第５７卷第１期 汽轮机技术 Ｖｏｌ＿５７ Ｎｏ．１ ２０１５年２月 ＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｆｅｂ．２０１５ ６００ＭＷ超超临界汽轮机转子热应力 在线监测模型的研究 孟召军，王光定，孟 帅 （沈阳工程学院，沈阳１１０１３６） 摘要：对超超临界６００ＭＷ机组调节级叶轮根部的温度场和应力场进行了数学解析建模，将得到的温度场和应力场 的解析求解结果与有限元结果进行了比对，解析解和有限元解的结果有很好的一致性，结果表明，本数学模型具有 较高的精度，为超超临界汽轮机转子热应力在线监测程序的开发提供了有益的参考。 关键词：超超临界；调节级；温度场；热应力；在线监测 分类号：ＴＫ２６３．８：ＴＨ１１３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—５８８４（２０１５）０１－００２３－０２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ｏｎ—ｌｉｎｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ６００ＭＷ Ｕｌｔｒａ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａ１ Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｒｏｔｏｒ ＭＥＮＧ Ｚｈａｏ－ｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｄｉｎｇ，ＭＥＮＧ Ｓｈｕａｉ （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｒｏｏｔ ｏｆ Ｕｈｒａ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ６００ＭＷ ｔｕｒｂｉｎｅ’Ｓ ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ’Ｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｗｈｉｃｈ ｗｅ ｈａｖｅ ｇｏｔ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｈｓ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｒｅ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｕｓｅｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｕｌｔｒａ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｔｅａｍ ｔｕｒｂｉｎｅ ｒｏｔｏｒ’Ｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ；ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 产生很大的热应力，导致疲劳裂纹首先在这些部位发生和发 Ｏ前言 展，直接影响机组的寿命。因此，对以上危险截面的热应力 进行监控，便可以有效地了解机组寿命的损耗情况，并按照 汽轮机组是以蒸汽为工质的原动机，在电力、冶金、钢 人们预期的要求实现寿命的计划管理，保证机组安全、经济、 铁、纺织、化工、船舶等领域具有广泛的用途。随着资源的紧 合理、稳定的运行 ｊ。 张，发展高参数特别是发展超超临界汽轮机是我们国家电力 为了延长机组的寿命，就必须对启停及负荷变化等过程 行业的发展趋势，大中型火电机组参与调峰为必然趋势…。 中的热应力进行在线监测和控制，在电子计算机广泛普及的 汽轮机在启停过程中，转子的外表面与中心孔之间存在 今天，利用微机在线监控转子的热应力，就能为机组的寿命 温差，同时在汽缸的内外壁之间也存在温差，因此转子与汽 管理提供有效手段和科学依据，这是因为从目前的技术条件 缸都要产生热应力。由于转子的径向厚度比汽缸厚度大得 看，直接测量高速转子内外表面的温差是十分困难的，只能 多，蒸汽对转子外表面的放热系数远大于对汽缸内壁的放热 按照传热学原理，建立数学模型，以蒸汽的汽温、汽压、放热 系数，此外，转子表面有许多应力集中区，因此，启停时转子 系数及金属材料物理特性为计算原始数据，利用微机进行转 内外径的温差和产生的热应力远远大于汽缸。加之大容量 子温差和热应力的跟踪计算 Ｊ。 汽轮机通常采用双层缸结构，减小了汽缸厚度，从而进一步 减小了启停时汽缸的热应力。因此，转子（而不是汽缸）热应 ｌ 调节级叶轮根部温度场和应力场数学模 力的大小限制了汽轮机的启停速度，转子的寿命损耗对汽轮 型的建立 机的寿命起着决定性的作用 Ｊ。通常，低周疲劳裂纹首先在 转子上的如下一些部位出现：前汽封的第一个弹性槽、调节 １．１温度场数学模型 级和中压第一级叶轮根部过渡段，以及向前轴封过渡区的轴 在计算汽轮机转子温度场时，可以假定其温度沿周向是 肩等处。这是因为这些部位处在高温区，几何形状突变，因 相同的，因此转子的温度分布仅是径向坐标ｒ、轴向坐标ｚ以 而存在着较严重的应力集中，在机组启停或工况激烈变化时 及时间７＿的函数，可以近似认为转子是一个均匀的轴对称、 收稿日期：２０１４－０５－２２ 基金项目：辽宁省教育厅项目（Ｌ２０１０３８２）。 作者简介：孟召军（１９７０一），男，辽宁凌源人，副教授，硕士生导师，研究方向：旋转机械状态监测与故障诊断及性能优化研究。 汽轮机技术 第５７卷 将改进前后的经济性进行对比，如图３和图４所示。 通过改变机组运行方式，提高调峰机组低负荷运行的经济 性。 （１）以全厂煤耗最低为目标，将全厂总负荷在各机组之 、 间进行优化分配，可以使调峰运行机组有效地降低燃料成 １ｉＩ｛Ｌ 本，则发电企业的生产成本将得到很大程度的下降。 校 （２）以汽轮机电功率与循环水泵消耗功率之间差值最大 杠 ９蓦 为优化目标，合理确定循环水泵的运行方式，实现循环水系 统的优化运行，确定凝汽器运行的最佳真空，可减少机组的 厂用电率和供电标准煤耗率。同时，依据优化目标，还可以 主蒸汽流量Ｇ／（ｋｅ，／ｓ） 综合考虑节水和节电因素，实现电厂综合收益最大。 （３）针对存在问题的６００ＭＷ机组，可以对汽轮机的配汽 图３ 两种控制方式下的调节级效率曲线 方式进行优化改进，提高调峰机组运行经济性。优化改进 时，以阀门组的流量一升程特性趋于线性以及机组不出现振 亭 动问题为目标，合理选择各个调节汽门的重叠度，减小节流 损失，提高汽轮机调节级的相对内效率。 锝 参考文献 牡 里 ［１］ 李勇，曹丽华．汽轮机热经济性诊断技术及应用［Ｍ］．北 京：科学出版社，２０１２． ［２］ 王海宁．大型燃煤机组深度调峰运行经济性安全性分析及负 主蒸汽流量Ｇ／（ｋｇ／ｓ） 荷优化分配［Ｄ］．华北电力大学，２０１２． ［３］ 韩彦广，黄来．６００ＭＷ超临界汽轮机调峰运行过程中高中 图４两种控制方式下的调节级内功率曲线 压转子疲劳寿命分析［Ｊ］．汽轮机技术，２０１２，５４（１）：５９—６３． 由图３和图４可以看出，随着主蒸汽流量的减小，喷嘴 ［４］周志平，范鑫，李明，等．超临界６００ＭＷ机组滑压运行参 配汽与混合配汽方式下的调节级相对内效率和内功率之差 数优化分析与试验［Ｊ］．热力发电，２０１１，４０（１Ｏ）：５Ｏ一５４． 逐渐增大，表明负荷越低，效益越明显。 ［５］ 范鑫，秦建明，付晨鹏，等．超Ｉ临界６００ＭＷ汽轮机滑压优化 运行的试验研究［Ｊ］．汽轮机技术，２０１１，５３（２）：１４３一Ｌ４４， ４结论 １５０． ［６］ 张志远．６６０ ＭＷ超临界汽轮机滑压运行方式的优化［Ｊ］．发 ６００ＭＷ机组参与调峰是必然趋势，电网低负荷期间，可 电设备，２０１ｌ，２５（２）：１０６—１０８． （上接第２４页） 一定的计算精度，能够达到快速控制的要求，满足工程实际 的需要，可直接用于汽轮机转子热应力的在线监测与控制。 （３）利用所建立的数学模型，对以热应力为检测指标的 监控软件编程开发，可实现对热应力的在线监测，达到启停 蒌 机的快速性，安全性和随负荷变化的灵活性的统一。对汽轮 Ｒ 机启停优化，延长机组的使用寿命具有一定的指导意义。 参考文献 ［１］ 张保衡．大容量火电机组寿命管理与调峰运行［Ｍ］．北京：利水 电出版社，２００１． ［２］ 李维特，黄保海，毕仲波．热应力理论分析及应用［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２００４． 图３ 有限元计算与解析计算结果的应力比较 ［３］ 支小牧，寇可新，曹向秋．汽轮机转子热应力在线监测、寿命管 １２ ２２０ｓ时应力出现最大值，最大热应力计算结果为２７０ＭＰａ。 理及优化启停的研究［Ｊ］．动力工程，２００１，２０（１）：５４３—５４７． ［４］ 刘彦丰，郝润田，高建强．两种常用换热系数计算公式的比较 ３结论 和应用［Ｊ］．汽轮机技术，２００７，４９（２）：９７—１０２． ［５］孟召军，王喜魁，卫运钢，等．基Ａｎｓｙｓ平台的汽轮机滑停转子 （１）热应力解析计算结果与有限元仿真结果有很好的一 热应力的研究［Ｊ］．沈阳工程学院学报，２００９，５（２）：１１８—１２１． 致性，为机组转子热应力在线监测提供了理论依据。 ［６］ 张恒良，谢诞梅，熊杨恒，等．６００ＭＷ汽轮机转子高精度热应 （２）本文所建立的转子温度场、应力场的计算模型具有 力在线监测模型研制［Ｊ］．中国电机工程学报，２００６，２６（１）：２１ —２５
