大型汽輪機運行特性

大型汽輪機運行特性主講：傅忠廣fuzg@fzg@大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!本課程的主要內(nèi)容汽輪機的調(diào)峰運行與汽輪機熱應力和壽命管理汽輪機啟停和正常運行中的幾個關鍵問題汽輪機幾種典型運行事故與運行特性相關的汽輪機幾個典型系統(tǒng)及運行管理汽輪機采用的提高經(jīng)濟性的先進技術汽輪機組狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!章汽輪機的調(diào)峰運行與

汽輪機熱應力和壽命管理大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!日負荷曲線

負荷低谷---日最小負荷負荷尖峰---尖峰負荷或最大負荷最小負荷以下的負荷稱為基荷最大負荷與最小負荷之差稱為峰谷差

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!電網(wǎng)峰谷差增大的主要原因第二產(chǎn)業(yè)用電比重減小第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電比重相應提高電網(wǎng)高峰負荷中，空調(diào)負荷大約占30%，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，可能要大于這個數(shù)字工業(yè)內(nèi)部高耗電行業(yè)（冶金、化工、建材等）和傳統(tǒng)行業(yè)（紡織、煤炭等）用電比重減小，低電耗、高附加值產(chǎn)業(yè)的用電比重相應提高大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!國外電網(wǎng)的調(diào)峰手段水電機組調(diào)峰抽水蓄能調(diào)峰機組火電機組調(diào)峰燃氣輪機機組調(diào)峰聯(lián)合循環(huán)機組調(diào)峰大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（1）我國水電的總體調(diào)峰容量十分有限主要是水電站季節(jié)貧水欠發(fā)時間長，有很多是徑流式，汛期庫容小，不宜棄水調(diào)峰；水電站要服從于水利樞紐工程的綜合利用，充分兼顧防洪、發(fā)電和航運的作用，特別是汛期，發(fā)電必須服從于防洪。因此火電機組的調(diào)峰壓力很大。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（3）受油氣資源限制，一些地區(qū)沒有燃油或天然氣的燃氣輪機發(fā)電用于調(diào)峰大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（5）電源結構不合理，火電機組所占比例大，但沒有相應的火電調(diào)峰電站；供熱機組多數(shù)是以熱定電，調(diào)峰能力差，2000年10萬千瓦及以下凝汽機組和小于0.6萬千瓦的小火電共計6000多萬千瓦退役。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!調(diào)峰機組的運行特性啟、停頻繁負荷變動范圍大對外界負荷變化的響應迅速大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!關注：

調(diào)峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響研究發(fā)現(xiàn)：汽輪機轉子上的局部結構不同導致機組不同的運行特性。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!調(diào)峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!調(diào)峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!調(diào)峰機組的設計與運行特性如對某廠運行的100MW機組進行的分析表明：該型汽輪機不宜作兩班制調(diào)峰運行。若一定要參與調(diào)峰運行，建議車大彈性槽圓角半徑和隔板汽封進出汽處過渡圓角半徑。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!我國火電機組調(diào)峰現(xiàn)狀可供燃煤機組選擇的調(diào)峰方式低負荷運行方式

兩班制運行或周末停機運行方式

低速旋轉熱備用調(diào)峰方式

強制頻繁啟停和深度調(diào)峰，影響到機組的安全性、經(jīng)濟性與可靠運行大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!夜間低負荷運行機組白天基本滿負荷運行，深夜負荷低谷時降低負荷運行。有的小機組夜間采用少蒸汽無負荷運行方式，發(fā)電機轉為電動機方式運行，帶無功負荷，故也稱為調(diào)相運行。要求：機組具有負荷快速變化（5~10%/分鐘）的適應能力低負荷運行穩(wěn)定性好，并能保持較高的熱效率大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!機組調(diào)峰運行存在的問題機組原設計按承擔基本負荷設計，負荷適應性較差鍋爐低負荷穩(wěn)燃問題，導致調(diào)峰能力差一些機組自動化程度不高，熱態(tài)啟動性能不好，很難實現(xiàn)兩班制運行調(diào)峰手段應多樣化。如：建抽水蓄能機組，水電廠再開發(fā)，燃氣輪機等。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!汽輪機異常工況運行汽輪機處于正常工況容許變動范圍之外，但尚不至于立即發(fā)生設備損壞事故的工況下運行會導致汽輪機效率的顯著惡化并加速設備運行壽命的損耗常見的異常工況有：主蒸汽參數(shù)偏差過大高背壓低真空運行回熱加熱器停運葉片截短或缺級運行超出力運行，等。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!影響機組運行的關鍵因素－

熱應力&疲勞壽命損耗大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!轉子溫度場和應力場轉子熱應力的特點溫度場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!溫度探針通過模擬原理建立一個數(shù)學模型，使棒體各部的溫度能夠模擬轉子的徑向溫度及其差值。這種設備形似直接探測，實際上是通過傳熱學模型來建立模擬關系。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!轉子溫度場和應力場轉子熱應力的特點溫度場模型應力場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

轉子的應力場應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!溫度場的數(shù)學模型（續(xù)1）由變分原理，偏微分方程式（1）的第三類邊界條件問題，可等價地轉換為下列泛函

（2）的極值問題，即

在求泛函數(shù)極值的基礎上，對區(qū)域D進行離散化，在每個單元上，泛函式（2）是成立的，由于整個區(qū)域D是全部單元的總和

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!溫度場的數(shù)學模型（續(xù)3）通過公式推導，可得到n階線性代數(shù)方程組以求解n個節(jié)點的溫度，選用伽遼金格式，其形式為：

上式穩(wěn)定且不振蕩的條件是：

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!汽封中的放熱系數(shù)式中——蒸汽的導熱率，kJ/(m.℃.h)――汽封間隙，m;——汽封環(huán)境寬度，m;——漏汽面積，----漏汽量，kg/s;——蒸汽粘度,Pa.s

——汽封漏汽量，t/h;、——分別為其流入口及出口的壓力——汽封入口的蒸汽比容，——汽封齒數(shù)大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!壓力級葉輪兩側的放熱系數(shù)當雷諾數(shù)時當雷諾數(shù)時

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!放熱系數(shù)變化規(guī)律大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!汽輪機啟動時轉子的溫度變化大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!轉子的內(nèi)外壁的溫度～時間關系曲線

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!應力場的數(shù)學模型求解應力場的關鍵是解出在非穩(wěn)態(tài)溫度變化下，單元上各節(jié)點的位移，從而求得單元內(nèi)的應變及應力，以熱彈性理論為基礎，單元各節(jié)點的位移可用矩陣表示為：

單元內(nèi)的位移為：

將上式代入幾何方程：

單元內(nèi)的應變?yōu)椋捍笮推啓C運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!轉子的重點部位的應力～時間關系曲線大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的特點溫度場模型應力場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!國產(chǎn)100MW機組高壓轉子有限元計算網(wǎng)格劃分圖大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!轉子的應力集中的部位轉子的應力集中的部位：

在汽輪機轉子外表面的葉輪根部圓角、軸肩以及槽溝等部位都存在不同程度的熱應力集中現(xiàn)象。在機組啟停時，這些部位特別是軸封彈性槽處的熱應力可能達到很高的水平，是影響機組啟停安全和壽命損耗的重點部位。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!國產(chǎn)200mw機組轉子彈性槽的應力集中汽封齒的熱應力集中問題不大。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!N125機組彈性槽在冷態(tài)啟動終了的應力集中大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!槽形狀的改變對熱應力集中的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!熱應力集中的影響因素幾何形狀熱載荷材料的物理特性大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!幾何形狀對應力集中的影響國產(chǎn)N200機組由于高、中壓轉子彈性槽的幾何形狀設計不甚合理，槽太深且底部拐角圓弧太小，導致了嚴重的熱應力集中現(xiàn)象。熱應力集中主要表現(xiàn)在轉子的軸向應力，切向應力集中現(xiàn)象輕微。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!熱載荷的影響熱應力集中系數(shù)與一般的機械應力集中系數(shù)不同，其值除與幾何形狀有關外，還與熱載荷有關。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!暖機過程對應力集中的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!熱應力集中系數(shù)的計算

（經(jīng)驗公式計算）大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!兩葉輪之間、單葉輪根部的應力集中情況大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!熱應力集中系數(shù)隨啟動時間的變化變化關系可由下式近似表達式中：Kth

—進入準穩(wěn)態(tài)時的集中系數(shù)；

—啟動到達的時間，min;

Kt

—啟動到達時間t時的熱應力集中系數(shù)。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!材料對熱應力的影響熱應力的基本方程式為：——彈性模量

——線脹系數(shù)

——泊松比

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!溫度的變化對熱應力的影響溫升率對熱應力的影響從圖中三條曲線對比可以看出，溫升率越大，熱應力水平越高，而且熱應力在開始階段迅速達到最大值，隨后呈下降趨勢。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度調(diào)節(jié)級室汽溫的降落幅度與進汽調(diào)節(jié)方式、新汽參數(shù)以及調(diào)節(jié)級的設計焓降有關N125機組熱態(tài)啟動沖轉時調(diào)節(jié)級汽溫降落幅度計算值見下表由表可見：新汽壓力越低，汽溫降落的幅度越小。因此在啟動時，新汽的壓力以低些為宜。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!汽輪機轉子照片大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!N200機組啟動過程中調(diào)節(jié)級汽溫變化曲線(實測)大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!壓力的變化對熱應力的影響蒸汽的壓力往往影響放熱系數(shù)在一般粗略的計算中，可以把兩者之間的關系歸納為：轉子光軸處：高壓軸封入口：

外表面可以視為第三類邊界條件：壓力越大，對流系數(shù)就越大。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!熱沖擊金屬材料受到劇烈的加熱或冷卻，引起內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫差，形成很大的沖擊熱應力的現(xiàn)象稱為熱沖擊。熱沖擊時承受很大的熱應力，有時僅一次熱沖擊就可能造成零部件的永久性破壞。汽輪機熱態(tài)啟動時，如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常運行中，鍋爐汽包水位失調(diào)而造成滿水等均可能產(chǎn)生汽輪機的熱沖擊。同樣，當電網(wǎng)或發(fā)電機故障而引起汽輪機甩負荷后帶廠用電或空負荷運行，也將造成汽輪機的熱沖擊。熱沖擊可能對汽輪機產(chǎn)生嚴重的損傷，因此，在機組啟停和正常運行中，應特別注意。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!壽命損耗（續(xù)1）壽命工程上，將致裂疲勞循環(huán)周次（致裂壽命）稱為：有效壽命。工程上，將產(chǎn)生宏觀初始裂紋至斷裂之間的循環(huán)周次（即斷裂壽命與致裂壽命之差）稱為：殘余壽命。低周疲勞汽輪機在啟停和工況變化過程中，轉子承受交變熱應力。這種交變熱應力循環(huán)的特點是：交變循環(huán)周期長，頻率低，疲勞裂紋萌發(fā)的循環(huán)次數(shù)少，故稱為低周疲勞大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!低周疲勞(a)540℃(b)565℃兩種溫度下，斷口掃描電鏡圖片大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!時效過程中組織變化(a)原始試樣(b)660℃時效300小時(c)660℃時效500小時(d)660℃時效800小時660℃溫度下不同時效時間的金相組織照片大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!低周疲勞特性對壽命的損耗1983年前蘇聯(lián)文獻中公布的轉子鋼疲勞特性曲線

從圖中看到，所受熱應力越大，循環(huán)周次(即金屬材料的疲勞壽命)就越少；工作溫度越高，循環(huán)周次就越少。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁!低周疲勞特性對壽命的損耗(續(xù))

30Cr2MoV鋼500℃時的低周疲勞曲線

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!轉子疲勞壽命損耗的計算依據(jù)材料的低周疲勞特性曲線進行計算，首先求

式中，——計算點的公稱當量應力；

——材料的彈性模量；

——彈、塑性應變集中系數(shù)；

算出后，即可查得，則啟動（或停機）一次的壽命損耗為

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁!高溫蠕變汽輪機的工作溫度很高，其汽缸、轉子等零部件會發(fā)生蠕變，損耗壽命。轉子的蠕變壽命損耗率的計算公式如下：式中：t—在某種工作條件下累積運行時間；—在相應條件下金屬部件臨界點蠕變斷裂時間。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁!低溫脆性&FATT低溫脆性是指高強度合金鋼在某一低溫范圍內(nèi)，韌性特性顯著下降的一種現(xiàn)象。在工程應用上，把進行材料沖擊試驗時斷口形貌中韌性和脆性破壞面積各占50％時所對應的試驗溫度，稱為材料的脆性轉變溫度，記作FATT。–材料溫度＞FATT，呈現(xiàn)韌性破壞–材料溫度＜FATT，呈現(xiàn)脆性破壞，發(fā)生脆性損傷的可能性增加。–材料在高溫環(huán)境下長期工作，其FATT有緩慢升高的現(xiàn)象對汽輪機轉子材料的FATT有明確的要求，而且對預防汽輪機轉子脆性損傷也有具體的措施–對CrMoV轉子鋼來講，F(xiàn)ATT=80～130℃?，F(xiàn)代斷裂力學認為：金屬材料低溫脆性破壞的根本原因在手材料在鍛造、熱處理過程中形成的潛在微小裂紋。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁!壽命的管理與控制對汽輪機壽命的評估方法，一般采用線性累積損傷法，即轉子的累積總壽命損耗率Ｍ為低周疲勞損傷與高溫蠕變損傷之和：

由上式可知，轉子的使用壽命有壽命分配問題。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁!汽輪機壽命的合理分配目前通常認為汽輪機的服役年限為30年。在這30年的時間里，如何合理分配汽輪機的壽命，充分利用汽輪機的壽命，以取得最大的經(jīng)濟效益是汽輪機壽命分配的出發(fā)點。對于帶基本負荷的機組，汽輪機壽命的損耗主要為高溫蠕變和正常檢修啟停所需低周疲勞對汽輪機壽命的損耗。對調(diào)峰機組，除檢修、維護需要正常啟停以外還應根據(jù)電網(wǎng)要求，安排一定次數(shù)的熱態(tài)啟動和一定范圍內(nèi)的負荷變化。負荷變化量（率）和熱態(tài)啟停次數(shù)（速區(qū)）應視電網(wǎng)的要求而定。在分配壽命損耗時，既要考慮汽輪機壽命的合理損耗，又要考慮到電網(wǎng)的調(diào)峰需要。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁!ABB600MW超臨界機組

ABB600MW超臨界機組壽命損耗分配余度較大，30年內(nèi)由熱應力損耗的壽命僅占總壽命的11.575%，其余88.425%作為高溫蠕變和富裕量。該機組設計壽命富裕是最大的。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁!汽輪機壽命的監(jiān)測在實際運行過程中，由于不可預測的因素較多，可能導致實際壽命損耗與預先分配值有較大偏差，因此，有必要對汽輪機壽命損耗進行監(jiān)測。

壽命監(jiān)測就是定期或不定期（每次啟、停中或啟停后）地對汽輪機壽命的實際損耗情況進行核算，以確保機組的安全運行。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁!在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用一些引進機組（如元寶山的法國機組），有的已裝備了壽命監(jiān)測裝置。它能在機組啟停和負荷變化中計測壽命的損耗并累計，而且還和汽輪機DCS、DEH結合在一起，對機組的啟停和負荷變化進行閉環(huán)控制。ABB超臨界600MW機組控制系統(tǒng)以調(diào)節(jié)級溫度探針和中壓缸級后溫度探針所測溫度為輸入信號→熱應力計算機TURBOMAX進行熱應力和壽命損耗計算。TURBOMAX和主機控制系統(tǒng)TT52聯(lián)系在一起，二者協(xié)調(diào)對機組進行控制，確保汽輪機的壽命損耗率控制在允許范圍內(nèi)，使啟動時間最短、最經(jīng)濟。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁!轉子實際壽命損耗核算方式有二：離線計算在啟動或停機后，根據(jù)調(diào)節(jié)級和中壓級的汽溫變化曲線，計算啟停過程的壽命損耗。關鍵點：要求調(diào)節(jié)級和中壓級的汽溫變化記錄要準確，并能反映壽命損耗監(jiān)督部位的真實汽溫狀態(tài)。問題：關鍵汽溫測點未裝，或測點不準。在線計算編制軟件，在線調(diào)用關鍵汽溫數(shù)據(jù)，在線計算當前的熱應力。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁!在線監(jiān)測系統(tǒng)的流程：大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁!在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施步驟采用解析法來計算轉子的熱應力，并編寫在線監(jiān)測系統(tǒng)用有限元軟件來計算轉子的溫度場和應力場通過有限元軟件的計算結果來調(diào)整系統(tǒng)中參數(shù)的設定編寫與電廠DCS相連接的數(shù)據(jù)接口以及現(xiàn)場調(diào)試大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁!在線監(jiān)測過程中大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁!選擇要分析的數(shù)據(jù)及曲線大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁!預測應力大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁!國內(nèi)火電機組發(fā)展現(xiàn)狀與技術基礎電力發(fā)展成就很大，但電力需求結構發(fā)生了較大變化，導致電網(wǎng)峰谷差增大，供電緊張我國電網(wǎng)的問題主要表現(xiàn)為：高峰期電力短缺電網(wǎng)峰谷差大最大負荷增長的波動性加大電網(wǎng)調(diào)峰困難大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁!目前電網(wǎng)的應對策略對于缺電嚴重的地區(qū)，通過加強需求側管理減少拉路限電，力爭做到限電不拉路在用電高峰期間，依靠各級政府的主導和支持，配合有關部門采用行政手段為主、經(jīng)濟手段為輔的方式進行移峰或避峰。電力供應緊張的華東、河南、河北等地區(qū)，對工業(yè)用戶可實行周輪休制度，以均衡周負荷，降低工作日的高峰負荷水平。中西部一些地區(qū)，安排大用戶和高耗能企業(yè)在用電高峰季節(jié)和日高峰時段進行設備檢修，以騰出負荷空間大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁!預期電網(wǎng)負荷的變化趨勢發(fā)達國家電網(wǎng)平均調(diào)峰幅度約為50％，中等發(fā)達國家約為40％，第三世界國家約為30％。據(jù)2002年調(diào)查，我國電網(wǎng)平均調(diào)峰幅度約為37％大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁!制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（2）部分地區(qū)，如山東等經(jīng)濟比較發(fā)達的東部地區(qū)，受水力資源限制，基本沒有可供經(jīng)濟開發(fā)的水電站站址抽水蓄能電站的建設要有合適的地形和水源，條件好的抽水蓄能電站的站址越來越少，而且抽水蓄能電站一般造價高（需要引進可逆式機組）、建設周期長大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第81頁!制約我國電網(wǎng)調(diào)峰的主要因素（4）電網(wǎng)結構不合理，受區(qū)域電網(wǎng)潮流及負荷聯(lián)絡線穩(wěn)定極限的制約，導致電網(wǎng)局部地區(qū)負荷分配不合理，造成局部“窩電”、“欠電”現(xiàn)象，被迫加大電網(wǎng)調(diào)峰的現(xiàn)象普遍發(fā)生。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第82頁!電網(wǎng)中很多大機組都參與了調(diào)峰，但調(diào)峰能力不足依然是電網(wǎng)運行的主要矛盾。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第83頁!影響機組運行機動性、靈活性的因素很多。這里重點關注：影響汽輪機、鍋爐運行機動性、靈活性的有關因素大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第84頁!調(diào)峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第85頁!調(diào)峰機組汽機轉子的局部設計對運行特性的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第86頁!調(diào)峰機組的設計與運行特性日本東芝公司十分重視高溫汽缸頭幾級葉輪區(qū)域附近轉子表面形狀的改進工作。通過采取特殊的結構措施，大大提高了汽輪機的機動性。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第87頁!汽輪機的調(diào)峰運行

(peakandcyclicloadoperation)大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第88頁!兩班制運行機組白天基本滿負荷運行，夜間低谷時停運8~10小時，清晨熱態(tài)啟動，周末停運。應具備三個條件機組啟停損失小，停運比低負荷運行經(jīng)濟機組啟停迅速，能在8小時內(nèi)順利啟動機組具有一定自動化程度，運行人員操作工作量不過于繁重大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第89頁!周末停機電網(wǎng)負荷一般在周末比較低，為此要求機組周末停運，周一啟動。這類機組應具備較好的啟動特性和較高的運行經(jīng)濟性。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第90頁!機組帶廠用電運行

operationatauxliarypowerload優(yōu)點：系統(tǒng)故障時，可加快恢復電網(wǎng)供電，進一步提高廠用電源的可靠性，保證重要地區(qū)符合的需要。缺點：對機組是一種惡劣工況，會影響機組的壽命。因此，應盡可能縮短運行時間，一般推薦帶負荷運行時間為10~20min。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第91頁!機組調(diào)峰運行存在的問題機組原設計按承擔基本負荷設計，負荷適應性較差鍋爐低負荷穩(wěn)燃問題，導致調(diào)峰能力差一些機組自動化程度不高，熱態(tài)啟動性能不好，很難實現(xiàn)兩班制運行調(diào)峰手段應多樣化。如：建抽水蓄能機組，水電廠再開發(fā)，燃氣輪機等。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第92頁!熱應力的基本概念熱變形受到約束時，在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱應力。當物體的溫度不均勻時，即使沒有外界約束，也將產(chǎn)生熱應力。熱應力的數(shù)值可以用簡單的虎克定律表達：

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第93頁!轉子熱應力的特點直接求取轉子熱應力很困難

由于汽輪機是高速旋轉的部件，目前尚無直接測量其金屬溫度及熱應力的有效手段，需要通過理論計算來解決。有些進口的機組雖然裝有轉子溫度探針，其實這種探針同樣是通過數(shù)學模型來顯示轉子內(nèi)外溫差的，并非直接測量轉子內(nèi)外壁的溫度，因此它的準確計算同樣依賴于數(shù)學模型的建立。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第94頁!轉子熱應力的計算方法求解溫度場及應力場，通常有兩種方法：一種是解析法，將轉子視為無限長的圓柱體的一維模型，根據(jù)一維不穩(wěn)定導熱微分方程求得溫度分布，再由體積平均溫度差計算轉子內(nèi)外表面的熱應力。另一種理論算法是數(shù)值解法，它將轉子考慮為軸對稱二維計算模型，避免了一維模型簡化時造成的誤差，用來比較精確的計算幾何邊界條件及溫度邊界條件復雜的工程實際問題。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第95頁!溫度場的數(shù)學模型計算汽輪機轉子不穩(wěn)定溫度場時，可以認為轉子是一個均勻、各向同性且無內(nèi)熱源的物體，屬于解軸對稱非定常溫度函數(shù)的問題，溫度t(z,r,τ)在區(qū)域中應滿足下列偏微分方程式：

（1）確定上面微分方程的解，除了需要滿足初始條件t=?(z,r)外，在物體邊界條件上還應滿足一定的邊界條件，這里屬于傳熱學中的第三類邊界條件，即邊界與介質(zhì)的熱交換條件為已知：

當放熱系數(shù)時，上式化為絕熱邊界條件大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第96頁!溫度場的數(shù)學模型（續(xù)2）對于邊界單元：

對于內(nèi)部單元：

設溫度在單元體中呈線性分布，對單元作變分計算，可得：大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第97頁!邊界條件的處理在計算溫度場的時候，中心孔邊界作為作為絕熱邊界條件處理軸的外表面可視為已知放熱系數(shù)及介質(zhì)溫度的第三類邊界條件當換熱系數(shù)較大時，介質(zhì)溫度的變化對轉子溫度場的影響很大。汽輪機調(diào)節(jié)級汽室溫度是影響機組熱應力的關鍵參數(shù)。蒸汽溫度變化率是運行中應重點監(jiān)控的參數(shù)軸徑部位，屬于已知邊界溫度的類邊界條件大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第98頁!放熱系數(shù)的計算

(westinghouse公司)汽封中的放熱系數(shù)

調(diào)節(jié)級葉輪兩側的放熱系數(shù)

壓力級葉輪兩側的放熱系數(shù)

光軸的放熱系數(shù)

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第99頁!調(diào)節(jié)級葉輪兩側的放熱系數(shù)調(diào)節(jié)級葉輪可作為在無限流體空間旋轉的圓盤來處理，其兩側的放熱系數(shù)為：

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第100頁!光軸的放熱系數(shù)式中，——光軸半徑，m大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第101頁!轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的基本知識溫度場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第102頁!汽輪機啟動時轉子的溫度變化國產(chǎn)100MW機組溫態(tài)啟動終了的溫度場大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第103頁!轉子溫度場和應力場轉子的熱應力的特點溫度場模型放熱系數(shù)的計算汽輪機啟動時轉子的溫度變化

應力場模型轉子的應力場

應力重點監(jiān)測部位大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第104頁!應力場的數(shù)學模型（續(xù)1）有了應變之后，利用物理方程求得應力：

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第105頁!轉子的應力場國產(chǎn)100MW機組溫態(tài)啟動終了的應力場大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第106頁!熱應力的簡化計算：大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第107頁!應力重點監(jiān)測部位在機組啟停過程中，轉子高中、壓軸封段和前幾級所經(jīng)過的溫度變化最為劇烈，因而產(chǎn)生的熱應力也最大。彈性槽以及葉輪根部的過渡圓角和軸肩等處，由于熱不匹配會存在著不同程度的熱應力集中現(xiàn)象，因而也應視為機組啟停時的監(jiān)督重點。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第108頁!轉子的熱應力過渡工況下的熱應力：汽輪機在啟動、停機或負荷變化時，轉子金屬內(nèi)部將產(chǎn)生較大的溫度梯度并由此產(chǎn)生熱應力，這種過渡工況下的熱應力是影響機組壽命損耗的重要因素。

重點部位：汽輪機高、中壓轉子的前軸封段和前幾級，在啟停及負荷變動過程中，汽溫的變化最為劇烈，導致了該部位溫度梯度及熱應力為最大，成為整個轉子的最危險部位。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第109頁!國產(chǎn)100MW機組停機時的熱應力場大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第110頁!國產(chǎn)200MW機組中壓級葉輪根部應力集中大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第111頁!熱應力集中的特點應力集中均密集在槽底1～2mm深度以內(nèi)，在這個深度以外，應力迅速衰減至公稱應力水平。因此初始裂紋深度常為1～2mm。在這個深度以外，原有的應力水平很低，當加工車去表面裂紋后，新表面還可有相當高的疲勞壽命。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第112頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第113頁!熱應力集中熱應力的數(shù)值可以用簡單的虎克定律表達：前述公式只是針對光軸而言，實際轉子存在應力集中現(xiàn)象

其中:——熱應力集中系數(shù)——無熱應力集中時光軸上的公稱應力大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第114頁!汽機轉子局部幾何形狀對應力集中的影響大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第115頁!熱應力集中系數(shù)vs機械應力集中系數(shù)在相同的幾何尺寸下，熱應力集中系數(shù)要比機械應力集中系數(shù)大；軸的直徑越大，兩者相差越多；當軸徑較小時，兩者趨于相等。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第116頁!物理特性對應力集中的影響當應力接近或超過材料的屈服極限時，應力進入塑性范圍，真實應力集中系數(shù)減小，而應變系數(shù)增大。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第117頁!葉輪根部或軸肩根部當啟動進入準穩(wěn)態(tài)后軸肩處：葉輪根部：或大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第118頁!軸封彈性槽的熱應力集中系數(shù)式中：Kt

——理論集中系數(shù)，

——槽的深度；

r——槽底圓角半徑；

or——相當于槽底直徑的光軸公稱當量應力；

o——相當于槽面直徑的光軸公稱當量應力；

因為熱應力與轉子直徑的平方成正比，為了簡化計算，可以將上述式中的當量應力比，代以相應直徑平方之比。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第119頁!影響熱應力的因素轉子的結構材料

溫度的變化壓力的變化大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第120頁!轉子鋼熱物性的變化大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第121頁!調(diào)節(jié)級汽室汽溫與轉子溫度計算熱應力時，調(diào)節(jié)級和中壓級汽室汽溫是一個最重要的參數(shù)。很多降低熱應力的技術措施，都與調(diào)整這個區(qū)域的汽溫有關汽輪機定速之前，調(diào)節(jié)級汽溫難以確定（理論計算和實際測試都存在困難）大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第122頁!調(diào)節(jié)級后的溫度與溫度匹配大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第123頁!N125機組兩班制運行調(diào)節(jié)級汽溫實測大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第124頁!汽溫波動對熱應力的影響

當啟動或正常運行時，由于鍋爐燃燒或其它不定因素，常常引起主汽溫的波動，導致調(diào)節(jié)級汽溫也隨之發(fā)生變化。調(diào)節(jié)級汽溫對汽缸和轉子熱應力的影響，除了汽溫變化幅度外，汽溫的變化頻率也是一個重要的因素。計算表明，如果汽溫波動不超過25℃，在轉子和汽缸上不會產(chǎn)生有害的熱應力。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第125頁!汽輪機啟動時高中壓轉子的溫度變化大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第126頁!壽命損耗疲勞損傷由材料力學可知，金屬材料在交變應力反復作用下，會出現(xiàn)疲勞損傷。即使應力不超過材料的屈服極限，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)（交變應力反復作用），金屬材料也將產(chǎn)生微觀裂紋。如果應力足夠大，則循環(huán)次數(shù)不多，材料也將斷裂。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第127頁!影響壽命損耗的因素影響汽輪機壽命的因素有很多，如蠕變斷裂、熱脆性、熱疲勞以及高溫介質(zhì)的氧化和腐蝕等。主要的影響因素是受到交變熱應力作用引起的低周疲勞壽命損耗，以及受到高溫和工作應力作用而產(chǎn)生的蠕變損耗。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第128頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第129頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第130頁!高溫蠕變?nèi)渥兗唇饘僭诟邷叵?，長期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。

565℃下蠕變裂紋擴展圖

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第131頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第132頁!低周疲勞汽輪機在啟停過程中轉子所承受的是交變熱應力。啟動加熱時轉子表面承受壓應力，停機時為拉應力，在這種交變應力作用下，經(jīng)過一定周次的循環(huán)，就會在金屬表面出現(xiàn)疲勞裂紋并逐漸擴展以致斷裂。汽輪機轉子承受的這種交變應力的特點是交變周期長、頻率低、疲勞裂紋的循環(huán)周期少，故稱為低周疲勞。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第133頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第134頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第135頁!大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第136頁!高溫蠕變?nèi)渥兗唇饘僭诟邷叵拢L期承受一定的工作應力，即使應力不超過金屬在該溫度下的許用應力，也將發(fā)生緩慢而連續(xù)的塑性變形。實驗證明，金屬的蠕變與金屬材料所承受的工作應力和工作溫度有密切的關系。在工作應力和工作溫度一定時，蠕變發(fā)展過程呈現(xiàn)三個階段：階段，是蠕變不穩(wěn)定階段；第二階段，是蠕變的穩(wěn)定階段，蠕變速度恒定；第三階段，蠕變速度增加很快，直至斷裂。在汽輪機壽命管理時，第三階段時間不能計入蠕變壽命。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第137頁!高溫蠕變對壽命的損耗從圖中可看出，在同一應力下，轉子工作溫度越高，蠕變斷裂時間越短，同一溫度下，轉子承受的應力越大，蠕變斷裂時間就越短。蠕變損耗累積到一定程度時，會導致轉子產(chǎn)生裂紋，引起蠕變變形，發(fā)生動靜摩擦事故。通常規(guī)定汽輪機運行十萬小時后，總的變形量不得超過0.1%。大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第138頁!低溫脆性破壞的預防自從50年代相繼發(fā)生了多起高強度合金鋼低溫脆性破壞的嚴重事故后，低溫脆性破壞引起了人們的高度重視。經(jīng)反復實踐與研究，已形成了一系列行之有效的防止汽輪機轉子低溫脆性破壞措施。例如：–ABB規(guī)定冷態(tài)啟動時低速暖機和帶初負荷暖機；–東芝要求機組在冷啟時盤車狀態(tài)下高壓缸暖機和帶初負荷曖機；–G／A公司機組冷啟的中速暖機和中壓缸啟動方式等都是為了在低應力狀態(tài)下加熱轉子，使轉子金屬溫度超過材料的FATT后再轉向高應力狀態(tài)下工作。

大型汽輪機運行特性共150頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第139頁!