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汽轮机转子热应力计算方法

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2009/5/18 9:58:11   

 关键词:  汽轮机

【摘要】 以汽轮机转子应力计算为依据,采用模拟的方法,控制升速率、升负荷率和暖机时间。该应力计算方法实用性强,实现途径简单方便。

【关键词】 应力;模拟;计算方法

机组的启动方式有两种:一种是经验启动曲线,由运行人员设立目标值、变化率、暖机时间;另一种是按条件启动,目标值由运行人员依据汽机转子的应力安全裕度设定其变化率和暖机时间。这样既能保证机组的寿命,又能科学合理地确定机组的启动时间。单机容量200MW以下的机组,采用第一种启动方式;300MW以上的大机组采用第二种启动方式。

国外在研究汽轮机应力方面始于20世纪60年代,而国内也差不多同时起步。直至80年代初,我国开始引进美国西屋技术之后在这一领域才有较大突破。

日立公司最早在125MW机组应用的应力计算装置,叫金属匹配器;法国BBC公司称之为温度探针;美国西屋公司称之为应力计算装置,亦称之为应力评价器,都是通过计算转子表面及其中心孔温差进行机组控制。

1 汽轮机的热应力

高温高压大功率汽轮机的启动和带负荷,特别是冷态启动过程要求十分严格,对转子和汽缸的热应力要进行严密监视。因为在机组启动和带负荷过程中,汽轮机转子及汽缸温度变化将产生很大的热应力。如果启动过程控制不好,将影响汽轮机的使用寿命,甚至损坏设备。

除了汽轮机冷态启动和带负荷,产生热应力外,其热态启动和主蒸汽温度变化同样对汽轮机热应力产生不良影响,因此加强机炉的配合,提高锅炉的运行可靠性是一个非常重要的问题。

汽缸和转子在启动和负荷变化过程中,本身的温度分布是不均匀的,受蒸汽冲刷的表面温度高,金属内部温度低,高、中压转子进汽部分表面温度较高,中心孔温度较低,沿着转子半径存在着一个由里向外温度逐步增高的温度梯度。这个温度梯度使金属各部分膨胀不同,因而产生机械应力,这种由热产生的机械应力定义为热应力。

众所周知,由转子附近蒸汽参数变化所引起的热应力,可由下式描述:

 (1)

式中,σ为转子表面热应力;E为弹性模量;α为热胀系数;γ为泊桑比;Ts为转子表面金属温度;为转子容积平均温度。

当传热条件、温度分布及金属材料性能已知时,转子在温度变化时的热应力可以通过式(1)计算,并简化为:

 (2)

式(2)表明,在汽轮机启动及变负荷时,对温度的限制也就是对汽轮机热应力的限制,使其不超过允许值。

2 传热系数

汽缸与转子表面之间的传热系数取决于相对速度和工质特性,如导热性、粘度和密度等。通过运行试验表明,从蒸汽到转子表面的传热系数的近似计算公式完全可以满足运行控制要求。

h=1.4n+55p (3)

式中,h为从蒸汽到转子表面的传热系数;n为汽轮机转子的转速;p为汽轮机第一级蒸汽压力。

3 转子温度分布

在进行应力计算时,要求提供转子表面金属温度Ts(该温度可由转子表面的蒸汽温度代替)和转子容积的平均温度T。该参数可从转子温度分布的解析计算中求得。

一般而言,转子温度分布,可通过将转子分成若干个环形断面的传热方程得到,如图1所示。


a—转子中心孔半径;b—转子表面半径;δ—环形断面厚度

图1 转子环形断面图

将转子分成8个环形断面,环形断面分的愈多,计算结果精度愈高。

3.1 第i断面方程式(i=1~4)

模拟计算方程:

 

式(4)经拉普拉斯变换后:


 (5)

式中,γi2·(2k)-1

k=λ·(cy)-1

αi=0.5[1+δ·(2ri)-1]

3.2 模拟参数计算

容积平均温度,其中γii=(γ2I-γ2i-1)=1·(b2-a2)-1,计算结果如表1所示。

表1 γi、αi、γi和γi计算值

i ri/mm αi γi/s γi
1 98.2 0.556 29.6 0.066
2 120.4 0.546 29.6 0.083
3 142.6 0.539 29.6 0.100
4 164.8 0.534 29.6 0.116


根据ri、αi、τi和γi计算结果,通过模拟计算方法(如图2所示),模拟计算出转子表面金属温度和转子容积平均温度的温差,以控制机组的暖机时间、升速率和升负荷率。


图2 汽轮机转子应力计算模拟框图

4 结论

本文介绍的模拟计算方法简单、实用性强,适用于中小型机组监视与控制。取转子环形断面为4断,模拟计算精度满足机组监视与控制要求。模拟计算需要的参数少,只需汽轮机的转速n、第一级蒸汽压力PS、第一级蒸汽温度TS和主汽管道的排汽温度TD。在机组启动前,只需取TD代替TS即可实现控制。

作者简介:金忠民(1969-),1992年毕业于哈尔滨工业大学电磁测量及仪表专业,工程师。

参考文献:

[1]徐基豫.锅炉汽轮机自动调节[M],北京:机械工业出版社,1985.

[2]清华大学.元宝山电站300MW汽轮机及其辅助设备的自动控制[J].清华大学学报,1976,(3).

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