大型汽轮机转子低调疲劳损伤评估问题研究

冷启林

摘 要： 提高调峰能力成为保证电网运行是否稳定的关键问题，继续投入扩建新的机组和延长现有机组服役期限是保障电网调峰能力的两个可选方法。而火力发电厂的建设成本和运营成本越来越高。对火电设备进行准确的损伤评估和状态监控，延长其使用寿命的费用只有建设新电厂的20%左右。因此，为保证火力发电设备的安全投入使用，对大型汽轮机机组相关设备的损伤评估方法以及可靠性运行问题展开研究，具有重要的学术价值和工程意义。

关键词： 汽轮机转子;低周疲劳损伤;评估

【中图分类号】U356 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）22-0187-01

引言：随着我国经济的发展，电力负荷总量不断增加，一部分火电大机组必将逐步开始承担调峰任务。面对这种情况，发电企业会不断投入扩大电网容量，另一方面，高参数大功率汽轮机机组被普遍采用，小型机组的数量不断减少，表现在参与调峰的汽轮机机组的功率越来越大，峰谷差的矛盾日益明显，影响了电网的稳定性。

1 影响转子寿命的因素

汽轮机机组的运行可以分为变工况运行和定工况运行。其中在启动、停机、变工况运行工况下，蒸汽温度、蒸汽压力、蒸汽流量等参数剧烈变化，转子本体受热不均，此时对汽轮机转子造成的损伤主要是低周疲劳损伤。而汽轮机在定工况运行时，主要承受高温蠕变损伤，这是由于汽轮机运行高温环境中，在热应力的影响下金属材料有逐步发生蜕变的趋势。一般来说，引起金属蠕变发生的应力强度接近金属的屈服强度，如果长期暴漏在高温的环境下，例如接近金属熔点，则会加剧金属蠕变反应。汽轮机转子长时间工作在高温高压的环境下，加上温度参数急剧变化，很容易产生高温蠕变现象，对汽轮机转子本体造成损伤。

2 大型汽轮机转子低调疲劳损伤问题

大型汽轮机转子损伤评估与控制关系到整个汽轮机机组的经济效益与安全运行，是工业界急需解决的重要问题之一。无论对于工业界还是学术界，深入研究大型汽轮机转子等大型机械设备损伤的产生原因、发展机制、程度评估以及有效控制都具有特别重要的意义。以国产300MW汽轮机转子为例，研究了汽轮机转子低周疲劳损伤的非线性累积特点，在对损伤非线性模型进行分解的基础上，提出了损伤在线评估与监控方法，并且将大型汽轮机转子损伤纳入到控制器性能评估理论体系内，建立了以损伤为目标的控制器性能评估方法。

（1）针对现在广泛使用的汽轮机低周疲劳损伤线性累积方法不准确的问题，首次提出了一种新的基于热力学熵的非线性累积方法。考虑到Manson-Coffin等式与循环应力应变关系，消除了原模型中的不可测参数，得到了可用于实时计算的损伤指标。通过计算国产300MW汽轮机全生命周期损伤，建立了基于动态热力学熵模型的汽轮机转子低周疲劳损伤评估框架，与线性累积准则的结果对比验证了该模型的损伤评估的合理性;与非线性损伤力学模型的结果对比验证了该模型的损伤评估的精确性。为大型汽轮机设备的低周疲劳损伤计算与评估提供了一种工程中实际可用的新方法。

（2）汽轮机转子低周疲劳损伤评估中，数值法计算精确但是耗时，解析法计算简便但无法保证计算精度，结合二者优势，研究热应力传递函数的灵敏性，定量的分析有限元软件中汽轮机转子几何尺寸对于数值分析结果的影响，首次建立基于有限元技术的在线评估模型。通过国产300MW汽轮机机组冷态启动为例，对比在线评估模型与有限元数值分析结果，结果显示误差小于3%，验证了模型的精确性。首次提出了基于有限元分析技术的汽轮机低周疲劳损伤在线评估方法框架，为工程中转子损伤评估提供了一种新的方法论。

（3）利用有限元仿真产生的丰富而准确的过程数据，采用数据驱动方法动态偏最小二乘法（DPLS）建立了汽轮机转子低周疲劳损伤动态模型。汽轮机机组起动及停机的过程中，蒸汽参数温度、压力、流量等参数高度相关，采用动态偏最小二乘方法可以消除不同变量之间以及相同变量在不同时刻的相关性，找到最影响转子损伤发展的变量，可以建立较为精确的过程模型。通过国产300MW汽轮冲转过程的数据，推导并建立了可用于监控的动态PLS模型。仿真实例验证数据驱动方法在汽轮机转子损伤评估中的应用的可行性。

（4）针对汽轮机转子以损伤为目标的控制性能评估问题，采用多项式方法建立国产300MW汽轮机机组的冲转过程模型，并采用最小方差作为基准评估控制器性能。将金属损伤的非线性模型分解为动态线性部分和静态非线性部分，有效的降低模型复杂度，得到理论最小方差。基于冲转过程实际数据的仿真结果指出，以损伤为目标的控制性能指标与比例参数呈现的非线性关系，考虑到汽轮机机组在全寿命周期运行过程中损伤分配，其结果是可以接受的。

3 大型汽轮机转子低调疲劳损伤评估工作展望

大型汽轮机转子的损伤评估与控制问题还有很多关键性技术需要突破，某些关键点上还有很多问题需要解决。本文在前人工作的基础上做了粗浅的研究和总结，目前来看，待展开和深入的工作还有：

（1）本文重点做的工作是汽轮机转子低周疲劳损伤评估方法与控制的研究，其损伤的形成与发展主要是发生在机组的启动和停机过程，而高温蠕变损伤也是机组在运行时不可忽视的。如何开展汽轮机机组，尤其是转子等关键设备的高温蠕变损伤精确评估的研究，是今后有待展开的工作。

（2）在目前已經完成的工作中，很多都假设汽轮机转子低周疲劳损伤与高温蠕变损伤是相互独立的，这样简化了损伤建模的难度。但是实际情况是，低周疲劳损伤与高温蠕变损伤是高度耦合的，今后可以针对这种高度耦合非线性过程进行研究，继续完善和发展汽轮机转子全损伤精确评估与控制方法。

4 结束语

本文的研究工作主要是依托国产300MW汽轮机转子低周疲劳损伤评估这一工业背景展开，很多结论和条件是在前人的研究成果基础上获得的，某些认识或许稍显简单，希望本文的研究工作和结论能为大型汽轮机设备的损伤评估与控制提供有益的借鉴，为后来人继续从事汽轮机机组损伤评估起到一定程度的帮助作用。

参考文献

[1] 史进渊，孙庆，杨宇等.大型汽轮机部件蠕变寿命的设计和评估[J].中国电机工程学报，2002，22（3）：103-107.

[2] 荆建平，孟光.汽轮机转子疲劳-蠕变损伤的非线性损伤力学分析[J].中国电机工程学报，2003，23（9）：167-172.