抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命預估方法研究

高冠群，郭　磊，張　鑫

(1.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊　050300;2.南昌工程學院，江西 南昌　330099)

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抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命預估方法研究

高冠群1，郭磊2，張鑫1

(1.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊050300;2.南昌工程學院，江西 南昌330099)

摘要：影響抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的主要因素包括平均應力、應力集中、尺寸因數(shù)、表面狀態(tài)等.以張河灣抽水蓄能電站機組等為例，用MSC Fatigue專業(yè)疲勞計算軟件進行實例分析，并依據(jù)疲勞計算得出的疲勞損傷數(shù)據(jù)和日常運行參數(shù)，對該蓄能電站機組轉(zhuǎn)輪年度運行壽命折損進行分析，得出制造、運行、檢修等方面的結(jié)論.

關(guān)鍵詞：抽水蓄能機組；轉(zhuǎn)輪；疲勞壽命；運行折損

截止2015年底全國在運的大型抽水蓄能機組已逾百臺，而且電網(wǎng)公司在中短期規(guī)劃中還將陸續(xù)開工20個抽水蓄能項目，總裝機容量約2 655萬kW.抽水蓄能技術(shù)由于潔凈環(huán)保、運行靈活、反應快速，在系統(tǒng)中具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故黑啟動等功能，被越來越引起重視[1]，并且隨著我國社會對環(huán)保意識的喚起和對新能源開發(fā)利用的深入，大型抽水蓄能電站的建設在我國中遠期水電開發(fā)規(guī)劃中還將占據(jù)很大比重.所以掌握蓄能機組關(guān)鍵部件壽命折損顯得尤為重要.

可逆式水泵水輪機是抽水蓄能機組的重要機械設備，轉(zhuǎn)輪是其核心部件.由于蓄能機組較之常規(guī)水電機組工況轉(zhuǎn)換頻繁、水頭高、過渡工況更復雜[2]，勢必會對轉(zhuǎn)輪帶來更大的疲勞損傷.為提高機組的健康水平，因此研究和掌握抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪的疲勞失效規(guī)律，用于指導在運電站制定優(yōu)化的運行方案、合理的維護保養(yǎng)周期，有針對性的轉(zhuǎn)輪檢修項目已是投運抽水蓄能電站亟待研究的課題.本文主要分析總結(jié)了基MSC Fatigue疲勞分析軟件的蓄能機組轉(zhuǎn)輪疲勞壽命預估方法以及結(jié)合機組運行實際數(shù)據(jù)的后續(xù)分析方法.

1影響轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的客觀因素[3-6]

1.1平均應力的影響

由于應力壽命曲線都是根據(jù)材料在等幅對稱循環(huán)載荷下的試驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出的，所以在應用時需要考慮平均應力的影響，選擇Goodman經(jīng)驗公式.

式中，Sa—應力幅值；Se—為等效應力幅值；Sm—平均應力；Su—材料強度極限.

1.2應力集中影響

應力集中對疲勞強度的影響極大，并且是各種影響因素中起主要作用的因素，它大大降低了零構(gòu)件的疲勞強度.應力集中降低疲勞強度的作用可以用疲勞缺口系數(shù)來表征.疲勞缺口系數(shù)Kf為光滑試樣的疲勞極限與凈截面尺寸及加工方法相同的缺口試樣疲勞極限之比，Kf一般取值在1.5～3之間.

1.3尺寸影響

試樣和零件的尺寸對其疲勞強度影響也很大.一般說來，零件和試樣的尺寸增大時疲勞強度降低.這種疲勞強度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象稱為疲勞的尺寸影響，亦稱為尺寸效應.尺寸效應的大小用尺寸系數(shù)CSIZE來表征.定義為：當應力集中和終加工方法相同時，試樣或零件的疲勞極限與幾何相似的標準尺寸試樣的疲勞極限之比，尺寸系數(shù)的值一般在0.5～1之間.

1.4表面狀態(tài)的影響

疲勞裂紋源通常萌生于試件表面，這是因為外表面的應力水平往往最高，外表面的缺陷往往也最多，另外，表面層材料的約束小，裂紋容易萌生.因此零部件的表面狀況對其疲勞強度有著顯著的影響，其影響程度用表面敏感系數(shù)CSUR來表示.

通常，材料的疲勞強度或疲勞壽命是由標準光滑試件得到的，在用此數(shù)據(jù)估算零部件的疲勞強度或疲勞壽命時，需要做表面敏感系數(shù)的修正.因為絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)或機械的疲勞關(guān)鍵部位往往就是應力集中部位，進行表面敏感系數(shù)的修正時要注意表面狀況的對應.機械加工的零部件其表面敏感系數(shù)在0.9～1之間，通常取值0.9.

1.5綜合影響參數(shù)K

由于應力集中、尺寸因數(shù)、表面狀態(tài)對疲勞強度的影響都是以比例形式表示，所以，

規(guī)定綜合參數(shù)K，整體表示集中影響因素：

綜合前述各個參數(shù)的取值范圍，從工程經(jīng)驗分析K的合理取值范圍為1.5～6.7之間.

2張河灣抽水蓄能電站機組轉(zhuǎn)輪疲勞壽命預估方法

2.1蓄能機組轉(zhuǎn)輪在穩(wěn)定運行期間的疲勞壽命預估

使用MSC Fatigue專業(yè)疲勞計算軟件進行疲勞壽命預估，需要先對轉(zhuǎn)輪做靜力學分析，從中得到危險點位置和應力特點，得到不同工況下的動應力均值和動應力雙幅值.再將不同工況下的應力計算結(jié)果導入MSC Fatigue專業(yè)疲勞計算軟件中進行計算分析.本文疲勞壽命預估所需要的某大型抽水蓄能機組動應力譜直接引用廠內(nèi)試驗所得數(shù)據(jù)(見表1).

表1　某蓄能電站機組不同工況下的動應力均值和動應力雙幅值表

將表1水輪機工況4下的應力計算結(jié)果導入MSC Fatigue專業(yè)疲勞計算軟件中，根據(jù)工程計算經(jīng)驗取K值為2，進行疲勞計算.轉(zhuǎn)輪材料的強度極限為780 MPa，疲勞極限為210 MPa.計算[7-8]得到該蓄能機組在工況4下轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命分布云圖(見圖1).

圖1　該蓄能機組在水輪機工況4下轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命分布云圖

由圖1可知，轉(zhuǎn)輪的初始裂紋位于葉片進水邊與上冠交接處，其對數(shù)壽命LL為6.42(圖中紅色區(qū)域為應力集中的易損區(qū)域)，由于疲勞計算中載荷譜選定5個轉(zhuǎn)輪周期，將各參數(shù)引入轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運行疲勞公式，于是轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命為：

FL=5T×10LL=5×0.18×106.42(s)=657.6h即該臺蓄能機組在出力75 MW穩(wěn)定運行657.6 h后，在轉(zhuǎn)輪的葉片進水邊與上冠交接處會發(fā)生疲勞裂紋.

同理可以軟件疲勞計算得到該大型抽水蓄能機組其他工況的疲勞壽命(見表2).

表2　該蓄能機組在穩(wěn)定運行工況下轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命計算結(jié)果

2.2機組轉(zhuǎn)輪在過渡工況期間的疲勞壽命預估

用同樣的方法，將水輪機開機過渡工況應力和應力幅值計算結(jié)果導入MSC Fatigue專業(yè)疲勞計算軟件中，根據(jù)工程計算經(jīng)驗取K值為2，進行疲勞計算.轉(zhuǎn)輪材料的強度極限為780 MPa，疲勞極限為210 MPa.計算得到該蓄能機組在水輪機開機過渡工況下轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命分布云圖(見圖2).

由于開、關(guān)機過程的計算以每次開、關(guān)機的應力譜作為時間歷程，從水輪機開機過程轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命云圖得出轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命LL為4.32(圖中紅色區(qū)域為應力集中的易損區(qū)域)，于是：

FL=10LL=104.32(次)=20 893(次)

即該臺蓄能機組在水輪機開機20 893次就會產(chǎn)生疲勞裂紋.

其他過渡工況過程中轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命計算方法和使用的分析軟件與水輪機開機工況一樣，在這里就不累述，計算結(jié)果(見表3).

圖2　該蓄能機組水輪機開機過程轉(zhuǎn)輪的對數(shù)疲勞壽命云圖

工況轉(zhuǎn)輪疲勞壽命/次發(fā)電工況開機20893發(fā)電工況停機30903抽水工況開機4266抽水工況停機4266

3張河灣抽水蓄能電站機組轉(zhuǎn)輪年度運行壽命折損分析

3.1折損分析所需支持數(shù)據(jù)

壽命折損分析的基礎(chǔ)參數(shù)是：(1)機組某一個時段的運行總次數(shù)、運行總時長；(2)該臺機組的暫態(tài)工況、各個穩(wěn)態(tài)運行工況的疲勞壽命計算結(jié)果.本次分析基于華北網(wǎng)管轄某大型抽水蓄能電站2014年全年機組運行相關(guān)參數(shù).

3.2重點工況遴選

表2發(fā)電工況的9個工況中，工況4、工況5、工況6，因為轉(zhuǎn)輪疲勞壽命太低，為了保護機組轉(zhuǎn)輪，提高機組整體壽命，該蓄能電站發(fā)電最低工況設置為75 MW,且要求調(diào)度負荷單機不小于150 MW，既不允許機組發(fā)電工況處于工況4、5、6下運行.

其余六個工況是運行允許工況，為：工況1、工況2、工況3、工況7、工況8、工況9.統(tǒng)計顯示工況2、工況3、工況7,為及其常用工況，占比達到網(wǎng)調(diào)、省調(diào)調(diào)度情況的97%以上.

所以分析機組年度疲勞損傷我們只考慮主要和重要因素，將機組發(fā)電運行小時數(shù)平均分配在工況2、工況3、工況7下進行計算，以此來確定1年內(nèi)機組的疲勞壽命損傷.

3.32014年度機組運行壽命計算

啟動次數(shù)：為原始參數(shù)；

累計運行小時數(shù)：為原始參數(shù)；

機組啟停一次損傷比重計算方法：(1/啟動時轉(zhuǎn)輪疲勞壽命)+(1/停機時轉(zhuǎn)輪疲勞壽命)；

運行一小時損傷比重計算方法：累計運行小時數(shù)×3/Σ(重點工況轉(zhuǎn)輪疲勞壽命)

累計損傷比重計算方法：發(fā)電年度啟停損傷比重+抽水年度啟停損傷比重+發(fā)電年運行損傷比重+抽水年運行損傷比重

具體計算分析統(tǒng)計(見表4).

表4　該抽水蓄能電站2014年度機組轉(zhuǎn)輪疲勞壽命損傷統(tǒng)計表

4結(jié)論

(1)由圖1，圖2可見，對于抽水蓄能機組來說，無論是穩(wěn)定運行還是過渡工況，產(chǎn)生應力最大的區(qū)域存在于葉片進水邊與上冠交接處，所以轉(zhuǎn)輪的初始疲勞裂紋也是會在此部位最先出現(xiàn)，所以在制造期間，需重點加強此部位的結(jié)構(gòu)強度和抗疲勞強度；在日常檢查、維護、檢修時要著重檢查此部位.

(2)分析表2數(shù)據(jù)，可知該蓄能電站機組在水輪機穩(wěn)態(tài)工況，出力小于150 MW時，轉(zhuǎn)輪疲勞壽命小時數(shù)偏小，為提高機組轉(zhuǎn)輪疲勞壽命，該電站宜保證機組出力大于150 MW運行.

(3)分析表2數(shù)據(jù)，可知蓄能機組抽水工況造成的疲勞損傷大于發(fā)電工況的疲勞損傷，開停機過渡工況造成的疲勞損傷大于穩(wěn)定運行造成的疲勞損傷，抽水方向過渡工況造成的疲勞損傷大于開機方向過渡工況造成的疲勞損傷.上述參數(shù)分析后得出的結(jié)論完全符合實際運行情況和運維人員的直觀感覺.研究成果可以進一步指導日常機組運行，即：①避免短時的啟停運行；②抽水工況啟動后盡量長時間運行保證上庫蓄水量，減少啟動次數(shù).

(4)分析表3數(shù)據(jù)，可知目前影響轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的關(guān)鍵因素，是機組啟停的過渡工況.但是蓄能機組的功能與定位要求其必須頻繁處于過渡工況，所以，如果以后該大型抽水蓄能電站機組啟停次數(shù)還是保持2014年的強度，那么6～7年后就要在機組大修過程中重點檢修機組轉(zhuǎn)輪了，而轉(zhuǎn)輪的大修周期應該定在8年左右為宜.

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Prediction of Fatigue Life for Pumped Storage Unit Runner

GAO Guan-qun1, GUO Lei2, ZHANG Xin1

(1.Hebei Zhanghewan Pumped Storage Power Generation Co. Ltd., Shijiazhuang 050300, China;2.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China)

Abstract:Main influential factors on fatigue life of pumped storage power unit runner are stated in this paper, such as mean stress, stress concentration, sizes and surface situations and so on, and the use of MSC professional fatigue calculation software is also described, taking the units in Zhanghewan Pumped Storage Power Station for example. Based on the fatigue damage data and daily operation parameters obtained by the fatigue calculation, the annual operating life loss of the turbine runner units in pumped storage power station is analyzed in detail, and the conclusion is drawn out which has guiding significance to manufacturing, operation and maintenance.

Key words:pumped storage power unit; runner; fatigue life; operating break

收稿日期：2015-10-10

作者簡介：高冠群(1979-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，從事蓄能電站生產(chǎn)管理工作.

中圖分類號：TV734

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)04-0017-05