汽輪機(jī)壽命管理在汽輪機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用和分析

1、汽輪機(jī)壽命管理在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用和分析渭河發(fā)電有限公司運(yùn)行部張旭升2003年9月10日汽輪機(jī)壽命管理在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用和分析內(nèi)容概要：本文主要從汽輪機(jī)壽命管理的內(nèi)容和機(jī)理，結(jié)合哈爾濱汽輪機(jī)廠提供的N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行推薦圖表，從汽輪機(jī)“冷態(tài)啟動(dòng)主蒸汽參數(shù)的選擇及閥門控制方式的選擇”、“冷態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子加熱的控制”、“熱態(tài)啟動(dòng)參數(shù)及閥門控制方式的選擇”、“負(fù)荷控制方式的選擇”、“啟動(dòng)、停止過(guò)程中軸封蒸汽溫度的選擇”、“停機(jī)方式的選擇”幾個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用分析，并提出汽輪機(jī)壽命管理在渭河發(fā)電有限公司實(shí)施的現(xiàn)實(shí)

2、意義。關(guān)鍵詞：“汽輪機(jī)”“壽命管理”“應(yīng)用分析”汽輪機(jī)壽命管理在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行中應(yīng)用和分析前言 渭河發(fā)電有限公司處在陜西電力系統(tǒng)的負(fù)荷中心，隨著公司四臺(tái)300MW機(jī)組基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，根據(jù)電力市場(chǎng)的變化，機(jī)組調(diào)峰力度增大，由原來(lái)承擔(dān)系統(tǒng)中帶基本負(fù)荷機(jī)組變?yōu)檎{(diào)峰機(jī)組，為保證機(jī)組能在其設(shè)計(jì)安全使用壽命30年內(nèi)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須從汽輪機(jī)壽命管理的角度進(jìn)行汽輪機(jī)運(yùn)行生產(chǎn)技術(shù)管理，合理安排使用汽輪機(jī)壽命，從而延長(zhǎng)機(jī)組連續(xù)運(yùn)行周期，減少機(jī)組檢修次數(shù)，并為設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)，進(jìn)一步提高公司的經(jīng)濟(jì)效益。1汽輪機(jī)壽命管理的內(nèi)容及壽命分配：11 汽輪機(jī)壽命：汽輪機(jī)主要零部件可以安

3、全運(yùn)行的過(guò)程。12 汽輪機(jī)壽命消耗的過(guò)程：投產(chǎn)損傷宏觀裂紋裂紋擴(kuò)散報(bào)廢。121 從投產(chǎn)至發(fā)現(xiàn)有宏觀裂紋階段為汽輪機(jī)有效壽命（即壽命管理的控制區(qū)段）。122 由宏觀裂紋至報(bào)廢為汽輪機(jī)殘余壽命。13 汽輪機(jī)壽命管理的考察對(duì)象及基礎(chǔ)：131 對(duì)象：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。132 基礎(chǔ)：以熱應(yīng)力為基礎(chǔ)。14 汽輪機(jī)壽命管理的內(nèi)容及壽命分配：141汽輪機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程的高溫蠕變。1411 定義：再高溫和一定應(yīng)力作用下，金屬材料所產(chǎn)生的緩慢的塑性變形。1412 典型蠕變曲線： 蠕變分為三個(gè)階段：第一期為減速期，第二期為穩(wěn)定期，第三期為加速期。估計(jì)零部件壽命時(shí)只考慮第一、二期。1413 影響材料蠕變的因素：由實(shí)驗(yàn)得

4、出：再相同溫度條件下，材料蠕變第二期時(shí)間隨應(yīng)力的增加而縮短；在相同的應(yīng)力條件下，材料蠕變第二期時(shí)間隨溫度的提高而縮短。見(jiàn)下圖：142 汽輪機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行中的高溫蠕變消耗： 汽輪機(jī)在正常穩(wěn)定工作過(guò)程中，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子的工作溫度和應(yīng)力一定時(shí)，有一個(gè)確定的蠕變壽命B，在該工況下，每工作一小時(shí)，則消耗一小時(shí)的壽命。即：蠕=1/B1+2/B2+=/B*100%在實(shí)際中蠕變消耗的計(jì)算可按下式進(jìn)行：蠕=/B*100%式中：B：額定參數(shù)、額定負(fù)荷下的蠕變壽命 ： 運(yùn)行時(shí)間143 汽輪機(jī)熱疲勞壽命：1431 定義：材料承受引起材料發(fā)生裂紋的最高交變熱應(yīng)力作用下的次數(shù)稱為熱疲勞壽命。1432 影響熱疲勞壽命的因素：

5、當(dāng)溫度一定時(shí)，隨著應(yīng)力的增大，材料承受引起材料發(fā)生裂紋的周次減少；當(dāng)交變應(yīng)力一定時(shí)，隨著溫度的提高，材料承受引起材料發(fā)生裂紋的周次減少。144 汽輪機(jī)熱疲勞壽命消耗： 汽輪機(jī)每啟、停或加、減負(fù)荷一次，溫度及熱應(yīng)力變化一周，轉(zhuǎn)子承受一次交變熱應(yīng)力的作用，減少一次熱疲勞壽命。其熱疲勞壽命消耗為：疲=1/NB1+1/NB2+=1/NB*100%145 汽輪機(jī)總壽命消耗：=（蠕+疲）*100% 實(shí)驗(yàn)得出：CrMoV鋼在500540時(shí)，其蠕變壽命時(shí)間為650000小時(shí)，對(duì)于N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)若在額定參數(shù)下帶基本負(fù)荷運(yùn)行30年（年運(yùn)行小時(shí)7000小時(shí)），其消耗壽命為：蠕=（7000

6、*30/650000）*100%32%疲 68% 即：帶基本負(fù)荷機(jī)組汽輪機(jī)總壽命消耗中，蠕變壽命消耗一般占1/41/3，而熱疲勞壽命消耗占3/42/3。 因此，汽輪機(jī)壽命管理主要是根據(jù)影響材料高溫蠕變壽命和熱疲勞壽命的因素，結(jié)合實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)汽輪機(jī)啟、停和加、減負(fù)荷以及運(yùn)行中參數(shù)變化等變工況的控制和管理。為對(duì)照分析，下面列出日本三菱公司TC2F-40型350MW汽輪機(jī)調(diào)峰機(jī)組的熱疲勞壽命消耗分配表。運(yùn)行方式溫度變化溫度變化時(shí)間min極限循環(huán)次數(shù)每次循環(huán)壽命消耗%30年內(nèi)使用次數(shù)30年內(nèi)壽命消耗 %應(yīng)力控制極限kg/mm2冷態(tài)啟動(dòng)480300100000.011001.046溫態(tài)啟動(dòng)30

7、0200100000.0110001046熱態(tài)啟動(dòng)200100110000.0091300027.344極熱態(tài)啟動(dòng)1803035000.029100.369正常停機(jī)10060500000.0024000829強(qiáng)迫冷卻停機(jī)170180400000.00251000.331正常負(fù)荷變化8030400000.0025120003031甩負(fù)荷后帶廠用1802030000.033100.872疲77.72汽輪機(jī)壽命管理在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行中的應(yīng)用和分析 哈爾濱汽輪機(jī)廠在引進(jìn)美國(guó)西屋公司300MW機(jī)組生產(chǎn)技術(shù)的同時(shí)，也吸取了西屋公司汽輪機(jī)壽命管理的思想，在其汽輪機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則中推薦

8、了與汽輪機(jī)壽命管理的相關(guān)圖表，這些圖表中的曲線是在考慮到啟動(dòng)中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)機(jī)組安全可靠且所需的時(shí)間最短的前提下作出的，在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)中作為參考圖表列入其中。下面就這些圖表在N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)運(yùn)行中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。21 冷態(tài)啟動(dòng)主蒸汽參數(shù)的選擇和閥門控制方式的選擇： 為了避免冷態(tài)啟動(dòng)中蒸汽室發(fā)生熱沖擊，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)在主汽門處的蒸汽過(guò)熱度應(yīng)至少為56，但蒸汽的溫度不應(yīng)超過(guò)427，主汽門前進(jìn)汽溫度和壓力的關(guān)系以及機(jī)組啟動(dòng)時(shí)主蒸汽溫度、壓力和蒸汽室內(nèi)壁金屬溫度之間的關(guān)系如圖所示。211 圖中給出的蒸汽參數(shù)關(guān)系是以汽輪機(jī)能夠均勻的加

9、熱、最佳的膨脹和差脹控制以及在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制從節(jié)流調(diào)節(jié)過(guò)渡到噴咀調(diào)節(jié)時(shí)使蒸汽室處受到最小的熱沖擊而制定的。它還表示了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制從節(jié)流調(diào)節(jié)過(guò)渡到噴咀調(diào)節(jié)時(shí)所需保持有的最低進(jìn)汽溫度。212 在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，從主汽門到調(diào)節(jié)汽門控制切換之前，主蒸汽參數(shù)應(yīng)取“冷態(tài)啟動(dòng)”區(qū)內(nèi)。213 在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，從主汽門到調(diào)節(jié)汽門控制切換之前，主蒸汽參數(shù)應(yīng)高于“主汽閥最低進(jìn)汽溫度”曲線。214 當(dāng)蒸汽室金屬溫度低于當(dāng)時(shí)的主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，要取等于或高于圖中“主汽閥最低進(jìn)汽溫度”，用主汽門的預(yù)啟閥控制繼續(xù)運(yùn)行機(jī)組暖機(jī)，直到蒸汽室的金屬溫度達(dá)到主蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，才能進(jìn)行閥切換，以防止蒸汽在蒸汽室金屬壁凝

10、結(jié)成水而產(chǎn)生凝結(jié)換熱，造成較大的熱沖擊。22 冷態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子加熱的控制： 常用的高強(qiáng)度合金鋼在使用的工作溫度下都有較高的沖擊韌性（塑性），但是溫度降低時(shí)，沖擊韌性會(huì)明顯下降，出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，材料韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘臏囟冉写嘈赞D(zhuǎn)變溫度。對(duì)于N300-16.7/537/537型汽輪機(jī)高、中壓轉(zhuǎn)子，脆性轉(zhuǎn)變溫度一般為120130左右，為了使轉(zhuǎn)子能保證達(dá)到足夠的溫度，避免汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生脆性斷裂事故，哈爾濱汽輪機(jī)廠給出了“汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持推薦值”、“冷態(tài)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子加熱曲線”。221 圖中給出了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同冷態(tài)溫度下所需加熱的時(shí)間。啟動(dòng)過(guò)程中將汽輪機(jī)升速到轉(zhuǎn)子加熱轉(zhuǎn)速區(qū)范圍內(nèi)某一轉(zhuǎn)速，然后汽輪機(jī)在該轉(zhuǎn)速下停留足

11、夠長(zhǎng)的時(shí)間，以加熱高、中壓轉(zhuǎn)子，使高、中壓轉(zhuǎn)子的中心孔溫度在機(jī)組達(dá)到定速之前，至少達(dá)到材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度以上。222 根據(jù)高壓缸第一級(jí)金屬溫度和中壓缸第一級(jí)持環(huán)金屬溫度確定轉(zhuǎn)子加熱時(shí)間且采用兩者中時(shí)間較長(zhǎng)的進(jìn)行計(jì)算。223 計(jì)算轉(zhuǎn)子加熱時(shí)間的條件：必須待中壓主汽門處的蒸汽溫度達(dá)到或超過(guò)260時(shí)，才可開(kāi)始計(jì)算轉(zhuǎn)子加熱時(shí)間。23 熱狀態(tài)啟動(dòng)參數(shù)和方式的選擇： 高壓缸第一級(jí)金屬溫度大于121情況下機(jī)組啟動(dòng)為熱狀態(tài)啟動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)組在啟動(dòng)主汽門和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽缸的溫度較高，特別是極熱態(tài)時(shí)其溫度于冷態(tài)啟動(dòng)終了時(shí)的溫度很接近，故在熱狀態(tài)啟動(dòng)中，如果蒸汽參數(shù)選擇不當(dāng)，則會(huì)造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的急劇冷卻，產(chǎn)生較大的交變

12、熱應(yīng)力。哈爾濱汽輪機(jī)廠給出了“熱態(tài)啟動(dòng)曲線”。231 圖中給出了由初始高壓缸第一級(jí)金屬溫度，確定蒸汽參數(shù)和沖轉(zhuǎn)時(shí)間以及暖機(jī)負(fù)荷和暖機(jī)時(shí)間。232 啟動(dòng)前在鍋爐能接受的條件下使旁路系統(tǒng)投入，保證主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度與轉(zhuǎn)子溫度相匹配。233 圖1、2中表示：相同的蒸汽參數(shù)在相同的初始負(fù)荷下，使用節(jié)流調(diào)節(jié)比噴咀調(diào)節(jié)的第一級(jí)蒸汽溫度高，因此，為了減少第一級(jí)蒸汽溫度與轉(zhuǎn)子溫度的溫差，應(yīng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行機(jī)組的啟動(dòng)。234 如果在主汽門處蒸汽參數(shù)所導(dǎo)致在第一級(jí)處蒸汽溫度低于該處的金屬溫度（圖3上準(zhǔn)確的匹配線以下打斜線的區(qū)域內(nèi)），機(jī)組就應(yīng)該在10分鐘以內(nèi)升速到額定轉(zhuǎn)速、并列和帶上負(fù)荷（圖4下部打斜線的

13、區(qū)域），并且沒(méi)有停留在最低負(fù)荷的一段時(shí)間，因?yàn)檫@時(shí)如果延長(zhǎng)升速或帶負(fù)荷的時(shí)間，將會(huì)使汽輪機(jī)金屬受到強(qiáng)迫冷卻。235 為了使熱應(yīng)力和啟動(dòng)時(shí)間減至最少，可根據(jù)汽輪機(jī)第一級(jí)金屬溫度依據(jù)圖1、2、3選擇相應(yīng)的蒸汽參數(shù)，較好的匹配于熱態(tài)啟動(dòng)第一級(jí)處金屬溫度。236 當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min后，應(yīng)根據(jù)第一級(jí)金屬溫度和蒸汽參數(shù)由圖1、2、3、4、5確定并網(wǎng)后最低負(fù)荷和最低負(fù)荷下暖機(jī)時(shí)間，并按全速-空負(fù)荷曲線根據(jù)再熱蒸汽溫度確定低壓缸穩(wěn)定的排汽壓力。24 負(fù)荷變化控制方式的選擇： 隨著負(fù)荷的改變，汽輪機(jī)通流部分內(nèi)的蒸汽溫度也隨著改變，按負(fù)荷改變的大小和改變的速率，在轉(zhuǎn)子內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，為了減少

14、熱應(yīng)力，負(fù)荷量變化較大時(shí)，都是緩慢進(jìn)行的。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷變化增大時(shí)，各級(jí)的蒸汽參數(shù)隨著變化，而高壓缸第一級(jí)處溫度變化最大，但高壓缸第一級(jí)處溫度的變化幅值和調(diào)節(jié)汽門在負(fù)荷變化時(shí)的運(yùn)行控制方式有關(guān)，在低負(fù)荷下，初參數(shù)不變時(shí)，負(fù)荷變化時(shí)，高壓缸第一級(jí)處溫度的變化值在采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)要小于噴咀調(diào)節(jié)，但是比滑壓調(diào)節(jié)大。為此，哈爾濱汽輪機(jī)廠給出了定壓方式和滑壓方式下負(fù)荷變化控制推薦圖。241 圖中給出了汽輪機(jī)負(fù)荷在5100%范圍內(nèi)以不同的調(diào)節(jié)控制方式，根據(jù)所期望的疲勞循環(huán)次數(shù)選擇出負(fù)荷變化率。242 定壓運(yùn)行方式：2421在同一負(fù)荷變化幅度下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)高壓缸第一級(jí)處溫度變化比噴咀調(diào)節(jié)時(shí)小，即在同一疲勞循

15、環(huán)次數(shù)下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，其負(fù)荷變化率可選擇較大，也就是說(shuō)可以允許負(fù)荷作較快的變化。2422 在部分負(fù)荷時(shí)，在同一進(jìn)汽參數(shù)下，當(dāng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，在相同的負(fù)荷下高壓缸第一級(jí)處溫度要高于采用噴咀調(diào)節(jié)；而在額定負(fù)荷時(shí)，在同一進(jìn)汽參數(shù)下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)和采用噴咀調(diào)時(shí)，高壓缸第一級(jí)處溫度基本相等。243 滑壓運(yùn)行方式：2431 不同進(jìn)汽壓力下，在汽輪機(jī)負(fù)荷變化前、后所引起的高壓缸第一級(jí)處溫度變化。但其曲線是在汽輪機(jī)負(fù)荷改變時(shí)，調(diào)節(jié)閥前主蒸汽溫度不變而為定值537時(shí)作出的，因此，在負(fù)荷改變中，如果主蒸汽溫度偏離537，則作相應(yīng)的修正，一般，主蒸汽溫度偏離多少，高壓缸第一級(jí)處溫度也相應(yīng)偏離多少。2432 圖中

16、的橫斜線表示不同高壓調(diào)節(jié)汽門全開(kāi)時(shí)、不同進(jìn)汽壓力下，由于汽輪機(jī)負(fù)荷的變化所引起的高壓缸第一級(jí)處溫度的變化，也可近似地表示為高壓調(diào)節(jié)汽門在某一固定位置下，主蒸汽壓力不同時(shí)所帶的負(fù)荷。故在滑壓調(diào)節(jié)負(fù)荷改變時(shí)，高壓缸第一級(jí)處溫度改變不大。2433 圖中的虛斜線表示在不同的進(jìn)汽壓力下，高壓調(diào)節(jié)汽門同時(shí)關(guān)小時(shí)，負(fù)荷改變所引起高壓缸第一級(jí)處溫度改變。這時(shí)，在高壓缸第一級(jí)處溫度的變化大于高壓調(diào)節(jié)汽門在全開(kāi)位置時(shí)滑壓運(yùn)行。即采用節(jié)流滑壓混合調(diào)節(jié)改變負(fù)荷引起的高壓缸第一級(jí)處溫度變化比滑壓運(yùn)行時(shí)大。2434 不同的進(jìn)汽壓力下，由于依序改變高壓調(diào)節(jié)汽門的開(kāi)度，負(fù)荷變化時(shí)，引起高壓缸第一級(jí)處溫度的變化，其溫度變化最大

17、。即采用噴咀調(diào)節(jié)改變負(fù)荷引起的高壓缸第一級(jí)處溫度變化最大。2435 若確定了高壓缸第一級(jí)處溫度變化，可根據(jù)選定的疲勞消耗指數(shù)，查出負(fù)荷變化所需的時(shí)間，即可確定負(fù)荷的變化率。25 啟、停中軸封蒸汽溫度的選擇： 為了防止軸封區(qū)的轉(zhuǎn)子在熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋損傷，在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)，軸封蒸汽溫度與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面的溫度應(yīng)盡量保持一致，哈爾濱汽輪機(jī)廠給出了軸封區(qū)轉(zhuǎn)子壽命消耗計(jì)算曲線。251 圖中軸封蒸汽和轉(zhuǎn)子表面的溫差越大，其裂紋產(chǎn)生前估算的循環(huán)次數(shù)越少。例如：T=167=2600次T=125=6600次T=111=10000次 一般建議蒸汽和轉(zhuǎn)子表面的溫差不超過(guò)111，即疲勞循環(huán)次數(shù)采用10000次。

18、252 冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，軸封汽源應(yīng)采用低溫汽源；而熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，高溫軸封區(qū)應(yīng)采用高溫汽源，低溫軸封區(qū)應(yīng)采用低溫汽源，并盡可能的控制軸封蒸汽溫度接近汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度。253 停機(jī)過(guò)程中軸封供汽的控制與熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)相同。26 停機(jī)方式的選擇： 停機(jī)過(guò)程為啟動(dòng)過(guò)程的逆過(guò)程，金屬材料的應(yīng)力變化方向與啟動(dòng)過(guò)程相反，且由于一般金屬材料抗拉應(yīng)力的能力較抗壓應(yīng)力能力弱，而疲勞壽命消耗為一次啟動(dòng)過(guò)程疲勞壽命消耗和停機(jī)過(guò)程疲勞壽命消耗之和。因此，根據(jù)停機(jī)的目的，合理選擇停機(jī)控制方式，控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞壽命消耗是十分必要的。261 調(diào)峰或輔機(jī)臨修停機(jī) 機(jī)組在極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受到急劇冷卻，產(chǎn)生很大的熱沖擊，汽輪機(jī)壽命消耗很大，一般為熱態(tài)啟動(dòng)壽命消耗的三倍，為了避免停機(jī)后下次啟動(dòng)過(guò)程在極熱態(tài)下進(jìn)行，應(yīng)采用噴咀調(diào)節(jié)控制方式進(jìn)行停機(jī)，控制汽輪機(jī)缸溫在下次啟動(dòng)時(shí)處于熱態(tài)范圍內(nèi)。262 機(jī)組大修停機(jī) 為保證機(jī)組大修提前開(kāi)工，縮短大修工期，停機(jī)后需要汽缸溫度在較低的水平，可采用噴咀調(diào)節(jié)控制方式或滑參數(shù)方式停機(jī)，但由于汽輪機(jī)缸溫變化大，疲勞壽命消耗較大。263 機(jī)組小修停機(jī) 根據(jù)機(jī)組小修項(xiàng)目確定停機(jī)控制方式，一般當(dāng)汽輪機(jī)本體和潤(rùn)滑油系統(tǒng)沒(méi)有檢修工作時(shí)，根據(jù)機(jī)組小修工期可按節(jié)流控制方式進(jìn)行停機(jī)，以保持停機(jī)后有較高的