汽輪機壽命管理在汽輪機運行中應(yīng)用和分析

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

2、意義。關(guān)鍵詞：“汽輪機”“壽命管理”“應(yīng)用分析”汽輪機壽命管理在N300-16.7/537/537型汽輪機運行中應(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)的負荷中心，隨著公司四臺300MW機組基本實現(xiàn)穩(wěn)定，根據(jù)電力市場的變化，機組調(diào)峰力度增大，由原來承擔(dān)系統(tǒng)中帶基本負荷機組變?yōu)檎{(diào)峰機組，為保證機組能在其設(shè)計安全使用壽命30年內(nèi)長期安全穩(wěn)定運行，必須從汽輪機壽命管理的角度進行汽輪機運行生產(chǎn)技術(shù)管理，合理安排使用汽輪機壽命，從而延長機組連續(xù)運行周期，減少機組檢修次數(shù)，并為設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)，進一步提高公司的經(jīng)濟效益。1汽輪機壽命管理的內(nèi)容及壽命分配：11 汽輪機壽命：汽輪機主要零部件可以安

3、全運行的過程。12 汽輪機壽命消耗的過程：投產(chǎn)損傷宏觀裂紋裂紋擴散報廢。121 從投產(chǎn)至發(fā)現(xiàn)有宏觀裂紋階段為汽輪機有效壽命（即壽命管理的控制區(qū)段）。122 由宏觀裂紋至報廢為汽輪機殘余壽命。13 汽輪機壽命管理的考察對象及基礎(chǔ)：131 對象：汽輪機轉(zhuǎn)子。132 基礎(chǔ)：以熱應(yīng)力為基礎(chǔ)。14 汽輪機壽命管理的內(nèi)容及壽命分配：141汽輪機正常帶負荷運行過程的高溫蠕變。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。估計零部件壽命時只考慮第一、二期。1413 影響材料蠕變的因素：由實驗得

4、出：再相同溫度條件下，材料蠕變第二期時間隨應(yīng)力的增加而縮短；在相同的應(yīng)力條件下，材料蠕變第二期時間隨溫度的提高而縮短。見下圖：142 汽輪機正常帶負荷運行中的高溫蠕變消耗： 汽輪機在正常穩(wěn)定工作過程中，對應(yīng)轉(zhuǎn)子的工作溫度和應(yīng)力一定時，有一個確定的蠕變壽命B，在該工況下，每工作一小時，則消耗一小時的壽命。即：蠕=1/B1+2/B2+=/B*100%在實際中蠕變消耗的計算可按下式進行：蠕=/B*100%式中：B：額定參數(shù)、額定負荷下的蠕變壽命 ： 運行時間143 汽輪機熱疲勞壽命：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，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，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 汽輪機熱疲勞壽命消耗： 汽輪機每啟、?；蚣?、減負荷一次，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 汽輪機總壽命消耗：=（蠕+疲）*100% 實驗得出：CrMoV鋼在500540時，其蠕變壽命時間為650000小時，對于N300-16.7/537/537型汽輪機若在額定參數(shù)下帶基本負荷運行30年（年運行小時7000小時），其消耗壽命為：蠕=（7000

6、*30/650000）*100%32%疲 68% 即：帶基本負荷機組汽輪機總壽命消耗中，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)合實際設(shè)備的運行情況，對汽輪機啟、停和加、減負荷以及運行中參數(shù)變化等變工況的控制和管理。為對照分析，下面列出日本三菱公司TC2F-40型350MW汽輪機調(diào)峰機組的熱疲勞壽命消耗分配表。運行方式溫度變化溫度變化時間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480300100000.011001.046溫態(tài)啟動30

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

8、了與汽輪機壽命管理的相關(guān)圖表，這些圖表中的曲線是在考慮到啟動中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力對機組安全可靠且所需的時間最短的前提下作出的，在N300-16.7/537/537型汽輪機運行標(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型汽輪機運行中的具體應(yīng)用進行分析。21 冷態(tài)啟動主蒸汽參數(shù)的選擇和閥門控制方式的選擇： 為了避免冷態(tài)啟動中蒸汽室發(fā)生熱沖擊，蒸汽進入汽輪機在主汽門處的蒸汽過熱度應(yīng)至少為56，但蒸汽的溫度不應(yīng)超過427，主汽門前進汽溫度和壓力的關(guān)系以及機組啟動時主蒸汽溫度、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)系是以汽輪機能夠均勻的加

9、熱、最佳的膨脹和差脹控制以及在汽輪機轉(zhuǎn)速控制從節(jié)流調(diào)節(jié)過渡到噴咀調(diào)節(jié)時使蒸汽室處受到最小的熱沖擊而制定的。它還表示了汽輪機轉(zhuǎn)速控制從節(jié)流調(diào)節(jié)過渡到噴咀調(diào)節(jié)時所需保持有的最低進汽溫度。212 在冷態(tài)啟動時，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”區(qū)內(nèi)。213 在熱態(tài)啟動時，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“主汽閥最低進汽溫度”曲線。214 當(dāng)蒸汽室金屬溫度低于當(dāng)時的主蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度時，要取等于或高于圖中“主汽閥最低進汽溫度”，用主汽門的預(yù)啟閥控制繼續(xù)運行機組暖機，直到蒸汽室的金屬溫度達到主蒸汽壓力對應(yīng)的飽和溫度，才能進行閥切換，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)啟動轉(zhuǎn)子加熱的控制： 常用的高強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，沖擊韌性會明顯下降，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。對于N300-16.7/537/537型汽輪機高、中壓轉(zhuǎn)子，脆性轉(zhuǎn)變溫度一般為120130左右，為了使轉(zhuǎn)子能保證達到足夠的溫度，避免汽輪機轉(zhuǎn)子發(fā)生脆性斷裂事故，哈爾濱汽輪機廠給出了“汽輪機轉(zhuǎn)速保持推薦值”、“冷態(tài)啟動轉(zhuǎn)子加熱曲線”。221 圖中給出了汽輪機轉(zhuǎn)子不同冷態(tài)溫度下所需加熱的時間。啟動過程中將汽輪機升速到轉(zhuǎn)子加熱轉(zhuǎn)速區(qū)范圍內(nèi)某一轉(zhuǎn)速，然后汽輪機在該轉(zhuǎn)速下停留足

11、夠長的時間，以加熱高、中壓轉(zhuǎn)子，使高、中壓轉(zhuǎn)子的中心孔溫度在機組達到定速之前，至少達到材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度以上。222 根據(jù)高壓缸第一級金屬溫度和中壓缸第一級持環(huán)金屬溫度確定轉(zhuǎn)子加熱時間且采用兩者中時間較長的進行計算。223 計算轉(zhuǎn)子加熱時間的條件：必須待中壓主汽門處的蒸汽溫度達到或超過260時，才可開始計算轉(zhuǎn)子加熱時間。23 熱狀態(tài)啟動參數(shù)和方式的選擇： 高壓缸第一級金屬溫度大于121情況下機組啟動為熱狀態(tài)啟動，因為機組在啟動主汽門和汽輪機轉(zhuǎn)子、汽缸的溫度較高，特別是極熱態(tài)時其溫度于冷態(tài)啟動終了時的溫度很接近，故在熱狀態(tài)啟動中，如果蒸汽參數(shù)選擇不當(dāng)，則會造成汽輪機轉(zhuǎn)子的急劇冷卻，產(chǎn)生較大的交變

12、熱應(yīng)力。哈爾濱汽輪機廠給出了“熱態(tài)啟動曲線”。231 圖中給出了由初始高壓缸第一級金屬溫度，確定蒸汽參數(shù)和沖轉(zhuǎn)時間以及暖機負荷和暖機時間。232 啟動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)在相同的初始負荷下，使用節(jié)流調(diào)節(jié)比噴咀調(diào)節(jié)的第一級蒸汽溫度高，因此，為了減少第一級蒸汽溫度與轉(zhuǎn)子溫度的溫差，應(yīng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式進行機組的啟動。234 如果在主汽門處蒸汽參數(shù)所導(dǎo)致在第一級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、并列和帶上負荷（圖4下部打斜線的

13、區(qū)域），并且沒有停留在最低負荷的一段時間，因為這時如果延長升速或帶負荷的時間，將會使汽輪機金屬受到強迫冷卻。235 為了使熱應(yīng)力和啟動時間減至最少，可根據(jù)汽輪機第一級金屬溫度依據(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)啟動第一級處金屬溫度。236 當(dāng)機組的轉(zhuǎn)速達到3000r/min后，應(yīng)根據(jù)第一級金屬溫度和蒸汽參數(shù)由圖1、2、3、4、5確定并網(wǎng)后最低負荷和最低負荷下暖機時間，并按全速-空負荷曲線根據(jù)再熱蒸汽溫度確定低壓缸穩(wěn)定的排汽壓力。24 負荷變化控制方式的選擇： 隨著負荷的改變，汽輪機通流部分內(nèi)的蒸汽溫度也隨著改變，按負荷改變的大小和改變的速率，在轉(zhuǎn)子內(nèi)會產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，為了減少

14、熱應(yīng)力，負荷量變化較大時，都是緩慢進行的。當(dāng)汽輪機負荷變化增大時，各級的蒸汽參數(shù)隨著變化，而高壓缸第一級處溫度變化最大，但高壓缸第一級處溫度的變化幅值和調(diào)節(jié)汽門在負荷變化時的運行控制方式有關(guān)，在低負荷下，初參數(shù)不變時，負荷變化時，高壓缸第一級處溫度的變化值在采用節(jié)流調(diào)節(jié)時要小于噴咀調(diào)節(jié)，但是比滑壓調(diào)節(jié)大。為此，哈爾濱汽輪機廠給出了定壓方式和滑壓方式下負荷變化控制推薦圖。241 圖中給出了汽輪機負荷在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)選擇出負荷變化率。242 定壓運行方式：2421在同一負荷變化幅度下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時高壓缸第一級處溫度變化比噴咀調(diào)節(jié)時小，即在同一疲勞循

15、環(huán)次數(shù)下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，其負荷變化率可選擇較大，也就是說可以允許負荷作較快的變化。2422 在部分負荷時，在同一進汽參數(shù)下，當(dāng)采用節(jié)流調(diào)節(jié)時，在相同的負荷下高壓缸第一級處溫度要高于采用噴咀調(diào)節(jié)；而在額定負荷時，在同一進汽參數(shù)下，采用節(jié)流調(diào)節(jié)和采用噴咀調(diào)時，高壓缸第一級處溫度基本相等。243 滑壓運行方式：2431 不同進汽壓力下，在汽輪機負荷變化前、后所引起的高壓缸第一級處溫度變化。但其曲線是在汽輪機負荷改變時，調(diào)節(jié)閥前主蒸汽溫度不變而為定值537時作出的，因此，在負荷改變中，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)汽門全開時、不同進汽壓力下，由于汽輪機負荷的變化所引起的高壓缸第一級處溫度的變化，也可近似地表示為高壓調(diào)節(jié)汽門在某一固定位置下，主蒸汽壓力不同時所帶的負荷。故在滑壓調(diào)節(jié)負荷改變時，高壓缸第一級處溫度改變不大。2433 圖中的虛斜線表示在不同的進汽壓力下，高壓調(diào)節(jié)汽門同時關(guān)小時，負荷改變所引起高壓缸第一級處溫度改變。這時，在高壓缸第一級處溫度的變化大于高壓調(diào)節(jié)汽門在全開位置時滑壓運行。即采用節(jié)流滑壓混合調(diào)節(jié)改變負荷引起的高壓缸第一級處溫度變化比滑壓運行時大。2434 不同的進汽壓力下，由于依序改變高壓調(diào)節(jié)汽門的開度，負荷變化時，引起高壓缸第一級處溫度的變化，其溫度變化最大

17、。即采用噴咀調(diào)節(jié)改變負荷引起的高壓缸第一級處溫度變化最大。2435 若確定了高壓缸第一級處溫度變化，可根據(jù)選定的疲勞消耗指數(shù)，查出負荷變化所需的時間，即可確定負荷的變化率。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，在機組啟動和停機時，軸封蒸汽溫度與汽輪機轉(zhuǎn)子表面的溫度應(yīng)盡量保持一致，哈爾濱汽輪機廠給出了軸封區(qū)轉(zhuǎn)子壽命消耗計算曲線。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111，即疲勞循環(huán)次數(shù)采用10000次。

18、252 冷態(tài)啟動時，軸封汽源應(yīng)采用低溫汽源；而熱態(tài)啟動時，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轉(zhuǎn)子溫度。253 停機過程中軸封供汽的控制與熱態(tài)啟動時相同。26 停機方式的選擇： 停機過程為啟動過程的逆過程，金屬材料的應(yīng)力變化方向與啟動過程相反，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過程疲勞壽命消耗和停機過程疲勞壽命消耗之和。因此，根據(jù)停機的目的，合理選擇停機控制方式，控制汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞壽命消耗是十分必要的。261 調(diào)峰或輔機臨修停機 機組在極熱態(tài)啟動時，汽輪機轉(zhuǎn)子受到急劇冷卻，產(chǎn)生很大的熱沖擊，汽輪機壽命消耗很大，一般為熱態(tài)啟動壽命消耗的三倍，為了避免停機后下次啟動過程在極熱態(tài)下進行，應(yīng)采用噴咀調(diào)節(jié)控制方式進行停機，控制汽輪機缸溫在下次啟動時處于熱態(tài)范圍內(nèi)。262 機組大修停機 為保證機組大修提前開工，縮短大修工期，停機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，但由于汽輪機缸溫變化大，疲勞壽命消耗較大。263 機組小修停機 根據(jù)機組小修項目確定停機控制方式，一般當(dāng)汽輪機本體和潤滑油系統(tǒng)沒有檢修工作時，根據(jù)機組小修工期可按節(jié)流控制方式進行停機，以保持停機后有較高的