燃气-蒸汽联合循环电厂汽轮机转子寿命损耗预测方法研究

0 引言

燃气—蒸汽联合循环机组被视为一种高效、清洁的能源转换和发电系统,在电力生产中扮演着越来越重要的角色。汽轮机作为联合循环电厂的核心设备之一,其性能稳定性和运行寿命直接关系到整个电厂的经济性和安全性。然而,在复杂的运行环境中,汽轮机转子承受着高温、高压、高速旋转及交变载荷等多重因素的共同作用,其寿命损耗问题日益凸显^[1]。 因此,研究燃气—蒸汽联合循环电厂汽轮机转子寿命损耗预测方法,对于提高电厂运行效率、降低维护成本、保障电力供应安全具有重要意义。

传统的汽轮机转子寿命预测方法主要依赖经验公式和统计模型,这些方法虽然简单易行,但在面对现代工业的高精度、高准确度技术要求时,难以满足需求^[2—3]。近年来,随着计算机技术和数值模拟方法的飞速发展,基于疲劳损伤理论等数值方法的寿命预测技术逐渐成为研究热点。这些方法通过精确模拟转子在不同工况下的应力、应变分布,结合材料的力学性能参数和疲劳性能数据,能够更准确地预测转子的寿命损耗^[4—5]。本文旨在探讨燃气—蒸汽联合循环电厂汽轮机转子寿命损耗预测的新方法,以期为电厂的运维管理提供科学依据。

1 研究对象

某6F级燃气—蒸汽联合循环电厂(以下简称“该电厂”)采用上海汽轮机厂LZC38.3—6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型单缸、双压非再热、单抽凝汽式汽轮机,该型汽轮机高压采用全周进汽,中低压提供一级可调整抽汽;采用上海电气OF-40-2型发电机,位于汽轮机高压侧,汽轮机转子与发电机转子采用刚性联轴器连接;作为配套首次国产化应用上海电气6F级燃气轮机，该型号燃气轮机同为上海电气新型设备:并设置一台启动锅炉，为机组提供启停机时的辅助蒸汽和运行过程中的备用辅助蒸汽。

汽轮机结构如图1所示。

汽轮机共有两个轴承座，前轴承座位于汽轮机电机端,落地滑移式布置;前座内除装有径向推力联合轴承外，还设有电动盘车装置和部分监控测量装置;汽缸与前轴承座之间设有立键作为横向定位。后轴承座组焊于排汽缸上,通过排汽缸裙边支撑在基础上;内装有径向后轴承和部分监控测量装置。各轴承均配置有高压顶轴油,在机组盘车及汽轮机启动时高压顶轴油投入,把转子顶起,以减小盘车启动力矩。

2 实验方法

针对上述实验对象,提出一种新的方法对汽轮机的转子寿命损耗进行预测。在机组频繁调整负荷的操作中,转子遇到的核心考验在于低频热应力波动诱发的疲劳累积,以及高温环境下不可避免的蠕变效应,两者均会显著缩短转子的服役寿命。转子的使用寿命受疲劳与蠕变双重作用的影响,疲劳损伤主要由交变热应力的大小、温度及应力持续时长决定,每当热应力循环一次,转子材料便经历一次疲劳累积,且温度升高,疲劳损伤加剧;另一方面,蠕变损伤在高温下也尤为显著,它随应力持续时间的延长而增加,表现为材料在恒定应力下的缓慢变形。根据上述分析,确定两种损伤与转子使用寿命之间的关系:

式中:T为累计运动时间,TR为蠕变寿命,T/TR用于描述蠕变损伤的累积量;B为在考虑蠕变和低周疲劳损伤相互影响的情况下的影响系数;n为设备启停次数,N为低周疲劳寿命,n/N用于描述低周疲劳损伤的累积量。

在上述计算公式中,当n/N与T/TR的和大于或等于0.8时,应当密切关注并检查转子是否已经出现了裂纹,同时在汽轮机运行的过程中,监视相关运行参数是否在合理范围内。在实际工程中,可通过下述公式计算对汽轮机转子寿命损耗进行预测:

Te=Teff十Ns ×Ts  (2)

式中:Te为汽轮机转子当量运行时间;Teff为汽轮机转子实际运行时间;Ns为汽轮机启动次数;Ts为汽轮机每次启动折算时间。

3 实验参数

汽轮机转子包括带整体联轴器的焊接转子和插 入式叶片。转子是由两段不同材质的合金钢锻件经焊接、加工而成的无中心孔转子,无中心孔转子中心部位的最大应力低,所以转子寿命得以延长,并且有利于机组的快速启动。汽轮机转子的电机端装配有盘车大齿轮,与安装在前轴承座上的回转设备配合,用以盘动转子。汽轮机转子在电机端和汽轮机端均设置有测速齿,用于检测转子的转速。汽轮机主要工况参数如表1所示。

4 实验结果分析与讨论

4.1汽轮机转子寿命损耗预测结果分析

针对LZC38.3—6.9/[0.6]/1.35/565/[265] 型单缸、双压非再热、单抽凝汽式汽轮机(上海汽轮机厂生产),其转子材料为CrMov钢,在运行温度为550℃的条件下,通过综合考虑蠕变断裂与低周疲劳效应,可估算其寿命。结合上述公式计算,得到表2所示的寿命损耗预测结果。

表2体现了对LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型汽轮机转子进行精确寿命管理的重要性,通过综合考虑蠕变、疲劳和启停次数等因素,可以制定出合理的运行和维护策略,以确保转子的长期安全运行。转子具有较长的蠕变断裂时间和低周疲劳寿命,但基于安全考虑,实际允许的启停次数被限制在较低水平,这表明在设计和运营过程中,必须考虑足够的安全裕量以应对不确定性和潜在风险。根据表2中的数据,可以制定出详细的维护计划,包括大修时间、检查频率和维修内容等,有助于确保转子在达到其寿命限制之前得到及时维护和更换,从而避免潜在的安全事故和停机损失。通过优化启停策略、减少不必要的启停次数、提高运行效率等措施,可以进一步延长转子的使用寿命,并降低维护成本。

4.2 寿命损耗预测稳定性分析

按照上述实验内容,完成对10台汽轮机转子(Z01~Z10)的寿命损耗预测,并通过对预测结果精度的分析,实现对该方法预测稳定性的验证。预测结果精度可依据下述公式得出:

式中:K为预测结果精度;W为预测结果;W'为实际转子寿命。

将得到的检测结果记录如表3所示。

从表3可以看出,本文预测方法针对10台汽轮机转子的寿命损耗预测精度均在98%以上,具备极高的预测稳定性。所有转子的预测精度都较高,集中在98.4%至98.9%之间,表明所采用方法对于不同转子的损耗预测均具有较好的一致性和准确性。高精度的预测结果有助于燃气-蒸汽联合循环电厂制定更加科学合理的运营和维护计划,优化资源配置,提高设备的运行效率和安全性。

5 结束语

燃气-蒸汽联合循环电厂汽轮机转子寿命损耗预测是一个涉及多学科、多因素的复杂问题。本文在总结前人研究成果的基础上,结合现代技术和材料科学理论,提出了一种新的转子寿命损耗预测方法,并利用该方法实现了对某6F级燃气-蒸汽联合循环电厂汽轮机转子寿命损耗的预测。同时,通过实验证明,新的预测方法具备极高的预测稳定性,将该方法应用于实际可为转子运行维护提供有力依据。今后 , 笔者还将对如何更准确地获取材料的性能参数和疲 劳损伤数据 ,如何更全面地考虑转子在运行过程中 可能遇到的各种复杂工况和不确定性因素 , 以及如 何将预测结果更好地应用于电厂的实际运维管理进 行更加深入的探索和研究。

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2024年第23期第16篇