660 MW反动式汽轮机负荷变化率优化分析.pdf

收稿日期：2023-03-18作者简介：孟召军（1970-），男，辽宁凌源人，教授，硕士生导师，硕士，主要从事旋转机械状态监测与故障诊断及性能优化方面的研究。660 MW反动式汽轮机负荷变化率优化分析孟召军a，艾涔a，孟书宇b，梁策a，杨子健a，张淏a（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.自动化学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：为优化反动式汽轮机的负荷变化能力，将机组的负荷变化率由运行规程规定的 3.3MW/min 和 6.6 MW/min 分别提升至 4.4 MW/min 和 9.9 MW/min，利用有限元软件，建立了某660 MW反动式汽轮机的高压转子的二维模型，对其负荷变化率优化前后转子的应力水平进行了有限元仿真分析。分析结果表明：负荷变化率优化后显著缩短了机组调峰所需时间；该机组在负荷变化时，高压转子的第5级叶根槽调端侧圆角处的应力值较大，负荷变化率优化后，该位置的最大应力由243.13 MPa提高至340.27 MPa，应力水平虽然升高，但仍低于材料的屈服极限，不影响运行安全，验证了负荷变化率优化的可行性。关键词：反动式汽轮机；负荷变化率；变工况运行；合成应力；有限元中图分类号：TK267文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0029-05DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.006第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）为实现我国“碳达峰、碳中和”的重大国家战略，燃煤机组在电力系统中的定位由“电量型电源”向“调节型电源”进行转变，燃煤机组将从带基荷运行转变为变工况调峰运行。由于变工况运行偏离设计工况导致蒸汽参数剧烈变化，汽轮机转子内部产生较大的温度梯度，进而产生大变形和热应力，造成较大的低周疲劳和寿命损耗1，影响了机组的安全运行。对于整台汽轮机而言，高压转子在高温高压的环境中工作，其寿命往往代表整台机组的使用寿命，按照材料力学理论由交变热应力造成的低周疲劳损失是造成转子寿命损耗的主要原因2。目前，尚无法直接测量汽轮机转子的热应力，只能通过理论分析模拟计算其温度场和应力场。国内大多数文献对汽轮机转子的热应力研究主要集中在冲动汽轮机轮式转子启停过程的应力变化，提出了一些优化措施3-6。在实际运行中机组大都是通过规程规定的负荷变动率来进行调峰，在保障运行安全的前提下，对不同负荷变动率情况下转子应力的分布情况的研究较少。为此，本文应用有限元方法对某电厂660 MW反动式机组的不同负荷变化率对转子的应力影响进行研究。该汽轮机为超超临界压力、一次中间再热、四缸四排汽的单轴抽汽凝汽式汽轮机，机组型号为C660/547-27/0.5/600/600，无调节级。该汽轮机的高压转子材料为 14Cr10NiMoWVNbN，材料的物性参数列于表1中，其屈服强度为583 MPa。表1高压转子材料特性参数20100207.7204.20.2850.2877 8247 80310.311.123.124.6457494温度/杨氏模量泊松比密度热胀系数热导率比热第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）200300400500600197.5189.3183.5170.2135.70.2900.2940.2990.3050.3117 7757 7467 7177 6877 67211.611.912.112.312.525.826.627.328.430.0522553602681796温度/杨氏模量泊松比密度热胀系数热导率比热依据电厂的运行操作规程，在机组负荷为660 MW495 MW期间，采用定压运行，负荷变化率值为3.3 MW/min；在机组负荷为495 MW264 MW期间，采用滑压运行，负荷变化率值为6.6 MW/min。在实际运行过程中，规程规定的负荷变化率值制约了机组的快速调节能力，容易导致电厂被电网考核。基于此现状，本文对该汽轮机负荷变化率的优化进行研究。1转子有限元模型1.1转子模型建立以哈尔滨汽轮机厂提供的 C660/547-27/0.5/600/600型汽轮机主机说明书为依据。高压转子的三维几何模型如图1所示，在调端和电端分别固定了1#和2#支撑轴承，在2#轴承右端还安装了推力轴承。图1高压转子三维模型在建立模型时采取必要的化简：略去动叶及叶根，以等效的载荷模拟离心力作用，叶根槽作为重点考核部位予以保留，联轴器等位置进行适当化简，将汽封结构简化为直线，在表面施加对应的换热系数。考虑到汽轮机高压转子的结构是轴对称旋转体，其温度与应力分布在任何过中心线的截面上都是轴对称的，所以将三维的转子模型简化为二维模型，再进行分析。转子的二维模型如图 2所示。2 000 mm隔离体01 0001 500500图2高压转子的二维模型依据实际运行时的经验，在机组变工况运行的过程中，高压转子的前5级处在温度较高的位置，其热应力值较大，选取此位置作为隔离体，建立该部分的二维轴对称模型。对隔离体采用自动划分网格方法，在叶根槽部位对网格进行加密。最终，确定网格数为3 272，节点数为3 060。划分完网格后的模型如图3所示。图3高压转子隔离体模型1.2初始条件及边界条件的处理根据该汽轮机厂提供的热力平衡图、机组的运行说明书、操作规程等相关资料，汽轮机转子各部位的初始蒸汽压力、温度等初始条件如表 2所示。表2初始条件功率/MW主蒸汽压力/MPa主蒸汽温度/高压缸排汽压力/MPa660276005.56495276004.1426410.6360010.63参数100%THA 75%THA 40%THA表1（续）30第 3 期孟召军，等：660 MW反动式汽轮机负荷变化率优化分析高压缸排汽温度/再热蒸汽压力/MPa再热蒸汽温度/主蒸汽进汽量/（th-1）再热蒸汽进汽量/（th-1）中压缸排汽压力/MPa351.35.176001 836.51 478.50.46357.13.856001 324.71 095.30.35367.32.1600689.4593.20.19参数100%THA 75%THA 40%THA设转子表面的对流换热为第三类边界条件，引用哈汽-南工换热系数公式7，倒T型叶根槽处采用文献 8 中的换热系数公式进行计算。在隔离体的右端面施加位移约束条件。设原规程规定的负荷变化率运行方案为方案A（机组负荷在660 MW495 MW范围内的负荷变化率为 3.3 MW/min，机组负荷在 495 MW264MW范围内的负荷变化率为6.6 MW/min）；设增加负荷变化率的优化运行方案为方案B（机组负荷在660 MW495 MW 范 围 内 的 负 荷 变 化 率 为 4.4MW/min，机组负荷在495 MW264 MW范围内的负荷变化率为9.9 MW/min）。方案A与方案B的负荷变化率如表3所示。表3负荷变化率方案MW/min名称方案A方案B660 MW495 MW的负荷变化率3.34.4495 MW264 MW的负荷变化率6.69.9方案A和方案B进行同样的降负荷过程。通过计算可知：方案A以3.3 MW/min的负荷变化率从 660 MW降至 495 MW用时 50 min，以 6.6 MW/min 的负荷变化率从 495 MW 降至 264 MW 用时35 min；方案 B 以 4.4 MW/min 的负荷变化率从660 MW降至495 MW用时37.5 min，以9.9 MW/min的负荷变化率从495MW降至264MW用时23.3min。由此可得不同负荷变化率下的负荷变化曲线如图4所示。图4不同负荷变化率下的负荷变化曲线2有限元计算与分析2.1方案A的有限元分析以汽轮机转子隔离体模型在 100%额定负荷下运行的稳态温度场作为初始条件，计算从 660MW下降到495 MW中瞬态温度场的变化情况，进而计算该瞬态过程中隔离体的应力场分布情况。图5为完成变工况时的合成应力云图。图5采用方案A，机组负荷从660 MW降至495 MW的合成应力计算从 495 MW 降低至 264 MW 过程中瞬态温度场和应力场的变化情况。图6为完成变工况时的合成应力云图。图6采用方案A，机组负荷从495 MW降至264 MW的合成应力由图5和图6可知：采用方案A，在机组负荷从表2（续）31第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）660 MW降低至495 MW的过程中，高压转子的合成应力主要集中在叶根槽部位，第5级叶根槽调端侧圆角处是应力值的最大点，最大合成应力值为192.13 MPa；在机组负荷从495 MW降低至264 MW的过程中，转子最大合成应力值为243.13 MPa。2.2方案B的有限元分析按照方案B设定的负荷变化率进行同样的降负荷过程。机组负荷从 660 MW 下降到 495 MW的结果如图 7 所示，机组负荷从 495 MW 下降到264 MW的结果如图8所示。图7采用方案B，机组负荷从660 MW降至495 MW的合成应力图8采用方案B，机组负荷从495 MW降至264 MW的合成应力由图7和图8可知：采用方案B，在机组负荷从660 MW下降至495 MW的过程中，合成应力的最大值为212.77 MPa；在机组负荷从495 MW下降至264 MW的过程中，合成应力的位置不变，最大值为340.27 MPa，未超过材料的强度极限（583 MPa）。在机组负荷从 660 MW 下降至 495 MW 的过程中，方案 B的合成应力较方案 A增大 10.7%；在机组负荷从495 MW下降至264 MW过程中，方案B的合成应力较方案A增大39%。由此可见，随着负荷变化率的提升，汽轮机完成调峰运行的时间缩短，转子表面与蒸汽的对流换热加剧，致使转子隔离体内的温度分布不均，造成了转子所受的热应力不断增大。3结论1）采用方案A，在机组负荷下降的过程中，合成应力的最大值出现在反动式高压转子第5级叶根槽调端侧圆角处，最大值为243.13 MPa，在调峰运行中需要对该部位重点监测并在揭缸维修时仔细检查。2）采用方案B，在机组负荷下降的过程中，当负荷变化率为4.4 MW/min时，转子的合成应力值增大10.7%；当负荷变化率为9.9 MW/min时，转子的合成应力值增大 39%。合成应力的最大值为340.27 MPa，位置不变。采用方案B进行调峰运行时，合成应力的最大值仍小于材料的强度极限，负荷变化率仍有一定的提高空间，验证了方案B对负荷变化率的优化的可行性。3）方案B与方案A相比，完成同样的分阶段降负荷过程的用时分别减少27%和33.4%，可有效缩短调峰运行所需时间，提升机组负荷的适应能力。参考文献1孙奉仲.大型汽轮机运行 M.北京：中国电力出版社，2013.2史进渊，杨宇，邓志成，等.汽轮机零部件强度有限元分析的设计判据 J.热力透平，2011，40（1）：22-27.3 孟召军，李赛，王光定.600 MW超超临界汽轮机转子热应力有限元分析 J.汽轮机技术，2016，58（3）：172-174.4王家鋆.660 MW汽轮机高中压模块灵活性调峰能力提升研究 D.上海：上海发电设备成套设计研究院，2020.5 赵乃龙，王炜哲，刘应征.主蒸汽温度和压力波动对汽轮机转子蠕变疲劳损伤的影响 J.上海交通大学学报，2019，53（2）：127-133.6 洪辉.灵活运行工况下汽轮机转子结构强度与损伤分析 D.上海：上海交通大学，2020.7 刘彦丰，郝润田，高建强.两种常用换热系数计算公式的比较和应用 J.汽轮机技术，2007，49（2）：97-98.8 史进渊，邓志成，杨宇.超临界和超超临界汽轮机转子叶根槽传热系数的计算 J.动力工程学报，2010，30（7）：478-484.32Optimum Analysis of Load Variation Rateof 660 MW Reaction Steam TurbineMeng Zhaojuna，AI Cena，Meng Shuyub，Liang Cea，Yang Zijiana，Zhang Haoa（a.College of Energy and Power;b.College of Automation,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province）Abstract：In order to increase the load change rate of the unit from 3.3 MW/min and 6.6 MW/min specifiedin the operating regulations to 4.4 MW/min and 9.9 MW/min respectively to optimize the load changecapacity of the reaction steam turbine,a two-dimensional model of the high-pressure rotor of a 660 MWreaction steam turbine is established and the stress level of rotor before and after load change rate optimizationis simulated by finite element method.The analysis results show that the time required for peak regulation ofthe unit is significantly shortened after the load variation ratio.While the load of the unit changes,the stressvalue at the rounded corner of the fifth-stage blade root groove of the high-pressure rotor of the unit isrelatively large.After the optimization of the variation rate,the maximum stress at this position increases from243.13 MPa to 340.27 MPa.Although the stress level increases,but it is still lower than the yield limit of thematerial,and does not affect the safety of operation,which verifies the feasibility of optimizing the loadvariation rate.Keywords：Reaction steam turbine;Load change rate;Variable operating conditions;Synthetic stress;Finiteelement第 3 期孟召军，等：660 MW反动式汽轮机负荷变化率优化分析Numerical Simulation Study on Thermal Stress of Membrane WallBased on Thermal-Fluid-Structural Coupling AnalysisZHANG Jin1,ZHAO Xu1,WANG Xuwen2（1.Huaneng Group Dandong Power Plant,Liaoning Branch,China Huaneng Group Co.,Ltd.,Donggang 118300,Liaoning Province;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,Guangxi Zhuang Autonomous Region）Abstract：Significant thermal stresses are led between the water wall tubes,between the water wall tubes andthe fins,and between the fire side and the back fire side of the water wall because of the heat transfer betweenthe flue gas and the saturated water in the water wall of the boiler.In this article,numerical simulation is used toobtain the temperature and stress distribution of the tube screen of the vertical membrane water-cooled wallunder high furnace temperature,and it is concluded that the magnitude and distribution of the thermal stress onthe water-cooled wall are determined by the pressure inside the water-cooled wall pipe and the water-cooledwall temperature.Meanwhile,the reason for the tearing between the water-cooled wall pipe and the fin is due tothe alternating changes in the boilers short-term thermal load.The calculation results provide guidance forimproving the design and reasonable modification of tearing accidents under the condition of thermal stress-induced failure of the water-cooled wall.Keywords：Membrane wall,Thermal stress,Numerical simulation,Thermal fluid coupling analysis,Horizontal tunnel（上接第28页）33