1、大型汽轮机寿命管理大型汽轮机寿命管理主讲：付忠广主讲：付忠广 博导博导/教授教授电站运行优化研究所电站运行优化研究所 所长所长思路：思路：l机械部件或设备的寿命管理机械部件或设备的寿命管理寿命损耗机理寿命损耗机理影响因素影响因素（运行因素）（运行因素）外部环境外部环境一、电厂机组外部运行环境一、电厂机组外部运行环境日负荷曲线 负负荷荷低低谷谷-日日最最小负荷小负荷负负荷荷尖尖峰峰-尖尖峰峰负荷或最大负荷负荷或最大负荷最最小小负负荷荷以以下下的的负负荷称为基荷荷称为基荷最大负荷与最小负最大负荷与最小负荷之差称为峰谷差荷之差称为峰谷差 负荷曲线负荷曲线电网峰谷差增大的主要原因电网峰谷差增大的主要原
2、因 l第二产业用电比重减小第二产业用电比重减小l第三产业和居民生活用电比重相应提高第三产业和居民生活用电比重相应提高l电网高峰负荷中，空调负荷大约占电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%，在经，在经济发达地区，可能要大于这个数字济发达地区，可能要大于这个数字l工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）工业内部高耗电行业（冶金、化工、建材等）和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，和传统行业（纺织、煤炭等）用电比重减小，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高可再生能源开发可再生能源开发l可再生能源，如：风能、太阳能接入电网峰谷差增大预期电网负荷的变化趋势预期电网
3、负荷的变化趋势l发达国家电网平均调峰幅度约为发达国家电网平均调峰幅度约为50l中等发达国家约为中等发达国家约为40l第三世界国家约为第三世界国家约为30国外电网的调峰手段国外电网的调峰手段l水电机组调峰水电机组调峰l抽水蓄能调峰机组抽水蓄能调峰机组l火电机组调峰火电机组调峰l燃气轮机机组调峰燃气轮机机组调峰l联合循环机组联合循环机组调峰调峰制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（1）l我国水电的总体调峰容量十分有限主要是水电站季节贫水欠发时间长，有很多是径流式，汛期库容小，不宜弃水调峰；水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用，充分兼顾防洪、发电和航运的作用，特别是汛期，发电必须服
4、从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（2）l部分地区，如山东等经济比较发达的东部地区，受水力资源限制，基本没有可供经济开发的水电站站址抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越源，条件好的抽水蓄能电站的站址越来越少，而且抽水蓄能电站一般造价高（需要少，而且抽水蓄能电站一般造价高（需要少，而且抽水蓄能电站一般造价高（需要少，而且抽水蓄
5、能电站一般造价高（需要引进可逆式机组）、建设周期长引进可逆式机组）、建设周期长引进可逆式机组）、建设周期长引进可逆式机组）、建设周期长 制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（3）l受油气资源限制，一些地区受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰机发电用于调峰 制约我国电网调峰的主要因素（制约我国电网调峰的主要因素（4）l电源结构不合理，火电机组所占比例大，但电源结构不合理，火电机组所占比例大，但没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是没有相应的火电调峰电站；供热机组多数是以热定电，调峰能力差，大批小火电集中退以热定电，调峰能力差，大
6、批小火电集中退役。役。我国火电机组调峰现状我国火电机组调峰现状l可供燃煤机组选择的调峰方式可供燃煤机组选择的调峰方式 低负荷运行方式 两班制运行或周末停机运行方式 低速旋转热备用调峰方式 l强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的强制频繁启停和深度调峰，影响到机组的安全性、经济性与可靠运行安全性、经济性与可靠运行机组调峰运行存在的问题机组调峰运行存在的问题l机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差性较差l锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差l一些机组自动化程度不高，热态启动性能不一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难
7、实现两班制运行好，很难实现两班制运行二、运行中影响机组二、运行中影响机组寿命的因素寿命的因素 4台台50MW机组，机组，80年代初组投运年代初组投运 1992年开始启停调峰运行，最多时年开始启停调峰运行，最多时 100多次多次/年年 1998-1999年发现汽缸裂纹年发现汽缸裂纹 2000年发现转子裂纹，年发现转子裂纹，最深一条最深一条7mm7mm裂纹裂纹某地区汽缸、转子出现裂纹情况统计主蒸汽母管联络门阀体断裂案例 20002000年年8 8月月3131日，某机主日，某机主蒸汽母管联络门阀体焊缝热影蒸汽母管联络门阀体焊缝热影响区一侧主蒸汽管爆断。累计响区一侧主蒸汽管爆断。累计运行运行126,6
8、91126,691小时，启停小时，启停738738次。次。断口分析：断口分析：低周疲劳裂纹低周疲劳裂纹原因分析：原因分析：联络门不严、联络联络门不严、联络管积冷水、定参数停机、阀体管积冷水、定参数停机、阀体和短管表面剧烈冷冲击和短管表面剧烈冷冲击热应力的基本概念热应力的基本概念l热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。l当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，当物体的温度不均匀时，即使没有外界约束，也将产生热应力。也将产生热应力。l热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：l热应力值小，意味着主蒸汽温变率小，启热应力值小
9、，意味着主蒸汽温变率小，启动（或停机）时间较长，造成不必要的经动（或停机）时间较长，造成不必要的经济损失（燃油增大运行成本）；而应力值济损失（燃油增大运行成本）；而应力值过大，则对机组造成不安全因素。过大，则对机组造成不安全因素。l热应力本身看不见、摸不到热应力本身看不见、摸不到，对汽轮机，对汽轮机转子的热应力若无有效的监测，运行人转子的热应力若无有效的监测，运行人员将无法得知现在运行过程热应力的大员将无法得知现在运行过程热应力的大小。小。热应力特性热应力特性l难以直接测量 转子热应力的特点转子热应力的特点l有些进口的机组虽然装有转子温度探针，有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针同
10、样是通过数学模型来显其实这种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的，并非直接测量转子示转子内外温差的，并非直接测量转子内外壁的温度，因此它的准确计算同样内外壁的温度，因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。依赖于数学模型的建立。温度探针温度探针l通过模拟原理建立一个通过模拟原理建立一个数学模型，使棒体各部数学模型，使棒体各部的温度能够模拟转子的的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。径向温度及其差值。l这种设备形似直接探测，这种设备形似直接探测，实际上是通过传热学模实际上是通过传热学模型来建立模拟关系。型来建立模拟关系。汽轮机转子的热应力场汽轮机转子的热应力场国产国产100MW机组温态启动
11、终了的应力场机组温态启动终了的应力场转子的重点部位的转子的重点部位的应力时间关系曲线应力时间关系曲线热应力的简化计算：热应力的简化计算：转子的热应力转子的热应力过渡工况下的热应力：过渡工况下的热应力：l汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产汽轮机在启动、停机或负荷变化时，转子金属内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下生较大的温度梯度并由此产生热应力，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。重点部位：l汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级，在启停及负荷变动过程中，汽温的变
12、化最为剧烈，导致了该部位温荷变动过程中，汽温的变化最为剧烈，导致了该部位温度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。度梯度及热应力为最大，成为整个转子的最危险部位。国产国产100MW机组停机时的热应力场机组停机时的热应力场国产国产国产国产200MW200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中机组中压第一级叶轮根部应力集中N125N125机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中热应力集中的特点热应力集中的特点l应力集中均密集在槽底应力集中均
13、密集在槽底12mm深度以深度以内，在这个深度以外，应力迅速衰减至内，在这个深度以外，应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为公称应力水平。因此初始裂纹深度常为12mm。在这个深度以外，原有的应。在这个深度以外，原有的应力水平很低，当加工车去表面裂纹后，力水平很低，当加工车去表面裂纹后，新表面还可有相当高的疲劳寿命。新表面还可有相当高的疲劳寿命。热冲击热冲击l金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大金属材料受到剧烈的加热或冷却，引起内部产生很大的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为的温差，形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击热冲击。热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造
14、热冲击时承受很大的热应力，有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正汽轮机热态启动时，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽常运行中，锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。轮机的热冲击。同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用同样，当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。电或空负荷运行，也将造成汽轮机的热冲击。l热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停
15、和正常运行中，应特别注意。启停和正常运行中，应特别注意。温度波动温度波动温度波动温度波动6565负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5555负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 8080负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5555负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 6060负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5555负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5555负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 停机停机启动启动 6060负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5252负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5252负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 5555负荷调整负荷调整负荷调整负荷调整 启动启动三、寿命损耗机理三、寿命
16、损耗机理寿命损耗寿命损耗l疲劳损伤疲劳损伤由材料力学可知，金属材料在交变应力反复作由材料力学可知，金属材料在交变应力反复作用下，会出现疲劳损伤。用下，会出现疲劳损伤。即使应力不超过材料的屈服极限，经过一定次即使应力不超过材料的屈服极限，经过一定次数的循环（交变应力反复作用），金属材料也数的循环（交变应力反复作用），金属材料也将产生微观裂纹。将产生微观裂纹。如果应力足够大，则循环次数不多，材料也将如果应力足够大，则循环次数不多，材料也将断裂。断裂。寿命损耗（续寿命损耗（续1）l寿命寿命工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效寿命。寿命。工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次工程上，将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。（即断裂寿命与致裂寿命之差）称为：残余寿命。l低周疲劳低周疲劳汽轮机在启停和工况变化过程中，转子承受交变热应力。汽轮机在启停和工况变化过程中，转子承受交变热应力。这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率低，疲劳裂
