1000MW汽轮机的热应力控制解读课件.ppt
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- 1000 MW 汽轮机 应力 控制 解读 课件
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1、1000MW1000MW超超临界汽轮机自启动中热应力控制超超临界汽轮机自启动中热应力控制金属部件受热不均,出现温差就会产生热应力。温差越金属部件受热不均,出现温差就会产生热应力。温差越大,热应力也越大。部件加热时受到压缩应力,部件冷大,热应力也越大。部件加热时受到压缩应力,部件冷却时收到拉伸应力。而压缩和拉伸应力得不断交错循环,却时收到拉伸应力。而压缩和拉伸应力得不断交错循环,将会导致金属产生疲劳裂纹,消耗设备的使用寿命,并将会导致金属产生疲劳裂纹,消耗设备的使用寿命,并逐渐扩大直到断裂失效。对于汽轮机而言,在非稳定状逐渐扩大直到断裂失效。对于汽轮机而言,在非稳定状态下运行(如启停,增、减负荷
2、或变温度运行)时,其态下运行(如启停,增、减负荷或变温度运行)时,其金属部件将受到固定大小和频率的热应力影响,会导致金属部件将受到固定大小和频率的热应力影响,会导致材料处于一个高水平的疲劳度而出现裂纹。材料处于一个高水平的疲劳度而出现裂纹。减少部件疲劳,控制热应力的最好方法就是控制部件内减少部件疲劳,控制热应力的最好方法就是控制部件内外温差,控制部件内外温差的最好方法则是延缓部件的外温差,控制部件内外温差的最好方法则是延缓部件的升、降温速率。因此合理的消耗寿命,以便设备在使用升、降温速率。因此合理的消耗寿命,以便设备在使用寿命内发挥最大的效益就是设备热应力控制的目的。为寿命内发挥最大的效益就是
3、设备热应力控制的目的。为此一般厂家都会根据设备的运行特性,合理分配设备的此一般厂家都会根据设备的运行特性,合理分配设备的寿命消耗。如汽机厂会提供全寿命内汽机冷、温、热态寿命消耗。如汽机厂会提供全寿命内汽机冷、温、热态的启动次数限制,以及升降负荷的速率限制。的启动次数限制,以及升降负荷的速率限制。西门子西门子DEH的热应力控制就是将汽机厂的这些要求和的热应力控制就是将汽机厂的这些要求和手段转换成程序,测取(或模拟计算)受温度剧烈变手段转换成程序,测取(或模拟计算)受温度剧烈变化影响的汽机主要厚重部件如高中压主汽门阀体、高化影响的汽机主要厚重部件如高中压主汽门阀体、高中压缸体、高中压转子等部件的内
4、外壁温,然后计算中压缸体、高中压转子等部件的内外壁温,然后计算出可能的最大应力(用温差进行表征)并与规定限值出可能的最大应力(用温差进行表征)并与规定限值进行比较,从而构成汽机监视系统的一部分,并根据进行比较,从而构成汽机监视系统的一部分,并根据应力决定汽机启动过程中的升速率以及变负荷时最大应力决定汽机启动过程中的升速率以及变负荷时最大的允许负荷变动率。的允许负荷变动率。热应力评估热应力评估TSE汽轮机热应力评估汽轮机热应力评估TSE的基本功能就是对汽轮机的高、的基本功能就是对汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压外缸缸体等厚中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压外缸缸体等厚重部件的温
5、差进行监视,防止由于蒸汽温度与金属温度重部件的温差进行监视,防止由于蒸汽温度与金属温度的不匹配导致金属部件产生过大的热应力,影响部件的的不匹配导致金属部件产生过大的热应力,影响部件的使用寿命。这里的温差监视实际上是所谓的温度裕度使用寿命。这里的温差监视实际上是所谓的温度裕度(Margin)监视。它是汽轮机部件的实际温差和设计温)监视。它是汽轮机部件的实际温差和设计温差的差值,温度裕度越大,说明温差越小,部件所受的差的差值,温度裕度越大,说明温差越小,部件所受的热应力也越小。为了确保机组启动和变工况时,其热应热应力也越小。为了确保机组启动和变工况时,其热应力处于可控范围,力处于可控范围,DEH根
6、据温度裕度的大小自动设置升根据温度裕度的大小自动设置升速率和最大允许的负荷变动率。而且速率和最大允许的负荷变动率。而且TSE出现故障时,出现故障时,DEH将不允许机组启动,并闭锁汽轮机升速或变负荷。将不允许机组启动,并闭锁汽轮机升速或变负荷。热应力与温差的线性关系热应力与温差的线性关系汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压缸汽轮机的高、中压转子、高压主汽门、调门阀体和高压缸体是汽轮机中最厚重的部件,因此只要控制了这五个体是汽轮机中最厚重的部件,因此只要控制了这五个部件的热应力,其它部件也就不存在热应力超标问题。部件的热应力,其它部件也就不存在热应力超标问题。由于汽轮机上述部件都是规格
7、和形状复杂的部件,因由于汽轮机上述部件都是规格和形状复杂的部件,因此在计算他们的热应力前,需要先进行简化:在双层此在计算他们的热应力前,需要先进行简化:在双层缸汽机很薄的外缸中的热流或汽机缸体法兰中的热流缸汽机很薄的外缸中的热流或汽机缸体法兰中的热流可类似为一个平板中的热流;一个管子或一个很厚的可类似为一个平板中的热流;一个管子或一个很厚的汽机缸体,可看作一个中空的柱体;一个实心轴看作汽机缸体,可看作一个中空的柱体;一个实心轴看作一个实心柱体;阀体在计算时假定为一个空的半球。一个实心柱体;阀体在计算时假定为一个空的半球。经过简化的部件,就可以根据应用热应力计算公式进经过简化的部件,就可以根据应
8、用热应力计算公式进行计算了。在弹性模量范围内,一个理想物体的热应行计算了。在弹性模量范围内,一个理想物体的热应力计算公式如下:力计算公式如下:横向膨胀系数,平均线性热膨胀系数弹性模量,平均壁温度,绝热表面的应力和温,热表面的应力和温度式中:mmmET0i1i),)(1/(imTT 从公式上可见,热应力与温差存在严格的线性关系,因从公式上可见,热应力与温差存在严格的线性关系,因此用温差来表示热应力是可行的,也是合理的。此用温差来表示热应力是可行的,也是合理的。温差裕度(温差裕度(Margin)的计算)的计算由于热应力与部件的温差之间有线性关系,因此监视热由于热应力与部件的温差之间有线性关系,因此
9、监视热应力最方便的办法就是监视部件的温差值。对于高压主应力最方便的办法就是监视部件的温差值。对于高压主汽门阀体、高压调门阀体和高压缸外缸等静止部件,测量汽门阀体、高压调门阀体和高压缸外缸等静止部件,测量部件温差的方法比较简便,只要在部件上打个孔,安装部件温差的方法比较简便,只要在部件上打个孔,安装两只位置相邻、但插入深度不同的热电偶作为内壁温和平两只位置相邻、但插入深度不同的热电偶作为内壁温和平均壁温的温度测点,具体布置见图均壁温的温度测点,具体布置见图1。插入。插入100深度处的深度处的温度温度T1 泛指直接接触蒸汽并进行热交换的相应阀体泛指直接接触蒸汽并进行热交换的相应阀体(缸体缸体) 温
10、度,插入温度,插入50 %深度处的温度深度处的温度Tm泛指相应阀体泛指相应阀体(缸体缸体) 的的平均温度。由于热传导的延迟,平均温度。由于热传导的延迟, Tm 的变化总会慢于的变化总会慢于T1 的的变化,从而存在温差变化,从而存在温差,这一温差的大小这一温差的大小,即表示应力的大小即表示应力的大小. 图图1 用于热应力控制的用于热应力控制的温度测点的布置温度测点的布置图图2 高压缸外缸表面温度和平均温度的变化曲线高压缸外缸表面温度和平均温度的变化曲线目前实测高、中压转子的温度是十分困难的,只能采目前实测高、中压转子的温度是十分困难的,只能采用仿真计算的方法来实现。首先,用高压用仿真计算的方法来
11、实现。首先,用高压(中压中压) 内内缸的温度来近似表示高压缸的温度来近似表示高压(中压中压) 转子表面的温度转子表面的温度Ta ,计算转子动叶根部的温度作为转子平均温度,计算转子动叶根部的温度作为转子平均温度,也用也用Tm 表示表示,另外再计算转子中心的温度另外再计算转子中心的温度Tax 。转子表面。转子表面温度温度Ta 和转子平均温度和转子平均温度Tm 的差值就表示转子应力的的差值就表示转子应力的大小。大小。图图3 高压转子表面温度、平均温度和中心温度的变化曲线高压转子表面温度、平均温度和中心温度的变化曲线部件的热应力限制曲线部件的热应力限制曲线 材料的寿命取决于疲劳强度和疲劳周期。对汽轮机
12、而言材料的寿命取决于疲劳强度和疲劳周期。对汽轮机而言,强度较大的应力交变主要发生在启动和停机阶段,由,强度较大的应力交变主要发生在启动和停机阶段,由于机组启停的一次需要间隔较长的时间,因此它是低周于机组启停的一次需要间隔较长的时间,因此它是低周疲劳。而机组每时每刻的都有可能的增、减负荷,若蒸疲劳。而机组每时每刻的都有可能的增、减负荷,若蒸汽温度发生变化时,材料也将面临交变压力的影响。汽汽温度发生变化时,材料也将面临交变压力的影响。汽轮机进行设计时,需要通过统计汽轮机在基本负荷或最轮机进行设计时,需要通过统计汽轮机在基本负荷或最大负荷区间的计划使用情况来确定预期应力周期的数量,大负荷区间的计划使
13、用情况来确定预期应力周期的数量,选用的材料必须能满足这些疲劳周期数量。汽轮机厂将选用的材料必须能满足这些疲劳周期数量。汽轮机厂将材料的允许应力以温差限制的方式做成曲线用于指导生材料的允许应力以温差限制的方式做成曲线用于指导生产运行。曲线的形式与基于假设周期数量的部件绝对温产运行。曲线的形式与基于假设周期数量的部件绝对温度相关。在限制曲线的计算中,部件的设计特征(例如:度相关。在限制曲线的计算中,部件的设计特征(例如:它们的外形和槽口的影响)都必须考虑。图它们的外形和槽口的影响)都必须考虑。图4就是部件就是部件的温差限制曲线。的温差限制曲线。 图图4 4 部件的热应力(温差)限制曲线部件的热应力
14、(温差)限制曲线温度裕度、允许温度裕度和剩余温度裕度温度裕度、允许温度裕度和剩余温度裕度部件的热应力限制曲线是根据材料寿命确定的,一旦部件的热应力限制曲线是根据材料寿命确定的,一旦越限就有可能影响设备的正常寿命。为此,在机组正越限就有可能影响设备的正常寿命。为此,在机组正常运行中,需要留出一定的安全裕量,这就是所谓的常运行中,需要留出一定的安全裕量,这就是所谓的温度裕度。温度裕度是部件内外壁的实际温差和允温度裕度。温度裕度是部件内外壁的实际温差和允许温差的差值,裕度越大,说明温差越小,部件所受许温差的差值,裕度越大,说明温差越小,部件所受的热应力也越小。温度裕度的计算方法见图的热应力也越小。温
15、度裕度的计算方法见图5。对于每一个部件都有一个允许的温度变化裕度,允许对于每一个部件都有一个允许的温度变化裕度,允许值和运行人员选择的机组启动模式有关,分为快速、值和运行人员选择的机组启动模式有关,分为快速、正常和慢速启动三种。快速启动的允许温度裕度最大,正常和慢速启动三种。快速启动的允许温度裕度最大,正常启动其次,慢速启动最小。这一允许值减去实际正常启动其次,慢速启动最小。这一允许值减去实际温差值就是剩余温度裕度,分剩余上升裕度和剩余下温差值就是剩余温度裕度,分剩余上升裕度和剩余下降裕度,其公式为:降裕度,其公式为:图图5 汽缸和转子部件的温差裕度(汽缸和转子部件的温差裕度(Margin)计
16、算)计算允许的温度裕量总是正的,但实际的温度差允许的温度裕量总是正的,但实际的温度差 dT有正有正负。当剩余温度裕量为正时,表示最大允许的温度差负。当剩余温度裕量为正时,表示最大允许的温度差还没有达到,机组还有上升还没有达到,机组还有上升(或下降或下降)空间。但是当剩空间。但是当剩余温度裕量为负时,则表示允许的温度差已经超过了。余温度裕量为负时,则表示允许的温度差已经超过了。这些部件的剩余裕量都以数字和棒状图的形式显示在这些部件的剩余裕量都以数字和棒状图的形式显示在操作员画面上,给运行人员提供操作指导。温度裕量操作员画面上,给运行人员提供操作指导。温度裕量会参与计算各种会参与计算各种x准则。另
17、外,各部件剩余裕量中的准则。另外,各部件剩余裕量中的最小值作为机组当前有效的温度裕量,并根据这个裕最小值作为机组当前有效的温度裕量,并根据这个裕量来控制汽轮机升速或者升负荷的速度。量来控制汽轮机升速或者升负荷的速度。图图6 TSE6 TSE温度裕度画面温度裕度画面温度裕度的作用温度裕度的作用前面已经讲过,只有汽轮机处于启停或变负荷等不稳定前面已经讲过,只有汽轮机处于启停或变负荷等不稳定工况下,因蒸汽温度的波动才有可能引起部件的温度变工况下,因蒸汽温度的波动才有可能引起部件的温度变化,产生温差。因此在这些阶段,通过温度裕度来决定化,产生温差。因此在这些阶段,通过温度裕度来决定或限制机组转速和负荷
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