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汽轮机甩负荷对转子寿命损耗的仿真分析研究

王立健;何青;李国庆

【摘要】由于外界电网的影响或机组自身故障的原因,火力发电机组会发生机组甩

负荷等恶劣的运行工况问题.针对这一问题,提出了一种在机组甩负荷情况下对转子

寿命损耗情况进行估算的实时评估方法.首先建立汽轮机的动态仿真模型,实现对汽

轮机甩负荷过程的动态模拟,然后通过建立的转子寿命损耗分析模块实现对转子寿

命损耗的估算,并应用于1000MW超超临界机组甩负荷的分析.当机组发生甩负荷

时,机组转速迅速升高,对转子寿命的损耗随转速的升高而增加.结果表明,甩负荷动作

必然导致汽轮机转子的寿命损耗;虽然单次甩负荷动作引起的汽轮机转子的寿命损

耗较小,但是对于参与调峰的大容量机组的频繁甩负荷动作,对转子寿命的累积损伤

是不可忽视的.因此,可以通过该方法对在运行的汽轮机转子进行实时监控,以确保机

组在安全状况下稳定运行.

【期刊名称】《中国电力》

【年(卷),期】2018(051)010

【总页数】6页(P150-155)

【关键词】火力发电;汽轮机甩负荷;转子寿命损耗;动态仿真模型;评估方法

【作者】王立健;何青;李国庆

【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学

能源动力与机械工程学院,北京102206;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北

京102206

【正文语种】中文

【中图分类】TK263.7

0引言

火电机组在运行过程中，会受到外部电网或机组自身事故的影响，使汽轮机组发生

甩负荷等不安全工况。机组甩负荷时，因载荷骤降或消失致使汽轮机转子转速升高，

对机组转子及叶片造成很大的应力冲击，严重时会威胁汽轮机组的安全平稳运行，

甚至会造成汽轮机飞车而损坏[1-2]。同时，汽轮机甩负荷导致转子超速，也会对

机组的寿命造成一定损耗[3]。所以，针对发电机组甩负荷工况下机组转子寿命的

损耗情况进行研究，对于发电机组的安全运行和电网的稳定具有重要意义。

目前，国内外对机组转子的寿命分析主要集中在机组启停机过程的损伤以及机组转

子正常运行时的低周疲劳损伤，而对机组甩负荷这种特殊危险工况下机组转子寿命

损伤的研究较少。文献[4]通过对150kW微型汽轮机进行甩负荷动态仿真试验，

确定了汽轮机甩负荷工况下的最佳工况及其可靠性。文献[5]参照实验设计方法的

基本思想，主要对转子的飞升常数进行了仿真研究。文献[6]建立了机组甩负荷的

过程量与转子寿命损伤的评估模型，并以某300MW机组为例，验证了该方法的

可行性。

目前对汽轮机转子寿命损耗的研究主要集中于试验研究，或者是通过分析指出影响

汽轮机转子寿命的因素[7-8]。对汽轮机进行甩负荷试验是考查汽轮机调速控制系

统动态响应特性和安全性的较为直接和常用的方式[9]。由于汽轮机甩负荷实验是

汽轮机运行中最恶劣的一种工况，并且试验风险高，工作量投入和资金投入较大

[10]。为了避免机组甩负荷试验的弊端和带来的一些问题，本文通过建立汽轮机组

的仿真模型，对汽轮机甩负荷过程进行仿真分析。并利用此方法对某1000MW

机组进行机组甩负荷过程的动态仿真，对转子寿命损耗进行实时评估分析。

1汽轮机组模型

1.1汽轮机模型

汽轮机的建模过程主要涉及汽轮机汽缸的容积模型和转子模型两大模块。汽缸的容

积模型能够对汽缸内的蒸汽流动做功过程进行分析，而转子模型主要是对转子的受

力和转动过程进行模拟。通过建立汽轮机模型，能够对汽轮机组的运行情况进行模

拟，并在控制系统的调控作用下对汽轮机的甩负荷过程进行模拟，从而能够得出汽

轮机在甩负荷工况时的转速等一系列相关参数的变化情况，为机组甩负荷时汽轮机

转子寿命损坏的实时分析提供数据支撑。

1.1.1蒸汽容积模型

汽轮机组主要由高压缸、中压缸和低压缸三大主要部分组成，根据机组实际情况建

立汽轮机汽缸的蒸汽容积模型，蒸汽容积效应模型如图1所示，图中qm1为容积

模型进入蒸汽质量流量，qm2为流出蒸汽质量流量，V为容积模型的容积，P为

容积模型内的压力。

图1蒸汽容积效应模型Fig.1Steamvolumeeffectmodel

根据蒸汽在汽缸内流动过程的连续特性，流入汽缸与流出汽缸的蒸汽流量之差应该

等于该汽缸内蒸汽密度的变化与其体积的乘积，并根据调节阀的特性得到汽轮机容

积方程[11]为

式中：χp为蒸汽功率的相对变化率；χsz为汽阀开度的相对变化率；s为时间，s；

V为气