負(fù)溫度匹配在熱態(tài)中壓缸啟動(dòng)中的應(yīng)用分析

朱慧強(qiáng)，朱慶玉，冷伯炟，梁明文，冷 杰

（1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

負(fù)溫度匹配在熱態(tài)中壓缸啟動(dòng)中的應(yīng)用分析

朱慧強(qiáng)1，朱慶玉2，冷伯炟3，梁明文4，冷 杰4

（1.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；4.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

以某350 MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱固耦合分析。計(jì)算在熱態(tài)中壓缸啟動(dòng)過(guò)程中采用負(fù)溫度匹配時(shí)高中壓轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變化和壽命損耗情況。結(jié)果表明：熱態(tài)中壓缸啟動(dòng)過(guò)程中采用小幅負(fù)溫度匹配安全可行，對(duì)轉(zhuǎn)子壽命影響微小，還可以顯著縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高汽輪機(jī)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

負(fù)溫度匹配；熱態(tài)中壓缸啟動(dòng)；熱固耦合

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用電結(jié)構(gòu)改變，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差矛盾日益突出，因此要求更多的大容量火電機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行［1］。相比于高中壓聯(lián)合啟動(dòng)方式，中壓缸啟動(dòng)具有啟動(dòng)時(shí)間短、轉(zhuǎn)子受熱均勻、壽命損耗小、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，多用于汽輪機(jī)調(diào)峰運(yùn)行［2－3］。

汽輪機(jī)調(diào)峰過(guò)程中轉(zhuǎn)子整體溫度水平較高，若滿足正溫度匹配，必須長(zhǎng)時(shí)間等待蒸汽溫度上升，這將延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，降低調(diào)峰靈活性，損失大量燃料。

汽輪機(jī)總是要經(jīng)歷啟動(dòng)、停機(jī)以及負(fù)荷升降，只要進(jìn)行停機(jī)或降負(fù)荷過(guò)程，蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度，轉(zhuǎn)子表面就會(huì)因被冷卻而產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是汽輪機(jī)運(yùn)行特性所決定的。另外，從金屬材料的力學(xué)屬性角度分析，金屬材料的抗拉能力與抗壓能力基本相同，并沒(méi)有要求只能承受壓應(yīng)力而不能承受拉應(yīng)力，所以啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生拉應(yīng)力無(wú)需嚴(yán)格限制［4］。因此在中壓缸啟動(dòng)中采用小幅負(fù)溫度匹配，可避免出現(xiàn)正溫度匹配的缺陷，同時(shí)發(fā)揮中壓缸啟動(dòng)自身優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

1 轉(zhuǎn)子熱固耦合分析

1.1 轉(zhuǎn)子建模

以某電廠350 MW汽輪機(jī)高中壓缸無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，該汽輪機(jī)為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)。額定主汽壓力為16.67 MPa，額定主汽溫度為538℃，額定再熱汽壓為3.55 MPa，額定再熱汽溫為538℃，共8級(jí)回?zé)岢槠?，高壓缸葉片共15級(jí)（包括1級(jí)單列調(diào)節(jié)級(jí)），中壓缸葉片共8級(jí)。轉(zhuǎn)子二維軸對(duì)稱模型以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的加工圖為依據(jù)，見(jiàn)圖1。葉片部分按等離心力原則簡(jiǎn)化為連續(xù)的輪盤體［5］。軸封、汽封等部位由于尺寸微小，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響有限，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化為直線，在施加載荷等計(jì)算中仍按軸封、汽封進(jìn)行分析，其結(jié)果滿足計(jì)算精度要求。

圖1 轉(zhuǎn)子二維軸對(duì)稱模型

在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，對(duì)由中壓缸前兩級(jí)開(kāi)始到高壓缸前兩級(jí)為止的轉(zhuǎn)子外邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高重點(diǎn)監(jiān)視部位的計(jì)算精度。高中壓轉(zhuǎn)子二維軸對(duì)稱模型共劃分17 418個(gè)單元，54 791個(gè)節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子模型網(wǎng)格劃分局部示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子模型網(wǎng)格劃分局部示意圖

1.2 邊界條件

1.2.1 運(yùn)行參數(shù)

選取中壓缸汽輪機(jī)參與調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的停機(jī)、冷卻、啟動(dòng)過(guò)程狀態(tài)參數(shù)，作為計(jì)算轉(zhuǎn)子表面各部位蒸汽參數(shù)的依據(jù)，其中停機(jī)和冷卻過(guò)程狀態(tài)參數(shù)主要用于確定轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前初始溫度分布。在轉(zhuǎn)子冷卻8 h后，調(diào)節(jié)級(jí)后轉(zhuǎn)子表面金屬溫度約為407℃，中壓缸第1級(jí)級(jí)后轉(zhuǎn)子表面金屬溫度為409℃，在此條件下啟動(dòng)為熱態(tài)啟動(dòng)［6］。

1.2.2 蒸汽參數(shù)

蒸汽與轉(zhuǎn)子的對(duì)流換熱系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)分為光軸、軸封汽封、葉輪兩側(cè)、葉輪頂4種，轉(zhuǎn)子各部位蒸汽溫度、壓力等參數(shù)可由變工況計(jì)算獲得。

1.2.3 其他邊界條件

在轉(zhuǎn)子模型中心軸線處，假定無(wú)熱量傳遞，即中心軸線視為絕熱；轉(zhuǎn)子模型左右兩端面熱流量很小，也可視作絕熱邊界；在轉(zhuǎn)子兩端軸頸部位，與軸承對(duì)應(yīng)部位可視作與溫度為80℃的潤(rùn)滑油進(jìn)行換熱，其他缸外部分可視作與溫度為80℃的空氣進(jìn)行換熱。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)分析

在ANSYS軟件中，將轉(zhuǎn)子表面介質(zhì)溫度和對(duì)流換熱系數(shù)等載荷施加在轉(zhuǎn)子模型上進(jìn)行計(jì)算，可獲得不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)分布，見(jiàn)圖3。

圖3 不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)

由于中壓缸啟動(dòng)過(guò)程中中壓缸先進(jìn)汽沖轉(zhuǎn)，高壓缸處于隔離狀態(tài)，達(dá)到一定負(fù)荷或轉(zhuǎn)速后進(jìn)行切缸，高壓缸進(jìn)汽恢復(fù)高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)繼續(xù)升負(fù)荷［7］。中壓第1級(jí)葉根處和高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)葉根處分別為蒸汽進(jìn)入中壓缸和高壓缸后最先接觸轉(zhuǎn)子主軸的部位，由實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，這2個(gè)部位也是運(yùn)行過(guò)程中的主要監(jiān)視部位。下面分析不同負(fù)溫度匹配時(shí)這2個(gè)部位的溫度變化過(guò)程，由于目前對(duì)負(fù)溫度匹配研究相對(duì)較少，為保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，匹配溫差先控制在較小的范圍內(nèi)，本文選?。?0～0℃，擴(kuò)大負(fù)溫度匹配范圍需等到小幅負(fù)溫度匹配深入研究和推廣之后可進(jìn)一步嘗試。不同匹配溫度監(jiān)視部位金屬溫度變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)采用負(fù)溫度匹配時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子會(huì)經(jīng)歷一次冷卻過(guò)程，負(fù)溫度匹配程度越大，轉(zhuǎn)子表面溫降越劇烈。隨后蒸汽溫度逐漸上升，轉(zhuǎn)子再次被加熱升溫直至穩(wěn)定。為分析冷卻過(guò)程作用范圍，以匹配溫度－40℃為例分析轉(zhuǎn)子由表面向中心不同深度時(shí)溫度的變化情況見(jiàn)圖5，冷卻過(guò)程作用時(shí)間較短，作用范圍主要在表面附近，對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度影響微小。

2.2 轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)分析

轉(zhuǎn)子的應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的離心力組成。在高壓缸調(diào)節(jié)級(jí)葉根處和中壓第1級(jí)葉根處會(huì)出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。不同匹配溫度監(jiān)視部位等效應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖6。

圖4 不同匹配溫度監(jiān)視部位金屬溫度變化曲線

圖5 調(diào)節(jié)級(jí)葉根處不同深度溫度變化曲線

由圖6可見(jiàn)，從中壓缸進(jìn)汽開(kāi)始，由于蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子金屬溫度，轉(zhuǎn)子被冷卻產(chǎn)生拉應(yīng)力，高壓缸在切缸前短時(shí)間被隔離，期間高壓缸內(nèi)不進(jìn)汽，所以初期調(diào)節(jié)級(jí)應(yīng)力變化微小，切缸后轉(zhuǎn)子同樣被冷卻。沖擊應(yīng)力逐漸上升達(dá)到最大值后，由于蒸汽溫度逐漸上升，轉(zhuǎn)子被加熱，拉應(yīng)力減小最終轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。匹配溫差越大，冷沖擊應(yīng)力就越大，負(fù)溫度匹配還使啟動(dòng)過(guò)程最大應(yīng)力有小幅度上升，具體應(yīng)力見(jiàn)表1。根據(jù)文獻(xiàn)［8］提供的公式計(jì)算啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)子壽命損耗，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖6 不同匹配溫度監(jiān)視部位等效應(yīng)力變化曲線

表1 不同匹配溫度下沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力

表2 不同匹配溫度下啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)子壽命損耗

轉(zhuǎn)子材料的屈服極限在400℃時(shí)為537 MPa，500℃時(shí)為492 MPa，許用應(yīng)力取0.65倍的屈服極限，在400～500℃最小值為319.8 MPa，表1中可見(jiàn)沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力都未超過(guò)此數(shù)值。所以，一定程度進(jìn)行負(fù)溫度匹配啟動(dòng)造成的沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力增加不會(huì)影響安全性。由表2數(shù)據(jù)可以看出，沖擊應(yīng)力引起的壽命損耗基本不變，最大應(yīng)力變化對(duì)壽命的影響也不大［9］。

3 啟動(dòng)時(shí)間分配優(yōu)化

由于采用負(fù)溫度匹配中壓缸啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)可以提前進(jìn)汽，可節(jié)約啟動(dòng)時(shí)間，以1℃／min的沖轉(zhuǎn)溫升率計(jì)算，相對(duì)于通常要求的50℃正溫度匹配，溫度0匹配可節(jié)約啟動(dòng)時(shí)間50 min，若與溫度0匹配比較，負(fù)匹配溫差每增大1℃，可以節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間1 min，若將這些時(shí)間用于延長(zhǎng)升負(fù)荷過(guò)程，可以一定程度降低啟動(dòng)過(guò)程中最大應(yīng)力的峰值。以匹配程度最大的－40℃啟動(dòng)過(guò)程為例，相對(duì)于溫度0匹配，其提前進(jìn)汽節(jié)約時(shí)間最長(zhǎng)為40 min，圖7為將10 min、20 min、30 min、40 min分別用于延長(zhǎng)升負(fù)荷過(guò)程時(shí)監(jiān)視部位等效應(yīng)力的變化曲線?？梢钥闯?，負(fù)溫度匹配啟動(dòng)節(jié)省的時(shí)間用于延長(zhǎng)升負(fù)荷時(shí)間，可減小啟動(dòng)過(guò)程最大應(yīng)力峰值，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子壽命。

圖7 不同延長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)級(jí)葉根處等效應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

a.機(jī)組參與調(diào)峰時(shí)，熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中溫度正匹配存在難以實(shí)現(xiàn)、等待溫升時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰靈活性差等缺陷，由此建議采用小幅負(fù)溫度匹配中壓缸啟動(dòng)方式。

b.由負(fù)溫度匹配中壓缸啟動(dòng)熱固耦合分析結(jié)果可知，啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子冷沖擊應(yīng)力以及最大熱應(yīng)力的微增基本不會(huì)影響轉(zhuǎn)子壽命，還可以減少啟動(dòng)時(shí)間，相對(duì)于50℃正溫度匹配，小幅負(fù)溫度匹配甚至可以節(jié)省超過(guò)1 h的啟動(dòng)時(shí)間，提高機(jī)組調(diào)峰靈活性。

c.將部分負(fù)溫度匹配啟動(dòng)節(jié)省的時(shí)間用于延長(zhǎng)升負(fù)荷過(guò)程，既可以減小最大應(yīng)力值，降低轉(zhuǎn)子壽命損耗，又能使機(jī)組可以根據(jù)啟動(dòng)實(shí)際情況合理分配啟動(dòng)時(shí)間，提高調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性。

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Application Analysis on the Negative Temperature Match in Hot Intermediate Pressure Cylinder Start?up

ZHU Hui?qiang1，ZHU Qing?yu2，LENG Bo?da3，LIANG Ming?wen4，LENG Jie4
（1.School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China；2.Huaneng Xinjiang Fukang Thermoelectrical Co.，Ltd.，Changji，Xinjiang 831500，China；3.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；4.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper takes a given 350 MW turbine HP?IP rotor as the research object，thermal structure interaction of rotor is ana?lyzed by using ANSYS finite element analysis program.Computing stress change and life loss of HP?IP rotor are adopted by using nega?tive temperature match during hot intermediate pressure cylinder start?up.The results show that it's safe and feasible using negative tem?perature match，little effect on the rotor life，it's also reduce the start?up time significantly and improve flexibility of turbine peaking.

Negative temperature match；Hot intermediate pressure cylinder start?up；Thermal structure interaction

TK267

A

1004－7913（2016）07－0056－04

朱慧強(qiáng)（1990—），男，碩士在讀，主要從事大型火電機(jī)組調(diào)峰研究。

2016－03－27）