孟召軍，王光定，孟 帥

(沈陽工程學院 a.能源與動力學院；b.研究生部，遼寧 沈陽 110136)

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，用電結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，各大電網(wǎng)的峰谷差日益突出，由峰谷差所引起的矛盾也進一步加重，原先按基本負荷設(shè)計和運行的大、中容量機組將不再按照額定負荷運行，而是經(jīng)常參與調(diào)峰運行，由于啟停頻繁，負荷變化大，機組零部件在劇烈的溫度變化和交變熱應(yīng)力的影響下嚴重受損，嚴重影響機組的使用壽命。因此，要想延長轉(zhuǎn)子的使用壽命，就必須研究轉(zhuǎn)子在啟停過程中溫度場的分布規(guī)律。由于汽輪機轉(zhuǎn)子處于高溫高壓環(huán)境中工作，其本身結(jié)構(gòu)復雜，所以很難直接測得其表面溫度以及中心溫度。目前，只能通過理論解析和有限元數(shù)值計算的方式得到。

1 建立有限元模型

1.1 基本參數(shù)的選取

以600 MW單軸，雙缸雙排汽，反動式，高中壓合缸，一次中間再熱，凝汽式汽輪機為例，主蒸汽壓力為24.2 MPa，主蒸汽溫度為 566℃，再熱蒸汽溫度為566℃。汽輪機轉(zhuǎn)子材料為30Cr1Mo1V，該鋼具有較好的淬透性、抗腐蝕性和抗氧性，是國內(nèi)外汽輪機轉(zhuǎn)子通常采用的材料。轉(zhuǎn)子材料的物性參數(shù)隨溫度的改變而改變，物性參數(shù)詳見表1。

表1 轉(zhuǎn)子金屬的物性參數(shù)表

1.2 有限元幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分

由于汽輪機轉(zhuǎn)子實體結(jié)構(gòu)復雜，有限元計算方法難度大，所以在建立模型時，忽略對計算影響甚微的部件，并且在計算分析時將其視為無內(nèi)熱源的軸對稱問題。假設(shè)轉(zhuǎn)子材料各項同性，材料物性是隨溫度變化的函數(shù)，并認為轉(zhuǎn)子初始溫度均勻。超超臨界600 MW汽輪機調(diào)節(jié)級幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 初始條件和邊界條件

2.1 初始條件

超超臨界600 MW機組冷態(tài)啟動曲線如圖2所示。按冷態(tài)啟動要求，啟動前機組需要將高壓缸預暖，計算時調(diào)節(jié)級溫度場的初始溫度為120℃。

2.2 邊界條件處理

在利用有限元法求解調(diào)節(jié)級的溫度場時，需要合理的對其添加邊界條件，并進行處理。計算中將調(diào)節(jié)級中心邊界以及調(diào)節(jié)級模型左右斷面視作絕熱邊界處理，調(diào)節(jié)級外表面利用已知放熱系數(shù)和介質(zhì)溫度的第三類邊界條件來處理。

2.3 放熱系數(shù)的選取

圖1 600 MW汽輪機調(diào)節(jié)級幾何模型及網(wǎng)格

計算調(diào)節(jié)級溫度場時，涉及到蒸汽在其表面的對流換熱問題。將調(diào)節(jié)級表面與蒸汽間熱交換的邊界條件(第三類邊界條件)作為求解溫度場的必要條件。邊界條件中的放熱系數(shù)是隨著汽溫、汽壓、流速、轉(zhuǎn)速等參數(shù)變化的。因此，汽輪機啟停過程中，放熱系數(shù)的值隨著時間、地點不同而有不同的數(shù)值，是時間和位置的函數(shù)。

圖2 機組冷態(tài)啟動曲線

對于放熱系數(shù)的求解方法，有各種不同的準則方程或經(jīng)驗公式，但各種公式計算的結(jié)果頗不相同，其中阿爾斯通換熱系數(shù)計算公式存在很多優(yōu)點，故采用阿爾斯通換熱系數(shù)計算公式：

1)光軸部分的放熱系數(shù)

式中，r為轉(zhuǎn)子外徑，單位為mm；v為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

2)調(diào)節(jié)級葉輪的放熱系數(shù)

①p≤1

α = α0·p·100

②1≤p≤20

α = α0·p·100·［100+(p-1)/19·(0.0025t2-3.05t+1780)］

③20≤p≤60

α = α0·{1490-1.1t+ ［(p-20)/40·(0.0034t2-33.8t+9880)］}

④60≤p≤100

α = α0·{8740-22.6t+0.02t2+ ［(p-60)/40·(0.002t2-32.2t+10600)］}

⑤p≥100

α = α0·{16805-44.04t+0.00357t2+ ［(p-100)/50·(0.00521t2-57.9t+17285)］}

其中，α為根據(jù)壓力分段部分的放熱系數(shù)；α0為光軸部分放熱系數(shù)；p為根據(jù)壓力分段部分所對應(yīng)的壓力，單位為bar；t為主蒸汽溫度，單位為℃。

3 結(jié)果分析

圖3為轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)10 min時調(diào)節(jié)級溫度場分布云圖，從圖中可以看出，由于受徑向熱流作用，離轉(zhuǎn)子表面越近，等溫線越密集，轉(zhuǎn)子表面與轉(zhuǎn)子中心處溫差也越大。圖4為啟動175 min時調(diào)節(jié)級溫度場分布云圖，此時轉(zhuǎn)子表面與轉(zhuǎn)子中心處溫差比圖3小。圖5、6為啟動280 min和360 min時調(diào)節(jié)級溫度場分布云圖，等溫線分布較啟動初期均勻，轉(zhuǎn)子表面溫度與轉(zhuǎn)子中心溫處度差值逐漸減小。圖7、8分別為機組冷態(tài)啟動過程中轉(zhuǎn)子表面溫度和轉(zhuǎn)子中心溫度隨時間變化的曲線，由曲線可知轉(zhuǎn)子表面溫度在剛開始沖轉(zhuǎn)的一段時間里，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸增大，轉(zhuǎn)子表面對流換熱系數(shù)逐漸增大，溫度變化較快。一段時間后，溫度上升變緩，溫升率變小。轉(zhuǎn)子中心溫度的增加始終滯后于轉(zhuǎn)子表面溫度的增加，二者在剛開始階段溫差較大，隨后逐漸減小，再逐漸增加，最后由于主蒸汽溫度不變，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)吸熱，溫差逐漸減小。由此可見，機組在剛開始啟動時，轉(zhuǎn)子表面溫度和中心溫度的溫差最大，此時轉(zhuǎn)子所受應(yīng)力最大。

圖3 沖轉(zhuǎn)10 min時溫度場

圖4 啟動175 min時溫度場

圖5 啟動280 min時溫度場

圖6 啟動360 min時溫度場

圖7 轉(zhuǎn)子表面溫度隨時間變化曲線

圖8 轉(zhuǎn)子中心溫度隨時間變化曲線

4 結(jié)論

1)利用ANSYS有限元分析軟件對汽輪機轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級冷態(tài)啟動過程進行仿真計算分析，能夠很好的模擬調(diào)節(jié)級的溫度場。分析過程中所使用的數(shù)據(jù)都是汽輪機啟動運行過程中的實際數(shù)據(jù)，保證了仿真結(jié)果的準確性。

2)計算結(jié)果表明，在汽輪機啟動初期，轉(zhuǎn)子表面溫度與中心溫度溫差較大，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，影響機組的使用壽命。所以在機組啟動時應(yīng)該在設(shè)定轉(zhuǎn)速下暖機，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

3)通過對機組冷態(tài)啟動時調(diào)節(jié)級溫度場進行分析，為其他各級的仿真計算提供了理論基礎(chǔ)，為優(yōu)化機組啟動，延長機組壽命提供了參考。

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