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1、大型汽轮机寿命管理,主讲：付忠广 博导/教授 电站运行优化研究所 所长,思路：,机械部件或设备的寿命管理寿命损耗机理影响因素（运行因素）外部环境,一、电厂机组外部运行环境,日负荷曲线,负荷低谷-日最小负荷 负荷尖峰-尖峰负荷或最大负荷 最小负荷以下的负荷称为基荷 最大负荷与最小负荷之差称为峰谷差,负荷曲线,电网峰谷差增大的主要原因,第二产业用电比重减小 第三产业和居民生活用电比重相应提高 电网高峰负荷中，空调负荷大约占30%，在经济发达地区，可能要大于这个数字 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，低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高,可再生能源开
2、发,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,发达国家电网平均调峰幅度约为50 中等发达国家约为40 第三世界国家约为30,国外电网的调峰手段,水电机组调峰 抽水蓄能调峰机组 火电机组调峰 燃气轮机机组调峰 联合循环机组调峰,制约我国电网调峰的主要因素（1）,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（2）,部分地区，如山东等经济比较发达的东
3、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（3）,受油气资源限制，一些地区没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰,制约我国电网调峰的主要因素（4）,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；供热机组多数是以热定电，调峰能力差，大批小火电集中退役。,我国火电机组调峰现状,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 强制频繁启停和深度调峰，影响到机
4、组的安全性、经济性与可靠运行,机组调峰运行存在的问题,机组原设计按承担基本负荷设计，负荷适应性较差 锅炉低负荷稳燃问题，导致调峰能力差 一些机组自动化程度不高，热态启动性能不好，很难实现两班制运行,二、运行中影响机组寿命的因素, 4台50MW机组，80年代初组投运 1992年开始启停调峰运行，最多时 100多次/年 1998-1999年发现汽缸裂纹 2000年发现转子裂纹，最深一条7mm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,2000年8月31日，某机主蒸汽母管联络门阀体焊缝热影响区一侧主蒸汽管爆断。累计运行126,691小时，启停738次。 断口分析：低周疲劳裂
5、纹 原因分析：联络门不严、联络管积冷水、定参数停机、阀体和短管表面剧烈冷冲击,热应力的基本概念,热变形受到约束时，在物体内部产生热应力。 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。 热应力的数值可以用简单的虎克定律表达：,热应力值小，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。,热应力本身看不见、摸不到，对汽轮机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小。,热应力特性,难以直接测量,转子热应力的特点,有些进口的机组虽然装有转子温度探针，其实这种探针同样是通过数学模型来显示
6、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依赖于数学模型的建立。,温度探针,通过模拟原理建立一个数学模型，使棒体各部的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。 这种设备形似直接探测，实际上是通过传热学模型来建立模拟关系。,汽轮机转子的热应力场,国产100MW机组温态启动终了的应力场,转子的重点部位的应力时间关系曲线,热应力的简化计算：,转子的热应力,过渡工况下的热应力： 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，这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。 重点部位： 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
7、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。,国产100MW机组停机时的热应力场,国产200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中,N125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,应力集中均密集在槽底12mm深度以内，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12mm。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，新表面还可有相当高的疲劳寿命。,热冲击,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成零部件的永久
8、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。 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。 热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤，因此，在机组启停和正常运行中，应特别注意。,温度波动,65负荷调整,55负荷调整,80负荷调整,55负荷调整,60负荷调整,55负荷调整,55负荷调整,停机,启动,60负荷调整,52负荷调整,52负荷调整,55负荷调整,启动,三、寿命损耗机理,寿命损耗,疲劳损伤 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。 即使应力不超过材料的
9、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，材料也将断裂。,寿命损耗（续1）,寿命 工程上，将致裂疲劳循环周次（致裂寿命）称为：有效寿命。 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。 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。这种交变热应力循环的特点是：交变循环周期长，频率低，疲劳裂纹萌发的循环次数少，故称为低周疲劳,影响寿命损耗的因素,影响汽轮机寿命的因素有很多，如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀等。 主要的影响因素是受到交变热应力作用引起的低周
10、疲劳寿命损耗，以及受到高温和工作应力作用而产生的蠕变损耗。,低周疲劳,汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力，停机时为拉应力，在这种交变应力作用下，经过一定周次的循环，就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。 汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹的循环周期少，故称为低周疲劳。,疲劳曲线,低周疲劳特性对寿命的损耗,1983年前苏联文献中公布的转子钢 疲劳特性曲线 从图中看到，所受热应力越大，循环周次(即金属材料的疲劳寿命)就越少；工作温度越高，循环周次就越少。,转子疲劳寿命损耗的计算,依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算，首先求
11、式中， 计算点的公称当量应力； 材料的弹性模量； 弹、塑性应变集中系数； 算出后 ，即可查得 ，则启动（或停机）一次的寿命损耗为,高温蠕变,蠕变即金属在高温下，长期承受一定的工作应力，即使应力不超过金属在该温度下的许用应力，也将发生缓慢而连续的塑性变形。 实验证明，金属的蠕变与金属材料所承受的工作应力和工作温度有密切的关系。在工作应力和工作温度一定时，蠕变发展过程呈现三个阶段： 第一阶段，是蠕变不稳定阶段； 第二阶段，是蠕变的稳定阶段，蠕变速度恒定； 第三阶段，蠕变速度增加很快，直至断裂。在汽轮机寿命管理时，第三阶段时间不能计入蠕变寿命。,高温蠕变,汽轮机的工作温度很高，其汽缸、转子等零部件会
12、发生蠕变，损耗寿命。转子的蠕变寿命损耗率 的计算公式如下： 式中：t在某种工作条件下累积运行时间； 在相应条件下金属部件临界点蠕变断裂时间。,高温蠕变对寿命的损耗,从图中可看出，在同一应力下，转子工作温度越高，蠕变断裂时间越短，同一温度下，转子承受的应力越大，蠕变断裂时间就越短。 蠕变损耗累积到一定程度时，会导致转子产生裂纹，引起蠕变变形，发生动静摩擦事故。通常规定汽轮机运行十万小时后，总的变形量不得超过0.1%。,高温蠕变损伤,寿命的管理与控制,对汽轮机寿命的评估方法，一般采用线性累积损伤法，即转子的累积总寿命损耗率为低周疲劳损伤与高温蠕变损伤之和： 由上式可知，转子的使用寿命有寿命分配问题
13、。,四、寿命管理,汽轮机寿命管理,汽轮机寿命管理包括两层内容： 1、在国家宏观指定的服役年限内，根据机组的带负荷方式进行寿命预分配，制定汽轮机寿命分配表，指导运行，以取得最大的经济效益； 2、进行汽轮机寿命的离线或在线监测 在汽轮机启、停和变负荷运行时，控制蒸汽温度和负荷的变化率，控制汽轮机部件的热应力，使机组的寿命损耗不超过其预分配值，在机组规定的使用年限内，实现最佳的安全经济运行，使机组发挥最佳的经济效益，实现机组运行寿命的科学管理。,汽轮机寿命的合理分配,目前通常认为汽轮机的服役年限为30年。在这30年的时间里，如何合理分配汽轮机的寿命，充分利用汽轮机的寿命，以取得最大的经济效益是汽轮机
14、寿命分配的出发点。 对于带基本负荷的机组，汽轮机寿命的损耗主要为高温蠕变和正常检修启停所需低周疲劳对汽轮机寿命的损耗。 对调峰机组，除检修、维护需要正常启停以外还应根据电网要求，安排一定次数的热态启动和一定范围内的负荷变化。负荷变化量（率）和热态启停次数（速区）应视电网的要求而定。在分配寿命损耗时，既要考虑汽轮机寿命的合理损耗，又要考虑到电网的调峰需要。,不同国家对机组寿命管理的规定,我国“进口大容量汽轮机技术谈判指南”中规定：汽轮机的使用寿命一般为30年。在30年中，机组冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，极热态启动150次，以及大于10%额定负荷突变12000次，其总的寿
15、命损耗不大于75%。 英国国家标准(BSI) 中规定，大机组在使用寿命期内必须经得起冷态启动100次，温态启动700次，热态启动3000，以及负荷突变和频繁负荷变动。,ABB 600MW超临界机组,ABB 600MW超临界机组寿命损耗分配余度较大，30年内由热应力损耗的寿命 仅占总寿命的11.575%，其余88.425%作为高温蠕变和富裕量。该机组设计寿 命富裕是最大的。,东芝公司提供的600MW汽轮机,该表东芝公司提供的600MW汽轮机寿命损耗分配。30年实际寿命消耗 达75.45%，在600MW机组是较大的。,热应力及寿命损耗运行监督的必要性,运行人员虽然可以按照寿命预先分配方案确定的启动方案进行启动，但在实际运行过程中，仍可能会由于不可测的原因，与预定启动方案发生一定的偏差，导致热应力与寿命损耗率与预测值不符。为了监督转子寿命的实际损耗，应在每次启动中或启动后对转子的寿命损耗进行核算。,转子实际寿命损耗核算方式有二：,离线计算 在启动或停机后，根据调节级和中压第一级的汽温变化曲线，计算启停过程的寿命损耗。 关键点：要求调节级和中压第一级的汽温变化记录要准确，并能反映寿命损耗监督部位的真实汽温状态。 问题：关键汽温测点未装，或测点不准。 在线计算 编制软件，在线调用关键汽温数据，在线计算当前的热应力。,？,谢谢！,结束！,