正暖和倒暖启动对汽轮机组寿命的影响研究

李国庆，崔崇，何青

正暖和倒暖启动对汽轮机组寿命的影响研究

李国庆1，崔崇2，何青1

（1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区102206；2．国电锅炉压力容器检验中心，北京市 昌平区102209）

汽轮机转子是机组最脆弱的设备，其使用寿命代表了整个机组的寿命，而在启动过程中转子所承受的等效应力最大，因此掌握不同启动方式下机组寿命的情况尤为重要。将某电厂汽轮机组作为仿真算例，对以冷态正暖和背压倒暖2种方式启动的机组进行三维建模、网格划分以及温度场和应力场的模拟分析，并进行寿命评估计算，得出2种启动方式下的机组寿命损耗，比较2种启动方式的优劣，为不同机组选择合适的启动方式提供合理的建议。

汽轮机转子；启动方式；仿真模拟；寿命评估

0 引言

汽轮机最核心的部件是转子，工作的环境通常较为恶劣，如高温、高压以及高速，在3者的综合作用下，不可避免地会发生损耗，其主要失效形式为高温蠕变-疲劳交互式损伤失效，且无法通过修复等简单的方法、以较低的成本实现对其寿命的延长，所以转子的使用年限代表了整台机组的运行寿命[1-3]。

导致机组疲劳损耗的应力是由离心力和热应力共同作用产生的，而热应力是最为主要的。转子在汽轮机的启停过程中经历的温度起伏较大，由此产生的热应力比正常运行时的热应力大，而不同的启动方式导致机组生成的热应力也不一样。一般根据汽轮机进汽方式不同，将启动分为正暖启动和倒暖启动。正暖启动又叫冷态启动，指主蒸汽依次经过高压缸、中压缸进行暖机、冲转的启动方式；倒暖启动指蒸汽从中压缸进入汽缸，先暖中压缸再暖高压缸，并且推动转子旋转的启动方式[4-7]。为了解机组的寿命损耗以便优化机组运行管理，有必要掌握不同启动方式对机组寿命产生的影响。本文以某一汽轮机组为例，对转子以冷态正暖和背压倒暖2种方式启动进行寿命损耗计算，比较2种启动方式对机组的影响。

1 寿命评估的理论基础

1.1 有限元寿命评估流程

有限元评估是目前寿命评估应用最多的方法，能够根据机组的实际情况建立相应的模型，并且设置所处的环境条件，最终清晰合理地模拟出其温度和应力的数值及变化。图1给出了利用有限元具体模拟、计算转子寿命的流程[8-11]。

图1 寿命评估流程

1.2 建立模型

实际的转子叶片结构十分复杂，很难真实地建立模型，为了确保汽轮机转子具有一定的质量以及恒定的转动惯量，需将叶片等效为质量圆环。转子叶片的等效转换原理是：将叶片底端宽度与轮毂宽度相比较，当两者差值小于10 mm时该叶片选择轮毂的宽度，否则取叶片底端的尺寸。

对于转换为等效质量圆盘的转子，若某级叶片宽度、密度、厚度以及叶轮半径分别为、、和，那么该级叶片的质量和转动惯量由式(1)、(2)可得，而叶片的厚度和密度可由式(3)、(4)计算。因此若已知该级叶片的半径以及圆盘宽度，联立式(1)—(4)即可求解其余4个未知量。

1.3 网格划分

划分网格是有限元计算中至关重要的一步，划分的优劣对模拟的结果有着重大影响。划分网格的方法通常分为四面体划分、自动划分、六面体划分以及扫掠型划分，根据不同的对象模型采取不同的划分方法，划分方法选取的依据是：如果分析三维实体模型，通常将网格划分为六面体；而当分析的对象是比较规则、结构简单的物体时，扫掠划分是比较好的选择；在有前2种方法的情况下不建议将网格划分为四面体；自动划分是系统自动生成的网格，划分的结构简单、体积较大且质量粗糙，通常作为正式模拟之前的实验手段。

1.4 材料参数确定

汽轮机转子材料的性能不是固定不变的，通常会随外在因素(所处的温度和压力)以及自身结构(如损坏情况)的改变而变化。而在整个启动范围内，转子所承受的温度和压力都在不断变化，所以为了使模拟过程更接近真实的运行情况，需要掌握各工况下转子的物理特性、化学性能以及机械特性等[12-13]。

1.5 确定边界条件

有限元分析要设置边界条件，而在转子启动过程中边界条件包括热学边界条件和力学边界条件：

1）根据转子的实际情况，确定不与蒸汽接触的绝热边界条件以及和蒸汽进行热交换、将蒸汽的温度和计算得出的换热系数作为第3类边界条件；

2）根据转子轴承的数量以及作用，选择不同的约束方式。

其中计算转子与蒸汽之间的对流传热系数是设定热边界条件的前提。根据傅里叶定律以及牛顿冷却定理可以计算不同蒸汽参数下各级转子叶片的对流传热系数[14]：

式中：为接触面外法线向外的方向；为对流传热系数，W/(m2×K)；为导热系数，W/(m×K)；f为叶片周围的蒸汽温度，℃；w为转子表面温度，℃。

2 仿真过程及结果

2.1 建模

以某电厂带有9级叶片的汽轮机作为仿真算例，在对该机组研究之前，对文献[15]中的机组进行测试验证，仿真得出的温度场和应力场与文献[15]的结果基本一致，所以可以使用Workbench及以上方法对机组进行热力学分析。某电厂转子结构如图2所示，只有一级调节级，其余为压力级，2个前后的轴承支撑了整个转子，其中前轴承约束了转子径向的自由度，后轴承不但约束了径向自由度，还约束了轴向的位移，只保留了周向的自由度。

按照等效圆环变化方法可建立如图3所示的转子三维模型。

使用六面体网格划分方法划分模型，如图4所示。

图2 转子结构图

图3 转子三维模型

图4 网格划分

该机组转子的组成材料为30Cr2MoV合金钢，其在不同温度下的疲劳特性如表1所示。

表1 循环应力-应变特性参数

Tab.1 Characteristic parameters of cyclic stress-strain

2.2 启动方案

该转子正暖和倒暖启动过程的具体参数变化分别如图5、6所示。

图5 正暖启动过程参数变化曲线

图6 背压倒暖启动过程参数变化曲线

2.3 仿真结果

2.3.1 冷态正暖

1）温度场。

按照该转子的实际约束及启动曲线，分别添加热边界条件以及力学边界条件，模拟汽轮机转子启动过程的温度场，分别如图7和图8所示，前者为刚开始启动时汽轮机的温度分布，而后者为机组稳定运行后转子的温度分布。由图7、8可以看出，随着启动的开始，各级叶片温度慢慢上升，由主汽门进入的过热蒸汽从调节级依次流经各级，所以第1级的温升最大，并且在流通的过程中温度逐级递减。

图7 正暖启动冲转前温度场

图8 正暖启动稳定运行时温度场

2）应力场。

将以上得到的温度场作为计算热应力的原始参数导入力学计算模块，便可得到转子启动过程的应力场。图9和图10分别为模拟出的冲转前以及稳定运行时转子的应力分布，可以看出，应力最大值的位置随着启动过程不断变化，启动开始时，速度较快的蒸汽立即与各级叶片接触，调节级叶片较厚，其余动力级叶片较薄，且前段蒸汽温度高，所以第一级动力级温升速度快，由此导致的热应力最大；随着汽轮机速度的提升，各级转子表面的换热系数增大，换热加快，应力的最大值出现在调节级前端的圆盘底部。由于应力最大点的寿命决定了整个机组的寿命，所以图11统计出了危险点应力变化。

图9 正暖启动冲转前应力场

图10 正暖启动稳定运行时应力场

图11 正暖启动中危险点应力变化

2.3.2 背压倒暖

1）温度场。

对于背压倒暖，冲转前和稳定运行时温度场分别如图12、13所示，可以看出0min倒暖结束，由于转动速度较低(5.48 r/min)，转子表面的放热系数不大，1.5h内转子温度升高至250℃左右，并且最大温度出现在第8级叶片。从0min开始停止倒暖，混合部分冷再的蒸汽从主汽阀进入，控制蒸汽温升在一定的范围内，不至于使转子因温升过高而引起较大的热应力。

图12 倒暖启动冲转前温度场

图13 倒暖启动稳定运行时温度场

2）应力场。

与正暖启动相同，最大应力发生的部位随时间而改变，背压倒暖结束时，最大应力位于第8级叶轮根部，如图14所示。新蒸汽开始冲转后，最大应力基本位于调节级叶片，从一开始的叶片顶端逐渐转移至叶轮进汽侧根部。一开始出现在叶片顶端是因为高温蒸汽刚接触叶片时，叶片温度变化较大，引起较大的热应力；随着蒸汽温度逐渐升高，调节级叶轮根部在热应力及离心力的作用下出现了较大的热应力，如图15所示。背压倒暖启动时叶轮根部危险点应力变化如图16所示。

图14 倒暖启动冲转前应力场

图15 倒暖启动稳定运行时应力场

图16 倒暖启动中危险点的应力变化

3 寿命评估计算

3.1 寿命计算公式

由Manson-Coffin原理可得汽轮机转子用钢在对称循环应力下的-公式[16-17]：

对30Cr2MoV钢在不同温度下的试验结果进行整理，拟合出这种钢的-公式，该公式有95.4%置信度：

而塑性应变和弹性应变组成了总的应变，应变–应力关系式如下：

机组一次启动或停机所引起的寿命损耗：

因此，求得启停运行中应力最大点发生位置的等效应力即可得出因汽轮机启停而导致的寿命损耗，而等效应力通常通过雨流法计算[15]。

3.2 冷态正暖

3.3 背压倒暖

表2对比了2种启动方式对转子寿命的影响。

表2 2种启动方式的比较

4 结论

对以冷态正暖和背压倒暖2种方式启动的机组进行了启动过程寿命损耗的计算，对比2种启动方式：

1）2种启动方式启动过程应力发生的幅值部位都是在调节级叶轮根部，而且发生的时间为汽轮机刚进入正常运行阶段，因为此时转速达到最大，叶轮根部的离心力最大，并且叶片与转轴之间的温差也达到最大，叶轮根部热应力也最大，综合应力达到最大；

2）背压倒暖启动较冷态正暖启动时间短，并且倒暖过程的寿命损耗小于冷态正暖启动的损耗，这是因为倒暖启动暖机均匀，能够有效地提高汽缸温度，加快启动速度，更容易控制各项参数，不至于使转子因温升过快而导致较大的热应力；

3）虽然背压倒暖启动速度快，寿命损耗小，但并不意味着倒暖启动方式比正暖启动方式好，因为倒暖启动系统复杂，对旁路配置要求高，需要较高的成本，并且倒暖对运行人员具有很高的操作控制要求；

4）机组选择合理的启动方式需要综合考虑诸多因素，如运行操作人员的素质、经济成本以及机组的安全，机组需根据自身实际情况选择最优的启动方案以减少寿命损耗，保证机组安全、经济运行。

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Project Supported Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2017XS050).

Study on Effect of Forward Warming and Backward Warming Start on Turbine Unit Lifetime

LI Guoqing1, CUI Chong2, HE Qing1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. Guodian Boiler and Pressure Vessel Inspection Center, Changping District, Beijing 102209, China)

The turbine rotor is one of the most fragile components of the power plant, whose life is equal to the life of the unit. The rotor is subjected to the maximum equivalent stress during the process of start-up or shutdown, so it is particularly important to grasp the life of the unit under different starting modes. A power plant was taken as an example to build three-dimensional model, mesh, and analyzed temperature field and stress field of the unit under theforward warming and backward warming ways, and the life of the unit was finally evaluated. The life loss of the unit under two starting modes was obtained and the advantages and disadvantages of the two starting modes were compared to provide reasonable suggestions for selecting suitable starting mode for different units.

turbine rotor; starting modes; simulation; life assessment

10.12096/j.2096-4528.pgt.18163

2019-01-04。

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017XS050)。

(责任编辑 杨阳)