负温度匹配在热态中压缸启动中的应用分析
2016-02-16朱慧强朱庆玉冷伯炟梁明文
朱慧强,朱庆玉,冷伯炟,梁明文,冷 杰
(1.东北电力大学能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012;2.华能新疆阜康热电有限责任公司,新疆 昌吉 831500;3.沈阳工程学院,辽宁 沈阳 110136;4.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006)
负温度匹配在热态中压缸启动中的应用分析
朱慧强1,朱庆玉2,冷伯炟3,梁明文4,冷 杰4
(1.东北电力大学能源与动力工程学院,吉林 吉林 132012;2.华能新疆阜康热电有限责任公司,新疆 昌吉 831500;3.沈阳工程学院,辽宁 沈阳 110136;4.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006)
以某350 MW汽轮机高中压转子为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件进行转子热固耦合分析。计算在热态中压缸启动过程中采用负温度匹配时高中压转子的应力变化和寿命损耗情况。结果表明:热态中压缸启动过程中采用小幅负温度匹配安全可行,对转子寿命影响微小,还可以显著缩短启动时间,提高汽轮机调峰经济性和灵活性。
负温度匹配;热态中压缸启动;热固耦合
随着社会经济发展和用电结构改变,电网负荷峰谷差矛盾日益突出,因此要求更多的大容量火电机组参与调峰运行[1]。相比于高中压联合启动方式,中压缸启动具有启动时间短、转子受热均匀、寿命损耗小、负荷适应性强等特点,多用于汽轮机调峰运行[2-3]。
汽轮机调峰过程中转子整体温度水平较高,若满足正温度匹配,必须长时间等待蒸汽温度上升,这将延长启动时间,降低调峰灵活性,损失大量燃料。
汽轮机总是要经历启动、停机以及负荷升降,只要进行停机或降负荷过程,蒸汽温度低于转子表面金属温度,转子表面就会因被冷却而产生拉应力,这是汽轮机运行特性所决定的。另外,从金属材料的力学属性角度分析,金属材料的抗拉能力与抗压能力基本相同,并没有要求只能承受压应力而不能承受拉应力,所以启动过程中转子表面产生拉应力无需严格限制[4]。因此在中压缸启动中采用小幅负温度匹配,可避免出现正温度匹配的缺陷,同时发挥中压缸启动自身优势,提高机组启动过程的经济性和灵活性。
1 转子热固耦合分析
1.1 转子建模
以某电厂350 MW汽轮机高中压缸无中心孔转子为研究对象,该汽轮机为亚临界参数、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机。额定主汽压力为16.67 MPa,额定主汽温度为538℃,额定再热汽压为3.55 MPa,额定再热汽温为538℃,共8级回热抽汽,高压缸叶片共15级(包括1级单列调节级),中压缸叶片共8级。转子二维轴对称模型以汽轮机转子的加工图为依据,见图1。叶片部分按等离心力原则简化为连续的轮盘体[5]。轴封、汽封等部位由于尺寸微小,对计算结果影响有限,结构上简化为直线,在施加载荷等计算中仍按轴封、汽封进行分析,其结果满足计算精度要求。
图1 转子二维轴对称模型
在网格划分过程中,对由中压缸前两级开始到高压缸前两级为止的转子外边界进行网格加密,以提高重点监视部位的计算精度。高中压转子二维轴对称模型共划分17 418个单元,54 791个节点。转子模型网格划分局部示意图见图2。
图2 转子模型网格划分局部示意图
1.2 边界条件
1.2.1 运行参数
选取中压缸汽轮机参与调峰运行时的停机、冷却、启动过程状态参数,作为计算转子表面各部位蒸汽参数的依据,其中停机和冷却过程状态参数主要用于确定转子启动前初始温度分布。在转子冷却8 h后,调节级后转子表面金属温度约为407℃,中压缸第1级级后转子表面金属温度为409℃,在此条件下启动为热态启动[6]。
1.2.2 蒸汽参数
蒸汽与转子的对流换热系数可根据结构分为光轴、轴封汽封、叶轮两侧、叶轮顶4种,转子各部位蒸汽温度、压力等参数可由变工况计算获得。
1.2.3 其他边界条件
在转子模型中心轴线处,假定无热量传递,即中心轴线视为绝热;转子模型左右两端面热流量很小,也可视作绝热边界;在转子两端轴颈部位,与轴承对应部位可视作与温度为80℃的润滑油进行换热,其他缸外部分可视作与温度为80℃的空气进行换热。
2 计算结果分析
2.1 转子温度场分析
在ANSYS软件中,将转子表面介质温度和对流换热系数等载荷施加在转子模型上进行计算,可获得不同时刻转子的温度场分布,见图3。
图3 不同时刻转子温度场
由于中压缸启动过程中中压缸先进汽冲转,高压缸处于隔离状态,达到一定负荷或转速后进行切缸,高压缸进汽恢复高中压缸联合启动继续升负荷[7]。中压第1级叶根处和高压缸调节级叶根处分别为蒸汽进入中压缸和高压缸后最先接触转子主轴的部位,由实际运行经验,这2个部位也是运行过程中的主要监视部位。下面分析不同负温度匹配时这2个部位的温度变化过程,由于目前对负温度匹配研究相对较少,为保证汽轮机安全运行,匹配温差先控制在较小的范围内,本文选取-40~0℃,扩大负温度匹配范围需等到小幅负温度匹配深入研究和推广之后可进一步尝试。不同匹配温度监视部位金属温度变化曲线见图4。
由图4可见,当采用负温度匹配时,启动过程中转子会经历一次冷却过程,负温度匹配程度越大,转子表面温降越剧烈。随后蒸汽温度逐渐上升,转子再次被加热升温直至稳定。为分析冷却过程作用范围,以匹配温度-40℃为例分析转子由表面向中心不同深度时温度的变化情况见图5,冷却过程作用时间较短,作用范围主要在表面附近,对转子内部温度影响微小。
2.2 转子应力场分析
转子的应力主要由热应力和高速旋转过程中产生的离心力组成。在高压缸调节级叶根处和中压第1级叶根处会出现一定程度的应力集中。不同匹配温度监视部位等效应力变化曲线见图6。
图4 不同匹配温度监视部位金属温度变化曲线
图5 调节级叶根处不同深度温度变化曲线
由图6可见,从中压缸进汽开始,由于蒸汽温度低于转子金属温度,转子被冷却产生拉应力,高压缸在切缸前短时间被隔离,期间高压缸内不进汽,所以初期调节级应力变化微小,切缸后转子同样被冷却。冲击应力逐渐上升达到最大值后,由于蒸汽温度逐渐上升,转子被加热,拉应力减小最终转变为压应力。匹配温差越大,冷冲击应力就越大,负温度匹配还使启动过程最大应力有小幅度上升,具体应力见表1。根据文献[8]提供的公式计算启动过程转子寿命损耗,结果见表2。
图6 不同匹配温度监视部位等效应力变化曲线
表1 不同匹配温度下冲击应力及最大应力
表2 不同匹配温度下启动过程转子寿命损耗
转子材料的屈服极限在400℃时为537 MPa,500℃时为492 MPa,许用应力取0.65倍的屈服极限,在400~500℃最小值为319.8 MPa,表1中可见冲击应力及最大应力都未超过此数值。所以,一定程度进行负温度匹配启动造成的冲击应力及最大应力增加不会影响安全性。由表2数据可以看出,冲击应力引起的寿命损耗基本不变,最大应力变化对寿命的影响也不大[9]。
3 启动时间分配优化
由于采用负温度匹配中压缸启动时,汽轮机可以提前进汽,可节约启动时间,以1℃/min的冲转温升率计算,相对于通常要求的50℃正温度匹配,温度0匹配可节约启动时间50 min,若与温度0匹配比较,负匹配温差每增大1℃,可以节省启动时间1 min,若将这些时间用于延长升负荷过程,可以一定程度降低启动过程中最大应力的峰值。以匹配程度最大的-40℃启动过程为例,相对于温度0匹配,其提前进汽节约时间最长为40 min,图7为将10 min、20 min、30 min、40 min分别用于延长升负荷过程时监视部位等效应力的变化曲线。可以看出,负温度匹配启动节省的时间用于延长升负荷时间,可减小启动过程最大应力峰值,延长转子寿命。
图7 不同延长时间调节级叶根处等效应力变化曲线
4 结论
a.机组参与调峰时,热态启动过程中温度正匹配存在难以实现、等待温升时间长、经济性和调峰灵活性差等缺陷,由此建议采用小幅负温度匹配中压缸启动方式。
b.由负温度匹配中压缸启动热固耦合分析结果可知,启动过程中的转子冷冲击应力以及最大热应力的微增基本不会影响转子寿命,还可以减少启动时间,相对于50℃正温度匹配,小幅负温度匹配甚至可以节省超过1 h的启动时间,提高机组调峰灵活性。
c.将部分负温度匹配启动节省的时间用于延长升负荷过程,既可以减小最大应力值,降低转子寿命损耗,又能使机组可以根据启动实际情况合理分配启动时间,提高调峰的经济性。
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[3]孙宏祥.俄罗斯300 MW汽轮机中压缸启动特点[J].东北电力技术,1998,19(3):22-27.
[4]江 宁.汽轮机厚壁部件的状态监测与运行优化[D].南京:东南大学,2000.
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[6]张兆基,危师让,敬 勇.汽轮机组启动运行方式与安全经济性的关系[J].热力发电,1987,16(2):36-41.
[7]杨 飞.国产引进型300 MW机组的旁路与启动模式[J].热力发电,1998,17(4):25-27.
[8]白 云.600 MW汽轮机转子低周疲劳寿命计算及研究[D].长沙:长沙理工大学,2009.
[9]王晓波.调峰工况汽轮机转子热应力分析[D].吉林:东北电力大学,2015.
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
朱慧强(1990—),男,硕士在读,主要从事大型火电机组调峰研究。
2016-03-27)