大型汽轮机运行特性.ppt

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1、大型汽轮机运行特性第一页，共166页。汽轮机的调峰运行与汽轮机热应力和寿命管理汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题汽轮机几种典型运行事故与运行特性相关的汽轮机几个典型系统及运行管理 汽轮机采用的提高经济性的先进技术汽轮机组状态的监测和故障诊断第二页，共166页。 作 者：张保衡 出 版 社：水利电力出版社出版时间：1988-10第三页，共166页。作者：作者： 付忠广付忠广出版社：中国电力出版社出版社：中国电力出版社 出版日期：出版日期：2007-7-4第四页，共166页。第五页，共166页。负荷低谷负荷低谷-电力系统电力系统日最小日最小负荷负荷负荷尖峰负荷尖峰-电力系统日电力系统日尖峰负尖峰

2、负荷或最大负荷荷或最大负荷最小负荷以下的负荷称为最小负荷以下的负荷称为电力系统电力系统基本负荷（简称：基本负荷（简称：基荷）基荷）电力系统最大负荷与最小电力系统最大负荷与最小负荷之差称为电力系统负负荷之差称为电力系统负荷峰谷差荷峰谷差 （ difference between peak and valley load of electric power system ）第六页，共166页。 电力系统调峰电力系统调峰 (peak load following of (peak load following of electric power system) (electric power sys

3、tem) (或称：电网调峰或称：电网调峰) )： 为为满足电力系统日尖峰负荷需要，对发电机组出力满足电力系统日尖峰负荷需要，对发电机组出力所进行的调整。所进行的调整。第七页，共166页。 发达国家电力系统负荷峰谷差约为发达国家电力系统负荷峰谷差约为5050，中等发达国，中等发达国家约为家约为4040，第三世界国家约为，第三世界国家约为3030。第八页，共166页。 电力需求结构发生了较大变化，导致电力系统负荷电力需求结构发生了较大变化，导致电力系统负荷峰谷差增大峰谷差增大 我国电力系统的问题主要表现为：我国电力系统的问题主要表现为： 电力系统峰谷差持续增大电力系统峰谷差持续增大 最大负荷增长的

4、波动性加大最大负荷增长的波动性加大 电网调峰困难电网调峰困难第九页，共166页。第十页，共166页。北京地区整体用电负荷非常大，至北京地区整体用电负荷非常大，至20152015年最高峰接近年最高峰接近2300270023002700万千瓦；万千瓦；峰谷差接近峰谷差接近50%50%，目前约，目前约500700500700万千瓦，至万千瓦，至20152015年约年约1000130010001300万千瓦；万千瓦；峰谷差相当于北京市内发电厂的总装机容量；峰谷差相当于北京市内发电厂的总装机容量；负荷低谷发生在凌晨负荷低谷发生在凌晨4 4点左右，午高峰发生在中午点左右，午高峰发生在中午1111点左右，仅

5、点左右，仅差差7 7小时；要求机组具备快速升降负荷能力；小时；要求机组具备快速升降负荷能力；热电联产机组，采暖季电力调峰压力更大；热电联产机组，采暖季电力调峰压力更大；北京地区有大量重要负荷，负荷高峰期不能拉闸限电北京地区有大量重要负荷，负荷高峰期不能拉闸限电第十一页，共166页。 第二产业用电比重减小第二产业用电比重减小 第三产业和居民生活用电比重相应提高第三产业和居民生活用电比重相应提高电网高峰负荷中，空调负荷大约占电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%50%30%50%，在经济发达地，在经济发达地区，这个数字较高区，这个数字较高 工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）和传统行工业内部高耗

6、电行业（冶金、化工、建材等）和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，低电耗、高附加值业（纺织、煤炭等）用电比重减小，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高产业的用电比重相应提高第十二页，共166页。 常规水电机组调峰常规水电机组调峰 抽水蓄能调峰机组抽水蓄能调峰机组 燃气轮机机组调峰燃气轮机机组调峰 火电机组调峰火电机组调峰 其他新形式调峰电源和手段其他新形式调峰电源和手段 如：压缩空气储能、飞轮储能、智能电网（如阶梯如：压缩空气储能、飞轮储能、智能电网（如阶梯电价、电动汽车等）、需求侧管理、电价、电动汽车等）、需求侧管理、 第十三页，共166页。第十四页，共166页。 我国水电的总体调峰容量

7、十分有限我国水电的总体调峰容量十分有限 主要是水电站季节贫水欠发时间长，有很多是径流式，主要是水电站季节贫水欠发时间长，有很多是径流式，汛期库容小，不宜弃水调峰；汛期库容小，不宜弃水调峰； 水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用，充分兼顾水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用，充分兼顾防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。 第十五页，共166页。 部分经济比较发达的东部地区（如山东等），部分经济比较发达的东部地区（如山东等），受水力资源限制，基本没有可供经济开发的水受水

8、力资源限制，基本没有可供经济开发的水电站站址电站站址 抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能好的抽水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能电站一般建设周期长电站一般建设周期长 第十六页，共166页。 受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰的燃气轮机发电用于调峰 。第十七页，共166页。 电网结构不合理，受区域电网潮流及负荷联络电网结构不合理，受区域电网潮流及负荷联络线稳定极限的制约，导致电网局部地区负荷分线稳定极限的制约，导致电网局部地区负

9、荷分配不合理，造成局部配不合理，造成局部“窝电窝电”、“欠电欠电”现象，现象，被迫加大电网调峰的现象普遍发生。被迫加大电网调峰的现象普遍发生。 第十八页，共166页。 电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有相应的火电调峰电站相应的火电调峰电站 供热机组多数是以热定电，调峰能力差，大批供热机组多数是以热定电，调峰能力差，大批200MW200MW及以下凝汽机组退役。及以下凝汽机组退役。第十九页，共166页。 电网中很多大机组都参与了调峰，但调峰能力不足依电网中很多大机组都参与了调峰，但调峰能力不足依然是电网运行的主要矛盾。然是电网运行的主要矛盾。第二十

10、页，共166页。 启、停频繁启、停频繁 负荷变动范围大负荷变动范围大 对外界负荷变化的响应迅速对外界负荷变化的响应迅速第二十一页，共166页。什么是电力系统负荷峰谷差（什么是电力系统负荷峰谷差（difference between difference between peak and valley load of electric power systempeak and valley load of electric power system）？什么叫电力系统调峰？什么叫电力系统调峰？试分析电力系统负荷峰谷差增大的原因有哪些？试分析电力系统负荷峰谷差增大的原因有哪些？ 分析电力系统不同调峰

11、手段的特点。分析电力系统不同调峰手段的特点。试分析不同类型的电厂适合承担的电力系统负荷是什么试分析不同类型的电厂适合承担的电力系统负荷是什么？试分析制约我国电网调峰的主要因素有哪些？试分析制约我国电网调峰的主要因素有哪些？试分析电力系统调峰对机组运行提出的要求。试分析电力系统调峰对机组运行提出的要求。第二十二页，共166页。 影响机组运行机动性、灵活性的因素影响机组运行机动性、灵活性的因素很多。这里重点关注：很多。这里重点关注：影响汽轮机、锅炉运行机动性、灵活性的有影响汽轮机、锅炉运行机动性、灵活性的有关因素关因素第二十三页，共166页。 研究发现：汽轮机转子上的局部结构不同研究发现：汽轮机转

12、子上的局部结构不同导致机组不同的运行特性。导致机组不同的运行特性。第二十四页，共166页。第二十五页，共166页。日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶轮区域附近转子表面形日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶轮区域附近转子表面形状的改进工作。通过采取特殊的结构措施，大大提高了汽轮机的状的改进工作。通过采取特殊的结构措施，大大提高了汽轮机的机动性。机动性。第二十六页，共166页。 如对某厂运行的如对某厂运行的100MW100MW机组进行的分析表明：该型汽机组进行的分析表明：该型汽轮机不宜作两班制调峰运行。若一定要参与调峰运行，轮机不宜作两班制调峰运行。若一定要参与调峰运行，建议车大弹性槽圆角半径和

13、隔板汽封进出汽处过渡圆建议车大弹性槽圆角半径和隔板汽封进出汽处过渡圆角半径。角半径。第二十七页，共166页。u一是一是机组轴系的振动过大（动态应力大）机组轴系的振动过大（动态应力大）u二是二是机组汽轮机部件受静态力过大（包括：离心力、机组汽轮机部件受静态力过大（包括：离心力、扭转剪切力和扭转剪切力和热应力热应力）。）。 第二十八页，共166页。第二十九页，共166页。机组振动过大，往往是一系列不安全运行因素的直接或间接后果机组振动过大，往往是一系列不安全运行因素的直接或间接后果汽轮发电机组的振动有一系列的监测分析手段，可以防止振动对机组本体造成损伤。汽轮发电机组的振动有一系列的监测分析手段，可

14、以防止振动对机组本体造成损伤。离心力、扭转剪切力可通过转速限制与负荷限制保护机组的安全。离心力、扭转剪切力可通过转速限制与负荷限制保护机组的安全。热应力是可能对机组造成严重损伤的另一主要因素，其后果是导致机热应力是可能对机组造成严重损伤的另一主要因素，其后果是导致机组本体发生严重的变形和断裂（或裂纹），严重的可使机组本体报废组本体发生严重的变形和断裂（或裂纹），严重的可使机组本体报废或产生严重的毁机事故。或产生严重的毁机事故。问题：问题：目前对汽轮机转子的热应力缺少有效的监测与保护目前对汽轮机转子的热应力缺少有效的监测与保护。 第三十页，共166页。 4 4台台50MW50MW机组，机组，80

15、80年代初组投运年代初组投运 19921992年开始启停调峰运行，最多时年开始启停调峰运行，最多时 100100多次多次/ /年年 1998-19991998-1999年发现汽缸裂纹年发现汽缸裂纹 20002000年发现转子裂纹，年发现转子裂纹，最深一条最深一条7mm7mm裂纹裂纹02040608010012019811982198319841985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000次/ 年某地区汽缸、转子出现裂纹情况统计某地区汽缸、转子出现裂纹情况统计第三十一页，共166页。 20002000年年8 8月月

16、3131日，某机主蒸汽母管联络门阀体焊缝热影日，某机主蒸汽母管联络门阀体焊缝热影响区一侧主蒸汽管爆断。累计运行响区一侧主蒸汽管爆断。累计运行126,691126,691小时，启停小时，启停738738次。次。 断口分析：断口分析：低周疲劳裂纹低周疲劳裂纹原因分析：原因分析：联络门不严、联络管积冷水、定参数停机、联络门不严、联络管积冷水、定参数停机、阀体和短管表面剧烈冷冲击阀体和短管表面剧烈冷冲击第三十二页，共166页。 热应力是隐藏的威胁热应力是隐藏的威胁，对汽轮机转子的热应力若无，对汽轮机转子的热应力若无有效的监测，运行人员将无法得知现在运行过程热有效的监测，运行人员将无法得知现在运行过程热

17、应力的大小。应力的大小。 目前国内大部分电厂的汽轮机组未装备热应力目前国内大部分电厂的汽轮机组未装备热应力在线监测系统，机组启动或停机过程中运行人在线监测系统，机组启动或停机过程中运行人员无法得知转子热应力的大小。员无法得知转子热应力的大小。第三十三页，共166页。 热应力值小，意味着主蒸汽温变率小，启动（或热应力值小，意味着主蒸汽温变率小，启动（或停机）时间较长，造成不必要的经济损失（燃油停机）时间较长，造成不必要的经济损失（燃油增大运行成本）；而应力值过大，则对机组造成增大运行成本）；而应力值过大，则对机组造成不安全因素。不安全因素。第三十四页，共166页。第三十五页，共166页。 可供燃

18、煤机组选择的调峰方式可供燃煤机组选择的调峰方式 低负荷运行方式低负荷运行方式 两班制运行或周末停机运行方式两班制运行或周末停机运行方式 低速旋转热备用调峰方式低速旋转热备用调峰方式 强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的安全性、强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的安全性、经济性与可靠运行经济性与可靠运行第三十六页，共166页。机组白天基本满负荷运行，深夜负荷低谷时降低负荷运行，是机组白天基本满负荷运行，深夜负荷低谷时降低负荷运行，是带基本负荷机组参与调峰的主要运行方式之一。带基本负荷机组参与调峰的主要运行方式之一。 有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷运行方式，发电机转为有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷

19、运行方式，发电机转为电动机方式运行，带无功负荷，故也称为调相运行。电动机方式运行，带无功负荷，故也称为调相运行。要求：要求： 机组具有负荷快速变化（机组具有负荷快速变化（510%/510%/分钟）的适应能力分钟）的适应能力 低负荷运行稳定性好（特别是锅炉的低负荷稳定性），并能保持较高低负荷运行稳定性好（特别是锅炉的低负荷稳定性），并能保持较高的热效率的热效率第三十七页，共166页。机组白天基本满负荷运行，夜间低谷时停运机组白天基本满负荷运行，夜间低谷时停运810小时，清晨热态启动，小时，清晨热态启动，周末停运。周末停运。 优点：机组调负荷幅度大，特别是在低谷时间较长时经济性好。优点：机组调负荷

20、幅度大，特别是在低谷时间较长时经济性好。缺点：启停操作频繁，对设备的健康状况影响比较大，发生故障的可能性增加，有时会影响缺点：启停操作频繁，对设备的健康状况影响比较大，发生故障的可能性增加，有时会影响正常的调峰。正常的调峰。应具备三个条件应具备三个条件 机组启停损失小，停运比低负荷运行经济机组启停损失小，停运比低负荷运行经济机组启停迅速，能在机组启停迅速，能在8 8小时内顺利启动小时内顺利启动 机组具有一定自动化程度，运行人员操作工作量不过于繁重机组具有一定自动化程度，运行人员操作工作量不过于繁重第三十八页，共166页。 电网负荷一般在周末比较低，为此要求机组电网负荷一般在周末比较低，为此要求

21、机组周末停运，周一启动。周末停运，周一启动。 这类机组应具备较好的启动特性和较高的运行经济这类机组应具备较好的启动特性和较高的运行经济性。性。第三十九页，共166页。指电网低谷时机组与电网解列后，用蒸汽推动汽轮发电机组低速指电网低谷时机组与电网解列后，用蒸汽推动汽轮发电机组低速旋转，而处于热备用状态。旋转，而处于热备用状态。 优点：机组在下次启动升速时，金属处于较高的温度水平（与极热态优点：机组在下次启动升速时，金属处于较高的温度水平（与极热态启动相当），以加快升速和带负荷的速度。启动时的运行操作比两班启动相当），以加快升速和带负荷的速度。启动时的运行操作比两班制启停方式调峰要简单得多。制启停

22、方式调峰要简单得多。 缺点：这种方式调峰需要引入低压蒸汽，保持在低速运转时缺点：这种方式调峰需要引入低压蒸汽，保持在低速运转时转速稳定。转速稳定。第四十页，共166页。 机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差 锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差 一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行难实现两班制运行 调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水调峰手段应多样化。如：建抽水蓄能机组，水电厂再开发，燃气轮机，压缩空气储能等。电厂再开发，燃气轮机，压缩空气

23、储能等。第四十一页，共166页。 优点：系统故障时，可加快恢复电网供电，进一步优点：系统故障时，可加快恢复电网供电，进一步提高厂用电源的可靠性，保证重要地区符合的需要。提高厂用电源的可靠性，保证重要地区符合的需要。 缺点：对机组是一种恶劣工况，会影响机组的寿缺点：对机组是一种恶劣工况，会影响机组的寿命。因此，应尽可能缩短运行时间，一般推荐带命。因此，应尽可能缩短运行时间，一般推荐带负荷运行时间为负荷运行时间为1020min1020min。第四十二页，共166页。第四十三页，共166页。热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。 当物体的温度不均匀时，即使没

24、有外界约束，也将产生当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，也将产生热应力。热应力。 热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：热应力的数值可以用简单的虎克定律表达： tE第四十四页，共166页。燃煤火电机组参加电力系统调峰的方式有哪些？燃煤火电机组参加电力系统调峰的方式有哪些？夜间低负荷运行调峰方式的特点是什么？夜间低负荷运行调峰方式的特点是什么？两班制运行调峰方式的特点是什么？两班制运行调峰方式的特点是什么？低速旋转热备用调峰方式低速旋转热备用调峰方式 的特点是什么？的特点是什么？机组带厂用电运行的优缺点是什么？机组带厂用电运行的优缺点是什么？热应力是如何产生的？热应力是如何产生的？第四十五页

25、，共166页。 转子热应力的特点转子热应力的特点 温度场模型温度场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 应力场模型应力场模型转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第四十六页，共166页。直接求取转子热应力很困难直接求取转子热应力很困难 由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手由于汽轮机是高速旋转的部件，目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手段，需要通过理论计算来解决。段，需要通过理论计算来解决。有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针同样是有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这

26、种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内外通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子内外壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。 第四十七页，共166页。通过模拟原理建立一个数学模型，使通过模拟原理建立一个数学模型，使棒体各部的温度能够模拟转子的径向棒体各部的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。温度及其差值。这种设备形似直接探测，实这种设备形似直接探测，实际上是通过传热学模型来建际上是通过传热学模型来建立模拟关系。立模拟关系。第四十八页，共166页。求解温度场及应力场，通常有两种方法：求解温度场及应

27、力场，通常有两种方法：一种是解析法，将转子视为无限长的圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温一种是解析法，将转子视为无限长的圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。度分布，再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。另一种理论算法是数值解法，它将转子考虑为轴对称二维计算模型，避免了一维模型简化时造成的误另一种理论算法是数值解法，它将转子考虑为轴对称二维计算模型，避免了一维模型简化时造成的误差，用来比较精确的计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题。差，用来比较精确的计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题

28、。 mthRRbmnnnnnFTEtrdrRRTJBRrJeaRBBRraRttbn12)()()/(2214002220102220020202200第四十九页，共166页。 转子热应力的特点转子热应力的特点 温度场模型温度场模型 应力场模型应力场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第五十页，共166页。计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、各向同性且无内热源计算汽轮机转子不稳定温度场时，可以认为转子是一个均匀、各向同性且无内热源的物体，属于解轴对称非定常温度函数的

29、问题，温度的物体，属于解轴对称非定常温度函数的问题，温度t(z ,r,)t(z ,r,)在区域中应满足下列在区域中应满足下列偏微分方程式：偏微分方程式： 确定上面微分方程的解，除了需要满足初始条件确定上面微分方程的解，除了需要满足初始条件 t=t=(z, r) (z, r) 外，在物体边界条件上还外，在物体边界条件上还应满足一定的边界条件，这里属于传热学中的第三类边界条件，即边界与介质的应满足一定的边界条件，这里属于传热学中的第三类边界条件，即边界与介质的热交换条件为已知：热交换条件为已知： 当放热系数当放热系数为零为零时，上式化为绝热边界条件。时，上式化为绝热边界条件。 )1(2222rtr

30、rtztCtPfttnt|第五十一页，共166页。由变分原理，不稳定导热偏微分方程的第三类边界条件问题，可等价地转换由变分原理，不稳定导热偏微分方程的第三类边界条件问题，可等价地转换为下列泛函为下列泛函 的极值问题，即的极值问题，即 在求泛函数极值的基础上，对区域在求泛函数极值的基础上，对区域D D进行离散化，在每个单元上，泛函式是成立的，进行离散化，在每个单元上，泛函式是成立的，由于整个区域由于整个区域 D D 是全部单元的总和是全部单元的总和rdstttdrdzttrCrtztrztJfpn)2()()(2),(2220),(trztJ011EekekEeetJtJ),.,2 , 1(nk

31、 第五十二页，共166页。对于边界单元：对于边界单元： 对于内部单元：对于内部单元： 设温度在单元体中呈线性分布，对单元作变分计算，可得：设温度在单元体中呈线性分布，对单元作变分计算，可得：rdstttdrdzttrCrtztJjmfpee22222drdzttrCrtztJpee222mjimmmjmijmjijiimijiimjimmmjmijmjijiimijiiemejeiTTTnnnnnnnnnpppkkkkkkkkkJJJ第五十三页，共166页。 通过公式推导，可得到通过公式推导，可得到n n阶线性代数方程组以求解阶线性代数方程组以求解n n个节点的温度，选用伽辽金格式，其形式为：

32、个节点的温度，选用伽辽金格式，其形式为： 上式稳定且不振荡的条件是：上式稳定且不振荡的条件是： tKNPtNK3332 03KN第五十四页，共166页。在计算温度场的时候，中心孔边界作为作为绝热边界条件处理在计算温度场的时候，中心孔边界作为作为绝热边界条件处理轴的外表面可视为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件轴的外表面可视为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件当换热系数较大时，介质温度的变化对转子温度场的影响很大。当换热系数较大时，介质温度的变化对转子温度场的影响很大。 汽轮机调节级汽室温度是影响机组热应力的关键参数。汽轮机调节级汽室温度是影响机组热应力的关键参数。蒸汽温度变化率是运行中

33、应重点监控的参数蒸汽温度变化率是运行中应重点监控的参数轴径部位，属于已知边界温度的第一类边界条件轴径部位，属于已知边界温度的第一类边界条件第五十五页，共166页。 转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识温度场模型温度场模型放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 应力场模型应力场模型 转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第五十六页，共166页。 汽封中的放热系数汽封中的放热系数 调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮两侧的放热系数 压力级叶轮两侧的放热系数压力级叶轮两侧的放热系数 光轴的放热系数光轴的放热系数 第五十七页，共16

34、6页。式中 蒸汽的导热率， kJ/(m.h) 汽封间隙，m; 汽封环境宽度，m; 漏汽面积， -漏汽量，kg/s; 蒸汽粘度,Pa.s 汽封漏汽量，t/h; 、 分别为其流入口及出口的压力 汽封入口的蒸汽比容， 汽封齿数58. 06 . 02298. 0sgAM2/1122122111/ln/1015.3122ppNppvpAMsAkgm /32mMM1p2p1vNkgm /3第五十八页，共166页。调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理，调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理，其两侧的放热系数为：其两侧的放热系数为： 8 . 02016 . 06 . 100267. 0rCr

35、rrp第五十九页，共166页。 当雷诺数当雷诺数 时时当雷诺数当雷诺数 时时 00505. 020104 . 26 . 0336. 0rzrr006520104 . 26 . 0104102tan3511160rzrr5102Re5102Re第六十页，共166页。式中， 光轴半径，m 35. 07 . 02001139. 0pCrr0r第六十一页，共166页。第六十二页，共166页。 转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识 温度场模型温度场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 应力场模型应力场模型 转子的应力场转子的应力场 应力重点监测

36、部位应力重点监测部位第六十三页，共166页。第六十四页，共166页。国产国产100MW100MW机组温态启动终了的温度场机组温态启动终了的温度场第六十五页，共166页。 第六十六页，共166页。660MW660MW超超临界机组按照冷态启动曲线，启动终了时刻汽轮机转子的超超临界机组按照冷态启动曲线，启动终了时刻汽轮机转子的温度场分布云图温度场分布云图 第六十七页，共166页。按照停机曲线停机终了时刻的温度场分布云图按照停机曲线停机终了时刻的温度场分布云图 第六十八页，共166页。 转子的热应力的特点转子的热应力的特点 温度场模型温度场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化

37、汽轮机启动时转子的温度变化 应力场模型应力场模型 转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第六十九页，共166页。 求解应力场的关键求解应力场的关键是解出在非稳态温度变化下，单元上各节点的位移，从而是解出在非稳态温度变化下，单元上各节点的位移，从而求得单元内的应变及应力，以热弹性理论为基础，单元各节点的位移可用矩阵表求得单元内的应变及应力，以热弹性理论为基础，单元各节点的位移可用矩阵表示为：示为： 单元内的位移为：单元内的位移为： 代入几何方程：代入几何方程： 单元内的应变为单元内的应变为 ：TmmjjiiTrmrjrieuuueeijmufNN IN I N I Trzzr

38、zurzrururemjieBBBB第七十页，共166页。有了应变之后，利用物理方程求得应力：有了应变之后，利用物理方程求得应力： 00.erzzrBDD第七十一页，共166页。 转子的热应力的基本知识转子的热应力的基本知识 温度场模型温度场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 应力场模型应力场模型转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第七十二页，共166页。某国产某国产100MW100MW机组温态启动终了的应力场机组温态启动终了的应力场 第七十三页，共166页。 第七十四页，共166页。按照冷态启动曲线，启动终了时刻的合

39、成应力场分布云图按照冷态启动曲线，启动终了时刻的合成应力场分布云图 第七十五页，共166页。按照冷态启动曲线，额定运行按照冷态启动曲线，额定运行2020分钟后的合成应力场分布云图分钟后的合成应力场分布云图 第七十六页，共166页。mthktmTEefRcT112第七十七页，共166页。 转子的热应力的特点转子的热应力的特点 温度场模型温度场模型 应力场模型应力场模型 放热系数的计算放热系数的计算 汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化 转子的应力场转子的应力场 应力重点监测部位应力重点监测部位第七十八页，共166页。 在机组启停过程中，转子高中、压轴封段和前几级在机组启停过程中，

40、转子高中、压轴封段和前几级所经过的温度变化最为剧烈，因而产生的热应力也所经过的温度变化最为剧烈，因而产生的热应力也最大。最大。弹性槽以及叶轮根部的过渡圆角和轴肩等处，由于热不匹配弹性槽以及叶轮根部的过渡圆角和轴肩等处，由于热不匹配会存在着不同程度的热应力集中现象，因而也应视为机组启会存在着不同程度的热应力集中现象，因而也应视为机组启停时的监督重点。停时的监督重点。 第七十九页，共166页。第八十页，共166页。第八十一页，共166页。过渡工况下的热应力：过渡工况下的热应力： 汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产生较大的温度汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产生较大的温度

41、梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。耗的重要因素。 重点部位：重点部位：汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。最大，成为整个转子的最危险部位。 第八十二页，共166页。转子的应力集中的转子的应力集中的部位部位： 在汽轮机转子外表面的叶轮根部圆角、轴肩以及槽在汽轮机转子外表面的叶轮根部

42、圆角、轴肩以及槽沟等部位都存在不同程度的热应力集中现象。沟等部位都存在不同程度的热应力集中现象。 在机组启停时，这些部位特别是轴封弹性槽处的热应在机组启停时，这些部位特别是轴封弹性槽处的热应力可能达到很高的水平，是影响机组启停安全和寿命损力可能达到很高的水平，是影响机组启停安全和寿命损耗的重点部耗的重点部 位。位。第八十三页，共166页。 第八十四页，共166页。 汽封齿的热应力集中问题不大。汽封齿的热应力集中问题不大。 第八十五页，共166页。 第八十六页，共166页。 第八十七页，共166页。 第八十八页，共166页。 应力集中均密集在槽底应力集中均密集在槽底1 12mm2mm深度以内，在

43、这深度以内，在这个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为因此初始裂纹深度常为1 12mm2mm。在这个深度以外，。在这个深度以外，原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新表面还可有相当高的疲劳寿命。表面还可有相当高的疲劳寿命。第八十九页，共166页。第九十页，共166页。第九十一页，共166页。 几何形状几何形状 热载荷热载荷 材料的物理特性材料的物理特性第九十二页，共166页。热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：前述公式只是针对光轴而言，实际转子

44、存在应力集中现象前述公式只是针对光轴而言，实际转子存在应力集中现象 其中其中: : 热应力集中系数热应力集中系数 无热应力集中时光轴上的公称应力无热应力集中时光轴上的公称应力eqthKmaxeqtEthK第九十三页，共166页。 国产国产N200N200机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理，槽太深且底机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理，槽太深且底部拐角圆弧太小，导致了严重的热应力集中现象。部拐角圆弧太小，导致了严重的热应力集中现象。热应力集中主要表现在转子的轴向应力，切向应力集中现象轻微。热应力集中主要表现在转子的轴向应力，切向应力集中现象轻微。第九十四页，共166页

45、。 热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同，热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同，其值除与几何形状有关外，还与热载荷有关。其值除与几何形状有关外，还与热载荷有关。第九十五页，共166页。 在相同的几何尺寸下，热应力集中系数要比机械应力集中系数大；轴的直径越大，两者相差越多；当轴径较小时，两者趋于相等。第九十六页，共166页。 第九十七页，共166页。 当应力接近或超过材料的屈服极限时，应力进入塑性范围，真实当应力接近或超过材料的屈服极限时，应力进入塑性范围，真实应力集中系数减小，而应变系数增大。应力集中系数减小，而应变系数增大。 第九十八页，共166页。式中：式中：Kt 理论集中系数

46、，理论集中系数， 槽的深度；槽的深度； r 槽底圆角半径；槽底圆角半径； or 相当于槽底直径的光轴公称当量应力；相当于槽底直径的光轴公称当量应力； o 相当于槽面直径的光轴公称当量应力；相当于槽面直径的光轴公称当量应力； 因为热应力与转子直径的平方成正比，为了简化计算，可以将上述式中的因为热应力与转子直径的平方成正比，为了简化计算，可以将上述式中的当量应力比，代以相应直径平方之比。当量应力比，代以相应直径平方之比。oorttthKKK) 1(121rKt21第九十九页，共166页。 转子的结构材料转子的结构材料 温度的变化温度的变化 压力的变化压力的变化第一百页，共166页。热应力的基本方程

47、式为：热应力的基本方程式为： 弹性模量弹性模量 线胀系数线胀系数 泊松比泊松比 mthtE1E第一百零一页，共166页。第一百零二页，共166页。 温升率对热应力的影响温升率对热应力的影响 从图中三条曲线对比可以看出，温升率越大，热应力从图中三条曲线对比可以看出，温升率越大，热应力水平越高，而且热应力在开始阶段迅速达到最大值，水平越高，而且热应力在开始阶段迅速达到最大值，随后呈下降趋势。随后呈下降趋势。 第一百零三页，共166页。 计算热应力时，调节级和中压第一级汽室汽温计算热应力时，调节级和中压第一级汽室汽温是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术措施

48、，都与调整这个区域的汽温有关措施，都与调整这个区域的汽温有关 汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定（理论计算汽轮机定速之前，调节级汽温难以确定（理论计算和实际测试都存在困难）和实际测试都存在困难）第一百零四页，共166页。 调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以及调节级的设计焓降有关及调节级的设计焓降有关N125机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表由表可见：新汽压力由表可见：新汽压力越低，汽温降落的幅越低，汽温降落的幅度越小。因此在启动度越小。因此在启动时，新汽的压力以低时，新汽

49、的压力以低些为宜。些为宜。第一百零五页，共166页。第一百零六页，共166页。第一百零七页，共166页。第一百零八页，共166页。第一百零九页，共166页。当启动或正常运行时，由于锅炉燃烧或其它不定因素，常常引起主汽温的波动，当启动或正常运行时，由于锅炉燃烧或其它不定因素，常常引起主汽温的波动，导致调节级汽温也随之发生变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响，除了导致调节级汽温也随之发生变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响，除了汽温变化幅度汽温变化幅度外，汽温的外，汽温的变化频率变化频率也是一个重要的因素。也是一个重要的因素。计算表明，如果汽温波动不超过计算表明，如果汽温波动不超过2525

50、，在转子和汽缸上不会产生有害的热，在转子和汽缸上不会产生有害的热应力。应力。 第一百一十页，共166页。蒸汽的压力往往影响放热系数蒸汽的压力往往影响放热系数 在一般粗略的计算中，可以把两者之间的关系归纳为：在一般粗略的计算中，可以把两者之间的关系归纳为： 转子光轴处：转子光轴处： 高压轴封入口：高压轴封入口： 外表面可以视为第三类边界条件：外表面可以视为第三类边界条件： 压力越大，对流系数就越大。压力越大，对流系数就越大。8.0113p8.0200 pfttnt|第一百一十一页，共166页。第一百一十二页，共166页。金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很金属材料受到剧烈