朱慧強(qiáng)，朱慶玉，冷伯炟，梁明文，冷 杰

（1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；4.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

負(fù)溫度匹配在熱態(tài)中壓缸啟動中的應(yīng)用分析

朱慧強(qiáng)1，朱慶玉2，冷伯炟3，梁明文4，冷 杰4

（1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能新疆阜康熱電有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831500；3.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；4.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

以某350 MW汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子為研究對象，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱固耦合分析。計算在熱態(tài)中壓缸啟動過程中采用負(fù)溫度匹配時高中壓轉(zhuǎn)子的應(yīng)力變化和壽命損耗情況。結(jié)果表明：熱態(tài)中壓缸啟動過程中采用小幅負(fù)溫度匹配安全可行，對轉(zhuǎn)子壽命影響微小，還可以顯著縮短啟動時間，提高汽輪機(jī)調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

負(fù)溫度匹配；熱態(tài)中壓缸啟動；熱固耦合

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用電結(jié)構(gòu)改變，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差矛盾日益突出，因此要求更多的大容量火電機(jī)組參與調(diào)峰運行［1］。相比于高中壓聯(lián)合啟動方式，中壓缸啟動具有啟動時間短、轉(zhuǎn)子受熱均勻、壽命損耗小、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)等特點，多用于汽輪機(jī)調(diào)峰運行［2－3］。

汽輪機(jī)調(diào)峰過程中轉(zhuǎn)子整體溫度水平較高，若滿足正溫度匹配，必須長時間等待蒸汽溫度上升，這將延長啟動時間，降低調(diào)峰靈活性，損失大量燃料。

汽輪機(jī)總是要經(jīng)歷啟動、停機(jī)以及負(fù)荷升降，只要進(jìn)行停機(jī)或降負(fù)荷過程，蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子表面金屬溫度，轉(zhuǎn)子表面就會因被冷卻而產(chǎn)生拉應(yīng)力，這是汽輪機(jī)運行特性所決定的。另外，從金屬材料的力學(xué)屬性角度分析，金屬材料的抗拉能力與抗壓能力基本相同，并沒有要求只能承受壓應(yīng)力而不能承受拉應(yīng)力，所以啟動過程中轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生拉應(yīng)力無需嚴(yán)格限制［4］。因此在中壓缸啟動中采用小幅負(fù)溫度匹配，可避免出現(xiàn)正溫度匹配的缺陷，同時發(fā)揮中壓缸啟動自身優(yōu)勢，提高機(jī)組啟動過程的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

1 轉(zhuǎn)子熱固耦合分析

1.1 轉(zhuǎn)子建模

以某電廠350 MW汽輪機(jī)高中壓缸無中心孔轉(zhuǎn)子為研究對象，該汽輪機(jī)為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)。額定主汽壓力為16.67 MPa，額定主汽溫度為538℃，額定再熱汽壓為3.55 MPa，額定再熱汽溫為538℃，共8級回?zé)岢槠邏焊兹~片共15級（包括1級單列調(diào)節(jié)級），中壓缸葉片共8級。轉(zhuǎn)子二維軸對稱模型以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的加工圖為依據(jù)，見圖1。葉片部分按等離心力原則簡化為連續(xù)的輪盤體［5］。軸封、汽封等部位由于尺寸微小，對計算結(jié)果影響有限，結(jié)構(gòu)上簡化為直線，在施加載荷等計算中仍按軸封、汽封進(jìn)行分析，其結(jié)果滿足計算精度要求。

圖1 轉(zhuǎn)子二維軸對稱模型

在網(wǎng)格劃分過程中，對由中壓缸前兩級開始到高壓缸前兩級為止的轉(zhuǎn)子外邊界進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高重點監(jiān)視部位的計算精度。高中壓轉(zhuǎn)子二維軸對稱模型共劃分17 418個單元，54 791個節(jié)點。轉(zhuǎn)子模型網(wǎng)格劃分局部示意圖見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)子模型網(wǎng)格劃分局部示意圖

1.2 邊界條件

1.2.1 運行參數(shù)

選取中壓缸汽輪機(jī)參與調(diào)峰運行時的停機(jī)、冷卻、啟動過程狀態(tài)參數(shù)，作為計算轉(zhuǎn)子表面各部位蒸汽參數(shù)的依據(jù)，其中停機(jī)和冷卻過程狀態(tài)參數(shù)主要用于確定轉(zhuǎn)子啟動前初始溫度分布。在轉(zhuǎn)子冷卻8 h后，調(diào)節(jié)級后轉(zhuǎn)子表面金屬溫度約為407℃，中壓缸第1級級后轉(zhuǎn)子表面金屬溫度為409℃，在此條件下啟動為熱態(tài)啟動［6］。

1.2.2 蒸汽參數(shù)

蒸汽與轉(zhuǎn)子的對流換熱系數(shù)可根據(jù)結(jié)構(gòu)分為光軸、軸封汽封、葉輪兩側(cè)、葉輪頂4種，轉(zhuǎn)子各部位蒸汽溫度、壓力等參數(shù)可由變工況計算獲得。

1.2.3 其他邊界條件

在轉(zhuǎn)子模型中心軸線處，假定無熱量傳遞，即中心軸線視為絕熱；轉(zhuǎn)子模型左右兩端面熱流量很小，也可視作絕熱邊界；在轉(zhuǎn)子兩端軸頸部位，與軸承對應(yīng)部位可視作與溫度為80℃的潤滑油進(jìn)行換熱，其他缸外部分可視作與溫度為80℃的空氣進(jìn)行換熱。

2 計算結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)子溫度場分析

在ANSYS軟件中，將轉(zhuǎn)子表面介質(zhì)溫度和對流換熱系數(shù)等載荷施加在轉(zhuǎn)子模型上進(jìn)行計算，可獲得不同時刻轉(zhuǎn)子的溫度場分布，見圖3。

圖3 不同時刻轉(zhuǎn)子溫度場

由于中壓缸啟動過程中中壓缸先進(jìn)汽沖轉(zhuǎn)，高壓缸處于隔離狀態(tài)，達(dá)到一定負(fù)荷或轉(zhuǎn)速后進(jìn)行切缸，高壓缸進(jìn)汽恢復(fù)高中壓缸聯(lián)合啟動繼續(xù)升負(fù)荷［7］。中壓第1級葉根處和高壓缸調(diào)節(jié)級葉根處分別為蒸汽進(jìn)入中壓缸和高壓缸后最先接觸轉(zhuǎn)子主軸的部位，由實際運行經(jīng)驗，這2個部位也是運行過程中的主要監(jiān)視部位。下面分析不同負(fù)溫度匹配時這2個部位的溫度變化過程，由于目前對負(fù)溫度匹配研究相對較少，為保證汽輪機(jī)安全運行，匹配溫差先控制在較小的范圍內(nèi)，本文選取－40～0℃，擴(kuò)大負(fù)溫度匹配范圍需等到小幅負(fù)溫度匹配深入研究和推廣之后可進(jìn)一步嘗試。不同匹配溫度監(jiān)視部位金屬溫度變化曲線見圖4。

由圖4可見，當(dāng)采用負(fù)溫度匹配時，啟動過程中轉(zhuǎn)子會經(jīng)歷一次冷卻過程，負(fù)溫度匹配程度越大，轉(zhuǎn)子表面溫降越劇烈。隨后蒸汽溫度逐漸上升，轉(zhuǎn)子再次被加熱升溫直至穩(wěn)定。為分析冷卻過程作用范圍，以匹配溫度－40℃為例分析轉(zhuǎn)子由表面向中心不同深度時溫度的變化情況見圖5，冷卻過程作用時間較短，作用范圍主要在表面附近，對轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度影響微小。

2.2 轉(zhuǎn)子應(yīng)力場分析

轉(zhuǎn)子的應(yīng)力主要由熱應(yīng)力和高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的離心力組成。在高壓缸調(diào)節(jié)級葉根處和中壓第1級葉根處會出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。不同匹配溫度監(jiān)視部位等效應(yīng)力變化曲線見圖6。

圖4 不同匹配溫度監(jiān)視部位金屬溫度變化曲線

圖5 調(diào)節(jié)級葉根處不同深度溫度變化曲線

由圖6可見，從中壓缸進(jìn)汽開始，由于蒸汽溫度低于轉(zhuǎn)子金屬溫度，轉(zhuǎn)子被冷卻產(chǎn)生拉應(yīng)力，高壓缸在切缸前短時間被隔離，期間高壓缸內(nèi)不進(jìn)汽，所以初期調(diào)節(jié)級應(yīng)力變化微小，切缸后轉(zhuǎn)子同樣被冷卻。沖擊應(yīng)力逐漸上升達(dá)到最大值后，由于蒸汽溫度逐漸上升，轉(zhuǎn)子被加熱，拉應(yīng)力減小最終轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。匹配溫差越大，冷沖擊應(yīng)力就越大，負(fù)溫度匹配還使啟動過程最大應(yīng)力有小幅度上升，具體應(yīng)力見表1。根據(jù)文獻(xiàn)［8］提供的公式計算啟動過程轉(zhuǎn)子壽命損耗，結(jié)果見表2。

圖6 不同匹配溫度監(jiān)視部位等效應(yīng)力變化曲線

表1 不同匹配溫度下沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力

表2 不同匹配溫度下啟動過程轉(zhuǎn)子壽命損耗

轉(zhuǎn)子材料的屈服極限在400℃時為537 MPa，500℃時為492 MPa，許用應(yīng)力取0.65倍的屈服極限，在400～500℃最小值為319.8 MPa，表1中可見沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力都未超過此數(shù)值。所以，一定程度進(jìn)行負(fù)溫度匹配啟動造成的沖擊應(yīng)力及最大應(yīng)力增加不會影響安全性。由表2數(shù)據(jù)可以看出，沖擊應(yīng)力引起的壽命損耗基本不變，最大應(yīng)力變化對壽命的影響也不大［9］。

3 啟動時間分配優(yōu)化

由于采用負(fù)溫度匹配中壓缸啟動時，汽輪機(jī)可以提前進(jìn)汽，可節(jié)約啟動時間，以1℃／min的沖轉(zhuǎn)溫升率計算，相對于通常要求的50℃正溫度匹配，溫度0匹配可節(jié)約啟動時間50 min，若與溫度0匹配比較，負(fù)匹配溫差每增大1℃，可以節(jié)省啟動時間1 min，若將這些時間用于延長升負(fù)荷過程，可以一定程度降低啟動過程中最大應(yīng)力的峰值。以匹配程度最大的－40℃啟動過程為例，相對于溫度0匹配，其提前進(jìn)汽節(jié)約時間最長為40 min，圖7為將10 min、20 min、30 min、40 min分別用于延長升負(fù)荷過程時監(jiān)視部位等效應(yīng)力的變化曲線。可以看出，負(fù)溫度匹配啟動節(jié)省的時間用于延長升負(fù)荷時間，可減小啟動過程最大應(yīng)力峰值，延長轉(zhuǎn)子壽命。

圖7 不同延長時間調(diào)節(jié)級葉根處等效應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

a.機(jī)組參與調(diào)峰時，熱態(tài)啟動過程中溫度正匹配存在難以實現(xiàn)、等待溫升時間長、經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰靈活性差等缺陷，由此建議采用小幅負(fù)溫度匹配中壓缸啟動方式。

b.由負(fù)溫度匹配中壓缸啟動熱固耦合分析結(jié)果可知，啟動過程中的轉(zhuǎn)子冷沖擊應(yīng)力以及最大熱應(yīng)力的微增基本不會影響轉(zhuǎn)子壽命，還可以減少啟動時間，相對于50℃正溫度匹配，小幅負(fù)溫度匹配甚至可以節(jié)省超過1 h的啟動時間，提高機(jī)組調(diào)峰靈活性。

c.將部分負(fù)溫度匹配啟動節(jié)省的時間用于延長升負(fù)荷過程，既可以減小最大應(yīng)力值，降低轉(zhuǎn)子壽命損耗，又能使機(jī)組可以根據(jù)啟動實際情況合理分配啟動時間，提高調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性。

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［3］孫宏祥.俄羅斯300 MW汽輪機(jī)中壓缸啟動特點［J］.東北電力技術(shù)，1998，19（3）：22－27.

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Application Analysis on the Negative Temperature Match in Hot Intermediate Pressure Cylinder Start?up

ZHU Hui?qiang1，ZHU Qing?yu2，LENG Bo?da3，LIANG Ming?wen4，LENG Jie4
（1.School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin，Jilin 132012，China；2.Huaneng Xinjiang Fukang Thermoelectrical Co.，Ltd.，Changji，Xinjiang 831500，China；3.Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；4.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

This paper takes a given 350 MW turbine HP?IP rotor as the research object，thermal structure interaction of rotor is ana?lyzed by using ANSYS finite element analysis program.Computing stress change and life loss of HP?IP rotor are adopted by using nega?tive temperature match during hot intermediate pressure cylinder start?up.The results show that it's safe and feasible using negative tem?perature match，little effect on the rotor life，it's also reduce the start?up time significantly and improve flexibility of turbine peaking.

Negative temperature match；Hot intermediate pressure cylinder start?up；Thermal structure interaction

TK267

A

1004－7913（2016）07－0056－04

朱慧強(qiáng)（1990—），男，碩士在讀，主要從事大型火電機(jī)組調(diào)峰研究。

2016－03－27）