是DEH允許的最大變負(fù)荷率，MW/min；δ是轉(zhuǎn)速不等率，δ＝0.15r/(min·MW)；PNOM是機(jī)組額定出力，1000MW2）負(fù)荷變化率負(fù)荷變化率的計(jì)算方法同轉(zhuǎn)速變化率的方法基本相同。但實(shí)際中，還是以運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定為主，OFBP和UFBP只是用于限制。因此在這里不展開過大的敘述。由于DEH可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用下帶負(fù)荷運(yùn)行，因此在2）負(fù)荷變57溫度裕度的影響即TSEINFL子環(huán)可以在OM上投切，同時(shí)顯示相應(yīng)的信息。在正常情況，該子環(huán)必須投入，否則機(jī)組無法啟動(dòng)或負(fù)荷升降。而溫度裕度影響功能投入時(shí)，若應(yīng)力估算程序故障，發(fā)出WTST＝1信號(hào)，將自動(dòng)把TSEINFL子環(huán)切除，此時(shí)閉鎖（BLOCK）延時(shí)目標(biāo)轉(zhuǎn)速NSV或目標(biāo)負(fù)荷PSV的變化，只有等到故障信號(hào)消失，運(yùn)行人員在OM再次投入子環(huán)后，同時(shí)投入設(shè)定值復(fù)位子環(huán)，發(fā)出SWFQ命令后，使WTS復(fù)位，機(jī)組才能再?zèng)_轉(zhuǎn)或負(fù)荷變化。X準(zhǔn)則概述和啟動(dòng)階段熱應(yīng)力控制策略SIEMENSDEH的一個(gè)顯著特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)就是汽輪機(jī)的啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)必須由其提供的程控子組完成，系統(tǒng)未提供運(yùn)行人員手動(dòng)操作的界面。為了實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)的ATC，DEH需溫度裕度的影響即TSEINFL子環(huán)可以在OM上投切，同X準(zhǔn)58要對(duì)啟動(dòng)過程中的很多設(shè)備、系統(tǒng)以及汽輪機(jī)相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和確認(rèn)。X準(zhǔn)則就是其中一個(gè)重要的條件，其實(shí)質(zhì)是變溫度準(zhǔn)則，就是根據(jù)金屬部件不同的溫度，確定不同的蒸汽溫度，并使之與汽輪機(jī)金屬部件溫度匹配，溫差控制在TSE差值內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)在啟動(dòng)過程中的熱應(yīng)力控制，并使啟動(dòng)時(shí)間最小，最佳。目前使用的X準(zhǔn)則有六個(gè)，分別是X2、X4、X5、X6、X7A/B和X8。根據(jù)X準(zhǔn)則在汽輪機(jī)自啟動(dòng)程控中的步驟，可劃分為：順控第13步：X2準(zhǔn)則，打開主蒸汽管道上的主汽門并對(duì)閥體預(yù)熱的條件；順控第20步：X4、X5、X6，汽機(jī)沖轉(zhuǎn)，開調(diào)門的條件；要對(duì)啟動(dòng)過程中的很多設(shè)備、系統(tǒng)以及汽輪機(jī)相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)59順控第23步：X7A、X7B，汽輪機(jī)中速暖機(jī)結(jié)束，升速到額定轉(zhuǎn)速的條件順控第第29步：X8，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷的條件根據(jù)功能劃分：最低蒸汽溫度的限定，避免熱部件不必要的冷卻：X5、X6蒸汽與金屬部件的溫差，限制熱應(yīng)力：X7A、X7B、X8、X2在汽輪機(jī)用蒸汽沖轉(zhuǎn)之前過熱度的限定：X4順控第23步：X7A、X7B，汽輪機(jī)中速暖機(jī)結(jié)束，升速到額定60西門子DEH自動(dòng)化程度較高，通過執(zhí)行汽輪機(jī)主順控來自動(dòng)完成整個(gè)啟動(dòng)過程，從汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、升速到360r/min、低速暖機(jī)、升速到額定轉(zhuǎn)速3000r/min、高速暖機(jī)一直到并網(wǎng)帶負(fù)荷。在各個(gè)階段，主順控會(huì)通過x準(zhǔn)則的判斷來確定熱應(yīng)力是否符合要求，以決定是否可以進(jìn)行下一步，或繼續(xù)在本步等待，直到條件滿足，其邏輯示意圖如圖7所示。這些判斷由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不需運(yùn)行人員干預(yù)，否則反而會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力超限。另外，在主順控中還會(huì)自動(dòng)投入高壓級(jí)壓力控制，以減少啟動(dòng)初期高壓缸部分的熱應(yīng)力。西門子DEH自動(dòng)化程度較高，通過執(zhí)行汽輪機(jī)主順控來自動(dòng)完成整61圖7汽輪機(jī)主順控及準(zhǔn)則判斷示意圖圖7汽輪機(jī)主順控及準(zhǔn)則62X2準(zhǔn)則用途：用來確定開高壓主汽門進(jìn)行暖高壓閥門腔室前的主汽壓力值。說明：在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)高壓調(diào)門的閥體溫度低于主蒸汽的飽和溫度。在打開主汽門后，蒸汽與調(diào)門接觸，以凝結(jié)換熱的方式向調(diào)門閥體傳遞熱量。由于凝結(jié)換熱的放熱系數(shù)很大，劇烈的換熱將使閥體的溫度很快上升到蒸汽的飽和溫度。如果閥體內(nèi)部溫度過低，就會(huì)在閥體內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。所以要使主蒸汽的飽和溫度低于高調(diào)閥閥體內(nèi)部溫度加某一值，則需滿足X2準(zhǔn)則。使用時(shí)機(jī)： 開高、中壓主汽門前，順控第13步。X2準(zhǔn)則63X4準(zhǔn)則用途：用來確定汽機(jī)沖轉(zhuǎn)前的主汽溫度值。說明：該準(zhǔn)則用來避免濕蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，確保主汽溫度高于主汽飽和溫度某一值，即主汽要