引入鄰爐蒸汽調(diào)峰機(jī)組參數(shù)匹配的研究

楊磊磊

(大唐(北京)能源管理有限公司，北京 100097)

0 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)峰谷差的日益增大，越來(lái)越多的高參數(shù)、大容量火電機(jī)組正在或即將參與調(diào)峰。由于機(jī)組保溫效果較好，汽缸溫度較高，停機(jī)后機(jī)組熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)的機(jī)會(huì)將大大增加。為降低啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子可能出現(xiàn)多次應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)情況所帶來(lái)的危險(xiǎn)，一般要求汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，第一級(jí)蒸汽溫度需高于滿足熱態(tài)啟動(dòng)的汽缸溫度[1-3]。由于這種情況要求主蒸汽參數(shù)較高，對(duì)于常見(jiàn)的單元制機(jī)組，將會(huì)大大延長(zhǎng)等待汽溫上升時(shí)間，從而極大延緩了機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)間。

基于此，本文提出了一種新型的啟動(dòng)調(diào)峰方式，即引入鄰爐蒸汽來(lái)快速完成機(jī)組的啟動(dòng)，該方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)爐同時(shí)啟動(dòng)，汽輪機(jī)按熱態(tài)或極熱態(tài)沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)帶初負(fù)荷(<10%)，同時(shí)啟動(dòng)本爐并用旁路系統(tǒng)進(jìn)行暖爐暖管。當(dāng)鍋爐出口蒸汽參數(shù)與鄰爐蒸汽參數(shù)匹配時(shí)進(jìn)行汽源切換，直至本爐接帶負(fù)荷，有效避免新蒸汽參數(shù)低、汽溫等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，故可極大縮短整個(gè)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間。

文中主要工作是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證該種調(diào)峰方式的可行性，利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建模，完成轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算。以汽輪機(jī)啟停過(guò)程中轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化情況為基礎(chǔ)進(jìn)行安全性評(píng)估分析，對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，得到不同溫度匹配情況下轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力及其壽命損耗，綜合考慮找出最佳進(jìn)汽參數(shù)，從而確定引入鄰爐蒸汽的抽汽點(diǎn)位置。從而達(dá)到快速啟動(dòng)機(jī)組，提高火電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力的目的。

1 研究模型

1.1 機(jī)組改造系統(tǒng)圖

機(jī)組改造系統(tǒng)圖如圖1所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)和鍋爐的各自獨(dú)立啟動(dòng)，能有效避免新蒸汽參數(shù)低、汽溫等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，故可極大縮短整個(gè)機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間。

圖1 改造系統(tǒng)圖

1.2 轉(zhuǎn)子有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及其表面邊界條件的多變性，導(dǎo)致其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算較為復(fù)雜。因此，在不影響計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立有限元模型時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行如下假設(shè)[4]：

(a)將轉(zhuǎn)子視為無(wú)限長(zhǎng)、軸對(duì)稱圓筒體問(wèn)題來(lái)進(jìn)行計(jì)算；

(b)假設(shè)轉(zhuǎn)子的初始溫度均勻，且與蒸汽的溫度相等；

(c)轉(zhuǎn)子流場(chǎng)分布在周向基本一致，其邊界條件表面的放熱系數(shù)可以看作是軸對(duì)稱的。

本文研究的是國(guó)外西屋機(jī)組，型號(hào)為N350-16.7/538/538。高中壓轉(zhuǎn)子是合金鋼整鍛式無(wú)中心孔鼓式轉(zhuǎn)子，由一級(jí)沖動(dòng)式單列調(diào)節(jié)級(jí)和14級(jí)反動(dòng)壓力級(jí)組成，轉(zhuǎn)子材料為30Cr1Mo1V耐熱合金鋼。為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取調(diào)節(jié)級(jí)、高壓第一級(jí)及中壓前兩級(jí)建立模型，并采用等效離心力質(zhì)量塊代替葉片的方法對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行簡(jiǎn)化(如圖2)[5-6]。機(jī)組啟停過(guò)程中，設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)A(調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后葉輪根部)、B(中壓彈性槽)和C(中壓第一級(jí)級(jí)前葉輪根部)。監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)最大應(yīng)力部位的應(yīng)力值，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化啟動(dòng)的目的。

圖2 轉(zhuǎn)子二維有限元模型

2 邊界條件和研究方法

2.1 熱邊界條件

根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與蒸汽熱量傳遞特點(diǎn)，將轉(zhuǎn)子左右的截?cái)嗝孀鹘^熱處理，由于該轉(zhuǎn)子無(wú)中心孔，所以其中心邊界同樣認(rèn)為是絕熱的，并將轉(zhuǎn)子外表面作為已知換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度的第三類邊界條件處理[7]。

2.2 換熱系數(shù)的確定

由于換熱系數(shù)與蒸汽的物性參數(shù)和轉(zhuǎn)子的幾何尺寸有關(guān)，因此，應(yīng)首先計(jì)算出各級(jí)蒸汽的溫度和壓力，再利用“低負(fù)荷采用比例法，高負(fù)荷采用變工況”的方法[8]確定出轉(zhuǎn)子各級(jí)特征面的蒸汽參數(shù)，然后利用前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式確定轉(zhuǎn)子各個(gè)位置的換熱系數(shù)。最終得出不同轉(zhuǎn)子部位的換熱系數(shù)和蒸汽熱力參數(shù)隨時(shí)間和空間變化的函數(shù)，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行仿真模擬啟動(dòng)過(guò)程。

2.3 計(jì)算方法

采用熱-結(jié)構(gòu)間接耦合法，設(shè)置轉(zhuǎn)子初始溫度，施加邊界約束條件，計(jì)算得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)，完成熱分析后，將溫度場(chǎng)作為體載荷加載到節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到瞬態(tài)應(yīng)力場(chǎng)[9]。計(jì)算過(guò)程可以簡(jiǎn)化為以下三個(gè)主要部分：(1)建立模型；(2)設(shè)置邊界條件；(3)求解得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

3 模擬試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 啟動(dòng)參數(shù)的選取

選取圖3中美國(guó)西屋和哈爾濱汽輪機(jī)廠提供的啟動(dòng)推薦值作為參考，由圖可知，一個(gè)第一級(jí)蒸汽參數(shù)對(duì)應(yīng)無(wú)數(shù)組主汽參數(shù)，因此，通過(guò)機(jī)組多次的熱態(tài)啟動(dòng)DCS數(shù)據(jù)分析，得出當(dāng)主蒸汽壓力為10 MPa時(shí)，帶初負(fù)荷的第一級(jí)蒸汽溫度及啟動(dòng)溫度的變化曲線，如圖4所示[10]。

圖3 熱態(tài)啟動(dòng)推薦值

圖4 初壓為10 MPa時(shí)熱態(tài)啟動(dòng)推薦值

確定主蒸汽壓力為10 MPa的依據(jù)主要有以下幾點(diǎn)：

(a)鄰爐蒸汽能夠滿足10 MPa的啟動(dòng)壓力；

(b)當(dāng)主汽壓力為10 MPa時(shí)，選取主蒸汽溫度為470～500 ℃時(shí)，第一級(jí)蒸汽溫度可以達(dá)到410～450 ℃，能夠很好的滿足傳熱溫差要求。

由于文中提出的啟動(dòng)調(diào)峰方式尚未實(shí)際運(yùn)行，因此，在確定啟動(dòng)參數(shù)之前，以熱態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)變化曲線、負(fù)荷改變曲線推薦值、汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)及帶最低負(fù)荷指導(dǎo)曲線作為參考，作如下假設(shè)：

(1)選取主蒸汽、再熱蒸汽溫升率均為1.28 ℃/min；

(2)再熱蒸汽溫度滯后30℃，再熱蒸汽初壓為1.5 MPa；

(3)轉(zhuǎn)子初始溫度為400 ℃。

綜上所述，利用圖4中的關(guān)系曲線，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)參數(shù)的規(guī)范化，即在給定溫差的前提下，利用第一級(jí)轉(zhuǎn)子表面溫度、第一級(jí)蒸汽溫度和熱態(tài)啟動(dòng)推薦值得出幾組啟動(dòng)參數(shù)。啟動(dòng)過(guò)程中詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 初壓為10 MPa時(shí)不同初溫啟動(dòng)參數(shù)

3.2 不同啟動(dòng)初參數(shù)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析

初溫為470 ℃的熱態(tài)啟動(dòng)曲線如圖5所示。

圖5 主蒸汽初溫為470 ℃時(shí)啟動(dòng)曲線

蒸汽流經(jīng)主汽閥、調(diào)節(jié)汽閥節(jié)流作用后，汽溫變化如圖6所示[11]。

圖6 調(diào)節(jié)級(jí)后蒸汽溫度變化曲線

如圖6所示，蒸汽經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)之后溫度將為404.3 ℃，高于轉(zhuǎn)子溫度為正溫度匹配啟動(dòng)?；贏NSYS有限元軟件，逐一完成二維轉(zhuǎn)子模型的導(dǎo)入、網(wǎng)格的劃分加密和邊界約束條件的設(shè)置，從而得到轉(zhuǎn)子不同時(shí)刻的瞬態(tài)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)。分別選取初始時(shí)刻、帶10%負(fù)荷時(shí)刻、出現(xiàn)最大應(yīng)力值時(shí)刻、啟動(dòng)6 000 s時(shí)和7 000 s時(shí)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，如圖7～圖8所示。

啟動(dòng)初始階段，蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子表面溫度時(shí)，轉(zhuǎn)子被冷卻，溫度下降，但轉(zhuǎn)子被冷卻的時(shí)間較短，其深度不足以冷卻轉(zhuǎn)子中心線，所以中心線附近溫度仍然維持在400 ℃左右。如圖7所示，轉(zhuǎn)子過(guò)橋軸封位置初始溫度較高，被冷卻溫度降低390 ℃左右，所以該處是初始時(shí)刻溫度變化最劇烈的位置，由圖8可知，該位置處的應(yīng)力值達(dá)到42 MPa。如圖7中不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)變化可知，啟機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的最大溫度逐漸增加，由于表面受到冷卻的作用，轉(zhuǎn)子最小溫度變化趨勢(shì)從下降轉(zhuǎn)為上升。如圖8中應(yīng)力場(chǎng)變化可知，隨著啟動(dòng)時(shí)間的增加，應(yīng)力的變化規(guī)律是先增大后減小。

圖7 初溫為470 ℃時(shí)不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)

圖8 初溫為470 ℃時(shí)不同時(shí)刻轉(zhuǎn)子應(yīng)力場(chǎng)

由于轉(zhuǎn)子表面屬于不光滑圓柱體表面，所有表面離心應(yīng)力不為零。利用應(yīng)力合成原則，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的合成應(yīng)力變化曲線如圖9所示。

圖9 初溫為470 ℃時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

由圖9可知，A、B兩點(diǎn)合成應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，第一個(gè)波峰為冷沖擊應(yīng)力值，第二個(gè)波峰為最大應(yīng)力值。C點(diǎn)的合成應(yīng)力變化自啟動(dòng)后一直升高至最大應(yīng)力值。

為了使得機(jī)組安全可靠運(yùn)行，通過(guò)控制進(jìn)汽參數(shù)，改變蒸汽初溫，降低沖轉(zhuǎn)過(guò)程中最大合成應(yīng)力值及啟動(dòng)過(guò)程中最大應(yīng)力值。因此，文中在保證其他啟動(dòng)參數(shù)不變的情況下，改變蒸汽初溫，以初溫為470 ℃的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)求解為例，得出初溫分別為480 ℃和490 ℃時(shí)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處的應(yīng)力變化曲線如圖10～圖11所示。

圖10 初溫為480 ℃時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖11 初溫為490 ℃時(shí)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

對(duì)比圖9～圖11中各個(gè)位置處應(yīng)力變化曲線可知。機(jī)組沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著蒸汽初溫的提高，過(guò)橋軸封位置蒸汽溫度逐漸增大，冷沖擊逐漸減弱，導(dǎo)致合成應(yīng)力在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)力增大斜率降低，且沖轉(zhuǎn)過(guò)程中最大合成應(yīng)力值有所下降。隨著蒸汽初溫的增加，調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后葉輪根部和中壓第一級(jí)級(jí)前葉輪根部受到的熱沖擊越來(lái)越明顯，且這兩個(gè)位置處的離心應(yīng)力較小，所以初溫為480 ℃和490 ℃時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后葉輪根部和中壓第一級(jí)級(jí)前葉輪根部的合成應(yīng)力變化趨勢(shì)與470℃初溫時(shí)保持一致。但是最大應(yīng)力值出現(xiàn)時(shí)刻有所提前，導(dǎo)致合成應(yīng)力上升斜率有所提高。因此，應(yīng)該綜合考慮提高初溫對(duì)機(jī)組啟動(dòng)經(jīng)濟(jì)性和壽命的安全性的影響。

3.2 不同蒸汽初溫下的壽命損耗分析

由于機(jī)組啟停時(shí)間比正常運(yùn)行時(shí)間短很多，所以計(jì)算轉(zhuǎn)子壽命損耗時(shí)，一般忽略高溫蠕變損耗，只考慮低周疲勞損耗。在進(jìn)行壽命損耗估算之前，應(yīng)首先計(jì)算出可能出現(xiàn)最大應(yīng)力值位置的全應(yīng)變，然后利用轉(zhuǎn)子材料疲勞特性曲線得出致裂或致斷循環(huán)周次，最終，估算出機(jī)組啟動(dòng)一次的壽命損耗百分比[11-12]。

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力計(jì)算全應(yīng)變?chǔ)う舤，如式(1)

(1)

式中Ks——塑性應(yīng)變集中系數(shù)；

σeq——監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的公稱當(dāng)量應(yīng)力/MPa；

E——工作溫度下的轉(zhuǎn)子鋼材料彈性模量/MPa。

轉(zhuǎn)子壽命損耗計(jì)算過(guò)程中，本文采用的是疲勞曲線，是根據(jù)不同溫度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合處理后的轉(zhuǎn)子鋼材料的Δεt—Nf公式(2)擬合得到的[13]

(2)

上式所對(duì)應(yīng)的疲勞特性曲線如圖12所示。

圖12 轉(zhuǎn)子鋼材料疲勞特性曲線

(3)

具體計(jì)算流程如圖13所示。

圖13 壽命損耗計(jì)算流程圖

利用上述計(jì)算步驟得到的壽命損耗率見(jiàn)表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)初溫為470 ℃時(shí)，A、C點(diǎn)的熱應(yīng)力和離心應(yīng)力方向相反，合成應(yīng)力較小，所以其壽命損耗率較小，B點(diǎn)的蒸汽溫度較低，冷沖擊導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)過(guò)程合成應(yīng)力變化較快，所以該處的壽命損耗較大。于此同時(shí)，初溫為470 ℃時(shí)，機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組響應(yīng)負(fù)荷的能力下降、經(jīng)濟(jì)性較低。當(dāng)初溫為480 ℃時(shí)，B點(diǎn)的壽命損耗有所降低，A、C點(diǎn)的壽命損耗有所提高，但是遠(yuǎn)小于電廠壽命損耗率要求的0.012%[15]，在保證各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力的前提下，能夠在75 min內(nèi)完成機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)。相比較于初溫為470 ℃時(shí)的啟機(jī)時(shí)間，機(jī)組在一次啟停過(guò)程中能夠?yàn)轱L(fēng)電提供半小時(shí)的上網(wǎng)時(shí)間，大大提高了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)初溫為490 ℃時(shí)，A、C點(diǎn)的最大應(yīng)力值和壽命損耗率均有所提高，但均遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子材料的許用應(yīng)力和電廠壽命損耗要求。但是，B點(diǎn)的最大應(yīng)力值有所增加，接近材料的許用應(yīng)力，導(dǎo)致其安全性下降。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，轉(zhuǎn)子初溫400 ℃時(shí)，選取初參數(shù)為10 MPa、480 ℃的啟動(dòng)方案，能夠提高機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力。

表2 不同溫度匹配下監(jiān)測(cè)點(diǎn)疲勞壽命損耗率

4 結(jié)論

(1)在向機(jī)組供汽的鄰近機(jī)組能滿足汽輪機(jī)對(duì)啟動(dòng)參數(shù)要求的前提下，熱態(tài)啟動(dòng)的傳熱端差滿足-14～42 ℃時(shí)，由熱態(tài)啟動(dòng)DCS數(shù)據(jù)，綜合考慮實(shí)際供電功率與調(diào)度負(fù)荷之間的關(guān)系，確定啟動(dòng)初壓為10 MPa。

(2)轉(zhuǎn)子初溫為400 ℃時(shí)，選取初壓為10 MPa、初溫為480 ℃，既能滿足運(yùn)行安全性的要求，又能縮短啟動(dòng)時(shí)間，提高了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力，從而增加了發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。最終確定引入鄰爐蒸汽快速啟動(dòng)機(jī)組的抽汽點(diǎn)，完成對(duì)機(jī)組的改造工作。

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