燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)方法研究

摘 要：為預(yù)測(cè)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗，以LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機(jī)為例，明確其轉(zhuǎn)子損傷與使用壽命之間的關(guān)系，對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：LZC38.3-6.9型汽輪機(jī)在常規(guī)操作下，預(yù)計(jì)約30年后轉(zhuǎn)子首現(xiàn)微裂紋，適時(shí)大修與裂紋修復(fù)能有效延長(zhǎng)其使用壽命。該預(yù)測(cè)方法針對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命損耗預(yù)測(cè)精度均在98%以上，具備極高的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性，有助于確保轉(zhuǎn)子在達(dá)到其壽命限制之前得到及時(shí)的維護(hù)和更換，避免潛在的安全事故和停機(jī)損失。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合；損耗；轉(zhuǎn)子；汽輪機(jī)；壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：TK474.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.016

0" " 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組被視為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換和發(fā)電系統(tǒng)，在電力生產(chǎn)中扮演著越來(lái)越重要的角色。汽輪機(jī)作為聯(lián)合循環(huán)電廠的核心設(shè)備之一，其性能穩(wěn)定性和運(yùn)行壽命直接關(guān)系到整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性。然而，在復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子承受著高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)及交變載荷等多重因素的共同作用，其壽命損耗問(wèn)題日益凸顯[1]。因此，研究燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)方法，對(duì)于提高電廠運(yùn)行效率、降低維護(hù)成本、保障電力供應(yīng)安全具有重要意義。

傳統(tǒng)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命預(yù)測(cè)方法主要依賴經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計(jì)模型，這些方法雖然簡(jiǎn)單易行，但在面對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的高精度、高準(zhǔn)確度技術(shù)要求時(shí)，難以滿足需求[2-3]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展，基于疲勞損傷理論等數(shù)值方法的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。這些方法通過(guò)精確模擬轉(zhuǎn)子在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，結(jié)合材料的力學(xué)性能參數(shù)和疲勞性能數(shù)據(jù)，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的壽命損耗[4-5]。本文旨在探討燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)的新方法，以期為電廠的運(yùn)維管理提供科學(xué)依據(jù)。

1" " 研究對(duì)象

某6F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠（以下簡(jiǎn)稱“該電廠”）采用上海汽輪機(jī)廠LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機(jī)，該型汽輪機(jī)高壓采用全周進(jìn)汽，中低壓提供一級(jí)可調(diào)整抽汽；采用上海電氣QF-40-2型發(fā)電機(jī)，位于汽輪機(jī)高壓側(cè)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用剛性聯(lián)軸器連接；作為配套首次國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用上海電氣6F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，該型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)同為上海電氣新型設(shè)備；并設(shè)置一臺(tái)啟動(dòng)鍋爐，為機(jī)組提供啟停機(jī)時(shí)的輔助蒸汽和運(yùn)行過(guò)程中的備用輔助蒸汽。

汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

汽輪機(jī)共有兩個(gè)軸承座，前軸承座位于汽輪機(jī)電機(jī)端，落地滑移式布置；前座內(nèi)除裝有徑向推力聯(lián)合軸承外，還設(shè)有電動(dòng)盤(pán)車(chē)裝置和部分監(jiān)控測(cè)量裝置；汽缸與前軸承座之間設(shè)有立鍵作為橫向定位。后軸承座組焊于排汽缸上，通過(guò)排汽缸裙邊支撐在基礎(chǔ)上；內(nèi)裝有徑向后軸承和部分監(jiān)控測(cè)量裝置。各軸承均配置有高壓頂軸油，在機(jī)組盤(pán)車(chē)及汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)高壓頂軸油投入，把轉(zhuǎn)子頂起，以減小盤(pán)車(chē)啟動(dòng)力矩。

2" " 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)象，提出一種新的方法對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子壽命損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。在機(jī)組頻繁調(diào)整負(fù)荷的操作中，轉(zhuǎn)子遇到的核心考驗(yàn)在于低頻熱應(yīng)力波動(dòng)誘發(fā)的疲勞累積，以及高溫環(huán)境下不可避免的蠕變效應(yīng)，兩者均會(huì)顯著縮短轉(zhuǎn)子的服役壽命。轉(zhuǎn)子的使用壽命受疲勞與蠕變雙重作用的影響，疲勞損傷主要由交變熱應(yīng)力的大小、溫度及應(yīng)力持續(xù)時(shí)長(zhǎng)決定，每當(dāng)熱應(yīng)力循環(huán)一次，轉(zhuǎn)子材料便經(jīng)歷一次疲勞累積，且溫度升高，疲勞損傷加劇；另一方面，蠕變損傷在高溫下也尤為顯著，它隨應(yīng)力持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，表現(xiàn)為材料在恒定應(yīng)力下的緩慢變形。根據(jù)上述分析，確定兩種損傷與轉(zhuǎn)子使用壽命之間的關(guān)系：

1≥++（1）

式中：T為累計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，TR為蠕變壽命，用于描述蠕變損傷的累積量；B為在考慮蠕變和低周疲勞損傷相互影響的情況下的影響系數(shù)；n為設(shè)備啟停次數(shù)，N為低周疲勞壽命，用于描述低周疲勞損傷的累積量。

在上述計(jì)算公式中，當(dāng)與的和大于或等于0.8時(shí)，應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注并檢查轉(zhuǎn)子是否已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋，同時(shí)在汽輪機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，監(jiān)視相關(guān)運(yùn)行參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)。在實(shí)際工程中，可通過(guò)下述公式計(jì)算對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)：

Te=Teff+Ns×Ts（2）

式中：Te為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)量運(yùn)行時(shí)間；Teff為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行時(shí)間；Ns為汽輪機(jī)啟動(dòng)次數(shù)；Ts為汽輪機(jī)每次啟動(dòng)折算時(shí)間。

3" " 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子包括帶整體聯(lián)軸器的焊接轉(zhuǎn)子和插入式葉片。轉(zhuǎn)子是由兩段不同材質(zhì)的合金鋼鍛件經(jīng)焊接、加工而成的無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子，無(wú)中心孔轉(zhuǎn)子中心部位的最大應(yīng)力低，所以轉(zhuǎn)子壽命得以延長(zhǎng)，并且有利于機(jī)組的快速啟動(dòng)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的電機(jī)端裝配有盤(pán)車(chē)大齒輪，與安裝在前軸承座上的回轉(zhuǎn)設(shè)備配合，用以盤(pán)動(dòng)轉(zhuǎn)子。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在電機(jī)端和汽輪機(jī)端均設(shè)置有測(cè)速齒，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)主要工況參數(shù)如表1所示。

4" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1" " 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機(jī)（上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)），其轉(zhuǎn)子材料為CrMov鋼，在運(yùn)行溫度為550 ℃的條件下，通過(guò)綜合考慮蠕變斷裂與低周疲勞效應(yīng)，可估算其壽命。結(jié)合上述公式計(jì)算，得到表2所示的壽命損耗預(yù)測(cè)結(jié)果。

表2體現(xiàn)了對(duì)LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行精確壽命管理的重要性，通過(guò)綜合考慮蠕變、疲勞和啟停次數(shù)等因素，可以制定出合理的運(yùn)行和維護(hù)策略，以確保轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。轉(zhuǎn)子具有較長(zhǎng)的蠕變斷裂時(shí)間和低周疲勞壽命，但基于安全考慮，實(shí)際允許的啟停次數(shù)被限制在較低水平，這表明在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須考慮足夠的安全裕量以應(yīng)對(duì)不確定性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以制定出詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃，包括大修時(shí)間、檢查頻率和維修內(nèi)容等，有助于確保轉(zhuǎn)子在達(dá)到其壽命限制之前得到及時(shí)維護(hù)和更換，從而避免潛在的安全事故和停機(jī)損失。通過(guò)優(yōu)化啟停策略、減少不必要的啟停次數(shù)、提高運(yùn)行效率等措施，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子的使用壽命，并降低維護(hù)成本。

4.2" " 壽命損耗預(yù)測(cè)穩(wěn)定性分析

按照上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成對(duì)10臺(tái)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子（Z01～Z10）的壽命損耗預(yù)測(cè)，并通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果精度的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)該方法預(yù)測(cè)穩(wěn)定性的驗(yàn)證。預(yù)測(cè)結(jié)果精度可依據(jù)下述公式得出：

κ=×100%（3）

式中：κ為預(yù)測(cè)結(jié)果精度；W為預(yù)測(cè)結(jié)果；W′為實(shí)際轉(zhuǎn)子壽命。

將得到的檢測(cè)結(jié)果記錄如表3所示。

從表3可以看出，本文預(yù)測(cè)方法針對(duì)10臺(tái)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命損耗預(yù)測(cè)精度均在98%以上，具備極高的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。所有轉(zhuǎn)子的預(yù)測(cè)精度都較高，集中在98.4%至98.9%之間，表明所采用方法對(duì)于不同轉(zhuǎn)子的損耗預(yù)測(cè)均具有較好的一致性和準(zhǔn)確性。高精度的預(yù)測(cè)結(jié)果有助于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠制定更加科學(xué)合理的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)計(jì)劃，優(yōu)化資源配置，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)是一個(gè)涉及多學(xué)科、多因素的復(fù)雜問(wèn)題。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)和材料科學(xué)理論，提出了一種新的轉(zhuǎn)子壽命損耗預(yù)測(cè)方法，并利用該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)某6F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗的預(yù)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，新的預(yù)測(cè)方法具備極高的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性，將該方法應(yīng)用于實(shí)際可為轉(zhuǎn)子運(yùn)行維護(hù)提供有力依據(jù)。今后，筆者還將對(duì)如何更準(zhǔn)確地獲取材料的性能參數(shù)和疲勞損傷數(shù)據(jù)，如何更全面地考慮轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中可能遇到的各種復(fù)雜工況和不確定性因素，以及如何將預(yù)測(cè)結(jié)果更好地應(yīng)用于電廠的實(shí)際運(yùn)維管理進(jìn)行更加深入的探索和研究。

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收稿日期：2024-08-07

作者簡(jiǎn)介：高創(chuàng)立（1993—），男，廣東揭陽(yáng)人，熱能與動(dòng)力工程助理工程師，研究方向：燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行。