大型汽輪機轉(zhuǎn)子低調(diào)疲勞損傷評估問題研究

冷啟林

摘?要： 提高調(diào)峰能力成為保證電網(wǎng)運行是否穩(wěn)定的關(guān)鍵問題，繼續(xù)投入擴建新的機組和延長現(xiàn)有機組服役期限是保障電網(wǎng)調(diào)峰能力的兩個可選方法。而火力發(fā)電廠的建設(shè)成本和運營成本越來越高。對火電設(shè)備進行準確的損傷評估和狀態(tài)監(jiān)控，延長其使用壽命的費用只有建設(shè)新電廠的20%左右。因此，為保證火力發(fā)電設(shè)備的安全投入使用，對大型汽輪機機組相關(guān)設(shè)備的損傷評估方法以及可靠性運行問題展開研究，具有重要的學術(shù)價值和工程意義。

關(guān)鍵詞： 汽輪機轉(zhuǎn)子;低周疲勞損傷;評估

【中圖分類號】U356?【文獻標識碼】A?【文章編號】1674-3733（2020）22-0187-01

引言：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力負荷總量不斷增加，一部分火電大機組必將逐步開始承擔調(diào)峰任務(wù)。面對這種情況，發(fā)電企業(yè)會不斷投入擴大電網(wǎng)容量，另一方面，高參數(shù)大功率汽輪機機組被普遍采用，小型機組的數(shù)量不斷減少，表現(xiàn)在參與調(diào)峰的汽輪機機組的功率越來越大，峰谷差的矛盾日益明顯，影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

1?影響轉(zhuǎn)子壽命的因素

汽輪機機組的運行可以分為變工況運行和定工況運行。其中在啟動、停機、變工況運行工況下，蒸汽溫度、蒸汽壓力、蒸汽流量等參數(shù)劇烈變化，轉(zhuǎn)子本體受熱不均，此時對汽輪機轉(zhuǎn)子造成的損傷主要是低周疲勞損傷。而汽輪機在定工況運行時，主要承受高溫蠕變損傷，這是由于汽輪機運行高溫環(huán)境中，在熱應(yīng)力的影響下金屬材料有逐步發(fā)生蛻變的趨勢。一般來說，引起金屬蠕變發(fā)生的應(yīng)力強度接近金屬的屈服強度，如果長期暴漏在高溫的環(huán)境下，例如接近金屬熔點，則會加劇金屬蠕變反應(yīng)。汽輪機轉(zhuǎn)子長時間工作在高溫高壓的環(huán)境下，加上溫度參數(shù)急劇變化，很容易產(chǎn)生高溫蠕變現(xiàn)象，對汽輪機轉(zhuǎn)子本體造成損傷。

2?大型汽輪機轉(zhuǎn)子低調(diào)疲勞損傷問題

大型汽輪機轉(zhuǎn)子損傷評估與控制關(guān)系到整個汽輪機機組的經(jīng)濟效益與安全運行，是工業(yè)界急需解決的重要問題之一。無論對于工業(yè)界還是學術(shù)界，深入研究大型汽輪機轉(zhuǎn)子等大型機械設(shè)備損傷的產(chǎn)生原因、發(fā)展機制、程度評估以及有效控制都具有特別重要的意義。以國產(chǎn)300MW汽輪機轉(zhuǎn)子為例，研究了汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷的非線性累積特點，在對損傷非線性模型進行分解的基礎(chǔ)上，提出了損傷在線評估與監(jiān)控方法，并且將大型汽輪機轉(zhuǎn)子損傷納入到控制器性能評估理論體系內(nèi)，建立了以損傷為目標的控制器性能評估方法。

（1）針對現(xiàn)在廣泛使用的汽輪機低周疲勞損傷線性累積方法不準確的問題，首次提出了一種新的基于熱力學熵的非線性累積方法?？紤]到Manson-Coffin等式與循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，消除了原模型中的不可測參數(shù)，得到了可用于實時計算的損傷指標。通過計算國產(chǎn)300MW汽輪機全生命周期損傷，建立了基于動態(tài)熱力學熵模型的汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷評估框架，與線性累積準則的結(jié)果對比驗證了該模型的損傷評估的合理性;與非線性損傷力學模型的結(jié)果對比驗證了該模型的損傷評估的精確性。為大型汽輪機設(shè)備的低周疲勞損傷計算與評估提供了一種工程中實際可用的新方法。

（2）汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷評估中，數(shù)值法計算精確但是耗時，解析法計算簡便但無法保證計算精度，結(jié)合二者優(yōu)勢，研究熱應(yīng)力傳遞函數(shù)的靈敏性，定量的分析有限元軟件中汽輪機轉(zhuǎn)子幾何尺寸對于數(shù)值分析結(jié)果的影響，首次建立基于有限元技術(shù)的在線評估模型。通過國產(chǎn)300MW汽輪機機組冷態(tài)啟動為例，對比在線評估模型與有限元數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)果顯示誤差小于3%，驗證了模型的精確性。首次提出了基于有限元分析技術(shù)的汽輪機低周疲勞損傷在線評估方法框架，為工程中轉(zhuǎn)子損傷評估提供了一種新的方法論。

（3）利用有限元仿真產(chǎn)生的豐富而準確的過程數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法動態(tài)偏最小二乘法（DPLS）建立了汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷動態(tài)模型。汽輪機機組起動及停機的過程中，蒸汽參數(shù)溫度、壓力、流量等參數(shù)高度相關(guān)，采用動態(tài)偏最小二乘方法可以消除不同變量之間以及相同變量在不同時刻的相關(guān)性，找到最影響轉(zhuǎn)子損傷發(fā)展的變量，可以建立較為精確的過程模型。通過國產(chǎn)300MW汽輪沖轉(zhuǎn)過程的數(shù)據(jù)，推導(dǎo)并建立了可用于監(jiān)控的動態(tài)PLS模型。仿真實例驗證數(shù)據(jù)驅(qū)動方法在汽輪機轉(zhuǎn)子損傷評估中的應(yīng)用的可行性。

（4）針對汽輪機轉(zhuǎn)子以損傷為目標的控制性能評估問題，采用多項式方法建立國產(chǎn)300MW汽輪機機組的沖轉(zhuǎn)過程模型，并采用最小方差作為基準評估控制器性能。將金屬損傷的非線性模型分解為動態(tài)線性部分和靜態(tài)非線性部分，有效的降低模型復(fù)雜度，得到理論最小方差?；跊_轉(zhuǎn)過程實際數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果指出，以損傷為目標的控制性能指標與比例參數(shù)呈現(xiàn)的非線性關(guān)系，考慮到汽輪機機組在全壽命周期運行過程中損傷分配，其結(jié)果是可以接受的。

3?大型汽輪機轉(zhuǎn)子低調(diào)疲勞損傷評估工作展望

大型汽輪機轉(zhuǎn)子的損傷評估與控制問題還有很多關(guān)鍵性技術(shù)需要突破，某些關(guān)鍵點上還有很多問題需要解決。本文在前人工作的基礎(chǔ)上做了粗淺的研究和總結(jié)，目前來看，待展開和深入的工作還有：

（1）本文重點做的工作是汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷評估方法與控制的研究，其損傷的形成與發(fā)展主要是發(fā)生在機組的啟動和停機過程，而高溫蠕變損傷也是機組在運行時不可忽視的。如何開展汽輪機機組，尤其是轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵設(shè)備的高溫蠕變損傷精確評估的研究，是今后有待展開的工作。

（2）在目前已經(jīng)完成的工作中，很多都假設(shè)汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷是相互獨立的，這樣簡化了損傷建模的難度。但是實際情況是，低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷是高度耦合的，今后可以針對這種高度耦合非線性過程進行研究，繼續(xù)完善和發(fā)展汽輪機轉(zhuǎn)子全損傷精確評估與控制方法。

4?結(jié)束語

本文的研究工作主要是依托國產(chǎn)300MW汽輪機轉(zhuǎn)子低周疲勞損傷評估這一工業(yè)背景展開，很多結(jié)論和條件是在前人的研究成果基礎(chǔ)上獲得的，某些認識或許稍顯簡單，希望本文的研究工作和結(jié)論能為大型汽輪機設(shè)備的損傷評估與控制提供有益的借鑒，為后來人繼續(xù)從事汽輪機機組損傷評估起到一定程度的幫助作用。

參考文獻

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