汽轮机第六章45 2007.ppt

　 三、汽轮机转子的寿命管理 随着电力事业的发展，特别是大容量、高参数机组的安装、投运，国内各电网容量迅速增加。 随着国民经济的发展，人民生活水平提高，用电结构发生变化。工业用电比重下降，农业用电和城乡人民生活用电大为上升。这样一来，使得电网峰谷差日趋增大（达最高负荷的30~50%）。 为了解决电网峰谷差日趋增大的问题，就得进行调峰。但我国目前是以火电为主，约占发电总装机容量的80~85%。水电调峰及中小型火电机组调峰已不能满足调峰幅度的要求。为了适应负荷变化的要求，原来带基本负荷的大型火电机组参加电网调峰势在必行。 火电机组参加电网调峰一般有两种方式：即“低负荷运行”和“两班制启停”调峰方式。以这两种方式参加电网调峰，必然是使汽轮机启停次数增多、负荷变化频繁，经常处于变工况下运行。这样，汽轮机的主要部件，特别是汽轮机转子，经常受到“热冲击”（或冷冲击），从而引起交变热应力，导致部件低周疲劳损耗（汽轮机部件承受热冲击而产生交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹萌生循环周次少，故称低周疲劳），缩短机组使用寿命。当然，过分地强调机组使用寿命长而忽略经济性也是片面的。如为了使机组部件不至于产生大的热应力，则要延长启动时间。机组在启动时，是不发电的，经济性最差。因此，对调峰机组主要部件的使用寿命进行合理分配，在保证安全的基础上取得最大的经济效益，使其在规定的服役年限内，让机组主要部件的可用寿命得到充分利用。 热应力：汽轮机在启动、停机和发生大幅度负荷变化时，其部件要受到“热冲击”（或冷冲击），使部件的温度分布发生变化而产生膨胀或收缩变形（热变形）。当部件的自由膨胀受到约束时而产生的应力称为热应力（温度应力）。 汽轮机转子的温度分布和热应力 蒸汽参数（主要是温度）的变化对于转子和汽缸都会产生热冲击，都会导致低周疲劳损伤，引起机组寿命损耗。大量科技文献证明，转子的寿命只有汽缸寿命的一半。因此，在讨论汽轮机组寿命问题时，主要考虑汽轮机转子的寿命损耗。只要转子的寿命能满足运行要求，则机组的寿命就能满足要求。 转子是汽轮机的主要部件，其工作条件是高压、高温、高转速，受力情况复杂。转子在工作时，要受到叶轮、叶片和转轴质量离心力而产生的机械应力。在启动、停机和发生大幅度负荷变化过程中，又由于转子内部温度分布不均、各部分金属的自由膨胀受约束而产生热应力。 汽轮机转子为轴对称的高速旋转体，温度在圆周方向可认为是均匀的。因此，可把转子看成无限长、空心轴对称圆柱体，温度分布是轴对称的。 汽轮机在启动、停机和负荷发生大幅度变化时，转子周围的蒸汽压力、温度都会发生变化。随着周围的蒸汽温度的变化，转子金属外表面温度也将随着变化，如： 启动过程中，随着蒸汽流量不断增加和蒸汽温度不断提高，使转子金属温度从初始温度逐渐上升到正常工作温度。在升温过程中，转子内外表面产生温度差，即转子外表面金属温度高，中心孔表面温度低。转子外表面产生压应力，中心孔表面产生拉应力； 在停机过程中，情况刚好相反，转子外表面产生拉应力，中心孔表面产生压应力。 对于大型中间再热机组，高压转子调节级区段和中压转子第一级区段的蒸汽温度最高，温度变化最剧烈，热应力也就最大。因此，其热应力和寿命损耗必需重点考查和计算。 图5—80和图5—81分别为国产200MW汽轮机高压转子调节级区段和中压转子第一级区段外表面的热应力曲线。 图 5—82、图5—83分别为国产200MW汽轮机冷态启动时，温升率为180 到启动终了时的高压转子调节级区段和中压转子第一级区段的轴向热应力场。 从热应力分布曲线可以看到，在转子的叶轮跟部、轴肩、热槽等处的热应力比光滑区段表面的热应力大得多。这些部位形状特殊，几何尺寸发生突变，存在热应力集中。在汽轮机启动、停机和负荷发生大幅度变化时，这些部位的热应力可能达到很高水平。当循环次数达到一定值时，裂纹就首先出现在这些部位，并且会逐步扩展。 汽轮机转子的寿命 汽轮机转子的寿命（全寿命或致断寿命）由两部分组成： 裂纹萌生寿命（致裂寿命）：是指转子第一次投运开始到转子出现第一条裂纹为止，这段时间称为致裂寿命。 裂纹扩展寿命：从第一条裂纹出现到转子破坏，这段时间称为转子剩余寿命（或残余寿命）。由断裂力学可知，剩余寿命可能比致裂寿命长得多。这就是说，当汽轮机转子出现初始裂纹时，并不意味着转子寿命完结，还可以在一定控制条件下继续运行相当长的时间。 转子材料的低周疲劳特性曲线