燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件壽命的等效運(yùn)行時(shí)間分析

王華鍇

摘要：目前我國(guó)缺乏燃汽輪機(jī)熱部件壽命的檢查技術(shù)。針對(duì)當(dāng)前熱部件運(yùn)行情況，需要合理的對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估。但在現(xiàn)實(shí)生活中很難進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行壽命評(píng)估，所以在對(duì)燃汽輪機(jī)熱部件進(jìn)行分析時(shí)，要根據(jù)影響壽命的主要原因進(jìn)行情況分析。本文通過(guò)對(duì)燃汽輪機(jī)熱部件的損耗情況，針對(duì)相應(yīng)的計(jì)算模型提出計(jì)算方法，從而建立專(zhuān)用的熱部件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以此來(lái)評(píng)估部件的壽命。通過(guò)對(duì)影響部件壽命的主要因素進(jìn)行分析，運(yùn)用常用的分析方法，針對(duì)等效運(yùn)行時(shí)間分析法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱部件壽命進(jìn)行評(píng)估。旨在為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行提供基礎(chǔ)，幫助相關(guān)人員評(píng)估工作的展開(kāi)。

Abstract： Currently there is a lack of inspection technology for the life of gas turbine hot-end components in China. According to the current operating condition of hot parts， it is necessary to evaluate their service life reasonably. However， it is difficult to evaluate the service life in real life， so when analyzing the thermal components of gas turbine， we should analyze the main reasons which affect the service life. In this paper， according to the loss of thermal components of gas turbine， a calculation method is proposed according to the corresponding calculation model， and a special monitoring system for thermal components is established to evaluate the life of components. Based on the analysis of the main factors affecting the life of hot parts， the life of hot parts is evaluated by using the analysis method of equivalent running time. The purpose is to provide a basis for gas turbine operation and help relevant personnel to carry out the evaluation work.

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);熱端部件;壽命評(píng)估;等效運(yùn)行時(shí)間分析

Key words： gas turbine;hot end components;life assessment;equivalent operation time analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：TK477?????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0140-02

0? 引言

當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于現(xiàn)代燃汽輪機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)也需要進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。目前我國(guó)越來(lái)越重視對(duì)其運(yùn)行的控制，對(duì)燃汽輪機(jī)在高溫高壓下進(jìn)行高效的運(yùn)行是當(dāng)代的追求方向。對(duì)于目前燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，渦輪的進(jìn)口溫度不斷提高，同時(shí)相應(yīng)部件的熱負(fù)荷也在迅速加大。同時(shí)空氣、灰塵等環(huán)境因素的影響導(dǎo)致燃汽輪機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)變更狀況，甚至?xí)霈F(xiàn)超負(fù)荷快速的變動(dòng)，造成熱部件的損壞。因此需要針對(duì)當(dāng)代燃汽輪機(jī)的可靠性進(jìn)行技術(shù)維修，有效對(duì)其使用壽命進(jìn)行評(píng)估，保證熱端部件的可靠性。

1? 熱部件研究概況

對(duì)于熱部件來(lái)說(shuō)，需要在高溫下進(jìn)行快速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)其損傷與破壞需要額外的進(jìn)行注意，相關(guān)人員需要對(duì)其結(jié)構(gòu)材料性能使用壽命等大量研究，通過(guò)當(dāng)前對(duì)燃汽輪機(jī)熱部件使用壽命方面分析，主要包括疲勞壽命、蠕變壽命以及材料壽命等方面[1]。而在具體的分析過(guò)程中，通過(guò)對(duì)葉片系統(tǒng)的響應(yīng)分析法和概率引進(jìn)，幫助評(píng)估疲勞壽命，同時(shí)通過(guò)建立三維坐標(biāo)可以有效地進(jìn)行預(yù)估，在對(duì)高溫蠕變等進(jìn)行影響分布時(shí)，通過(guò)采用有限元方法進(jìn)行預(yù)測(cè)進(jìn)行展開(kāi)，然而目前針對(duì)熱壽命的評(píng)估方法仍不完善。本文通過(guò)對(duì)燃汽輪機(jī)熱部件的損傷機(jī)理進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其的壽命損耗進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，建立模型，為熱部件的壽命累計(jì)損耗和提高參考。

2? 具體損傷

熱端部件是燃汽輪機(jī)的核心部件，對(duì)于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)需要更多的設(shè)計(jì)，并且選擇的材料必須耐用，因此價(jià)格昂貴。對(duì)于其加工工藝來(lái)說(shuō)也流程較多，因此燃汽輪機(jī)的可靠性很大程度上取決于熱端部件，在對(duì)其進(jìn)行維修與技術(shù)檢測(cè)需要對(duì)其壽命進(jìn)行評(píng)估，以延長(zhǎng)熱端壽命，實(shí)現(xiàn)燃汽輪機(jī)長(zhǎng)久的運(yùn)行。對(duì)于燃汽輪機(jī)部件壽命來(lái)說(shuō)，需要在高溫高壓腐蝕介質(zhì)的殘酷條件下進(jìn)行運(yùn)作，因此對(duì)其承受的負(fù)載工作溫度以及介質(zhì)等因素的影響需要對(duì)部件的損傷進(jìn)行分析，而目前針對(duì)高溫部件的損傷來(lái)說(shuō)，主要分為以下三種：

2.1 疲勞損傷? 疲勞損傷是指在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的循環(huán)載荷積累下來(lái)的。一般情況下，對(duì)于高溫影響引發(fā)的熱疲勞，是熱部件長(zhǎng)期地在高溫條件工作在啟停，變負(fù)載運(yùn)行中磨損較多，一般都屬于低周期損傷。對(duì)于的周期損傷來(lái)說(shuō)，在覆蓋周期〈105次，高周期則〉105次[2]。

2.2 蠕變損傷? 蠕變損傷是在1400攝氏度的條件下，燃?xì)鉄釞C(jī)的熱部件的彈性性能會(huì)受溫度的影響，導(dǎo)致整體的塑變性增強(qiáng)。在整體的機(jī)器運(yùn)作過(guò)程中，由于負(fù)載的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致產(chǎn)生的拉力使熱部件發(fā)生不可回彈的變形，在塑變的過(guò)程中超出了材料本身可以承受的形變范圍。因此對(duì)于熱部件來(lái)說(shuō)變形是非常嚴(yán)重的，屬于巨大的損傷，對(duì)于蠕變損傷來(lái)說(shuō)也是判定部件壽命的主要參數(shù)之一。

除此之外如果熱端部件的材料接觸溫度過(guò)高出現(xiàn)塑性變形，熱溫度達(dá)到一定的情況下，就會(huì)導(dǎo)致材料脆弱部位出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)裂紋在部件的運(yùn)行中是不可避免的，因此對(duì)其壽命評(píng)估時(shí)需要針對(duì)裂紋出現(xiàn)的位置以及強(qiáng)度對(duì)部件進(jìn)行分析，根據(jù)裂紋的發(fā)展速度，判斷裂紋是否可以修復(fù)，以此來(lái)保證熱端部件的使用壽命。這也是在進(jìn)行燃機(jī)熱部件檢查與壽命評(píng)估時(shí)必備檢查內(nèi)容之一。

2.3 腐蝕損傷? 對(duì)于腐蝕損傷來(lái)說(shuō)，主要因?yàn)樵诳諝庵杏捎谝欢ǖ臐穸?，以及在燃?xì)饬鞯扔绊懴拢沟迷诓考M(jìn)行工作中容易出現(xiàn)腐蝕情況[3]。腐蝕情況分為高溫腐蝕和低溫腐蝕。對(duì)于高溫來(lái)說(shuō)，往往是在高溫區(qū)由于熱部件相應(yīng)的保護(hù)層受到損害而影響熱端部件的工作運(yùn)行，加大了整體的負(fù)荷，減少了其使用壽命。這也是在運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的損傷方式。

3? 調(diào)整方向

如果熱部件出現(xiàn)異常損傷，會(huì)導(dǎo)致啟停，負(fù)荷快速變動(dòng)，甩負(fù)荷，緊急停機(jī)等情況的發(fā)生[4]。在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，需要針對(duì)燃汽輪機(jī)每次正常啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的溫度變化，從而判斷整體的加熱膨脹大冷卻縮減的周期。作為燃汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，要經(jīng)常地進(jìn)行啟動(dòng)停機(jī)，因此需要對(duì)其部件的承受能力進(jìn)行分析[5]。對(duì)熱端部件的材料疲勞以及應(yīng)力集中部位產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行調(diào)查，從而也需要根據(jù)高溫環(huán)境下發(fā)生的材料蠕變進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在對(duì)其發(fā)電模塊負(fù)載增大或縮減時(shí)，需要觀察負(fù)載的變化以及轉(zhuǎn)速的變化。在負(fù)載交大過(guò)程中需要對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析，從而對(duì)超速現(xiàn)象進(jìn)行把控，掌握熱部件的損傷程度[6]。對(duì)于溫度不均衡也會(huì)出現(xiàn)局部熱應(yīng)力。在進(jìn)行輸電的過(guò)程中，也需要根據(jù)內(nèi)部的原因?qū)Πl(fā)電機(jī)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，以及加強(qiáng)緊急停機(jī)的處理。

4? 計(jì)算

4.1 計(jì)算? 在預(yù)熱部件的等效時(shí)間選擇需要根據(jù)壓氣機(jī)、熱通道、燃燒器以及透平等，針對(duì)檢修時(shí)間以及工藝進(jìn)行要求，同時(shí)分析在運(yùn)行狀況下機(jī)組的等效時(shí)間EOH和啟停次數(shù)。燃汽輪機(jī)在預(yù)估壽命時(shí)需要對(duì)運(yùn)行的小時(shí)數(shù)，起停次數(shù)，負(fù)荷特點(diǎn)，燃料特性，水和蒸汽的噴射率等進(jìn)行情況分析[7]。而這些都屬于影響熱部件使用的主要損傷因素，在對(duì)其調(diào)整的模式下，需要針對(duì)列出的情況對(duì)燃汽輪機(jī)壽命的極限進(jìn)行探討。在對(duì)其壽命評(píng)估時(shí)，也需要將其換算成等效的運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)在正常的運(yùn)行下對(duì)燃汽輪機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，從而給出計(jì)算公式[8]。

EOH= 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間 + 等效起停次數(shù) × 一次起跳等效運(yùn)行時(shí)間

4.2 EOH的影響? 當(dāng)前對(duì)燃料性能相同的情況下，對(duì)于燃汽輪機(jī)熱部件的評(píng)估來(lái)說(shuō)，運(yùn)作過(guò)程中的啟停次數(shù)和復(fù)合變化情況是影響EOH的重要因素，因此需要針對(duì)相應(yīng)的啟停狀態(tài)，針對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)的任務(wù)進(jìn)行燃汽輪機(jī)使用壽命的預(yù)估。通過(guò)對(duì)其負(fù)載方式運(yùn)行進(jìn)行分析，部件的維修的費(fèi)用與年起停次數(shù)的關(guān)系成正比[9]。因此在進(jìn)行熱部件的預(yù)估壽命時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載的承受力以及運(yùn)行方式，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行燃汽輪機(jī)的聯(lián)合循環(huán)。在加強(qiáng)對(duì)熱部件的檢測(cè)狀態(tài)的同時(shí)，也需要構(gòu)建相應(yīng)的服務(wù)檢修體系，以此不斷的完善啟停間隔優(yōu)化，加強(qiáng)間隔的時(shí)間延長(zhǎng)，有效的降低運(yùn)行成本。這也是當(dāng)前在對(duì)熱部件的使用壽命來(lái)說(shuō)非常重要的發(fā)展方向[10]。

4.3 案例分析? 本文通過(guò)對(duì)我國(guó)LNG現(xiàn)場(chǎng)F級(jí)燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)行案例分析，已分析當(dāng)前的等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)，根據(jù)EOH計(jì)算，保證誤差小于5%。利用基礎(chǔ)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，從而為預(yù)估壽命提高可靠準(zhǔn)確的方法。

通過(guò)對(duì)相應(yīng)的機(jī)組參數(shù)集熱部件宿命進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)對(duì)信號(hào)傳感器以及采集模塊，分析模塊等進(jìn)行評(píng)估[11]。通過(guò)信號(hào)傳感器對(duì)機(jī)組在整體的運(yùn)行中的用電負(fù)荷等進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，以此來(lái)確保信號(hào)的傳遞、轉(zhuǎn)換等。隨后保障數(shù)據(jù)采集單元傳送數(shù)據(jù)到分析系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算公式對(duì)其燃?xì)馔钙綗岫瞬考牡刃н\(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而預(yù)估出剩余的壽命。具體案例參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

5? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)熱部件壽命損傷機(jī)理的建造，根據(jù)相應(yīng)的影響因素以及壽命損耗模型，總結(jié)出了評(píng)估方法[12]。在計(jì)算系數(shù)的控制下，針對(duì)當(dāng)前構(gòu)件損耗的模型對(duì)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，從而分析出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及機(jī)組參數(shù)，可以有效的確保各部件的壽命評(píng)估。這對(duì)壽命監(jiān)測(cè)與分析來(lái)說(shuō)是非常方便的，也可以為日后提供更多的參考。

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