热应力对汽轮机启动和加负荷的影响

热应力对汽轮机启动和加负荷的影响
作者：王超军黄永昌
来源：《城市建设理论研究》2013年第03期
摘要：通过对汽轮机的材料特性、温度变化恶劣部位及结构特点的分析，从而确定热应力在汽轮机启动和加负荷时的影响。

关键词：汽轮机；热应力；转子；汽缸
中图分类号： U664 文献标识码： A 文章编号：
由于电网容量的日益扩大，汽轮机必须考虑到快速启动、快速改变负荷的能力，以满足电能的需要，而汽轮机的各个部件在启动、停机和负荷变化时可能会产生巨大的热应力，因此分析热应力对汽轮机启动和加负荷的影响具有十分重要的意义。

我国自50年代以来，大型汽轮机不断发展完善。

60、70年代在处理汽缸和转子的热应力方面积累了一定的经验。

现代大型汽轮机通常都根据热应力（特别是转子热应力）开机。

只要热应力方面没问题，一般在热膨胀、热变形与振动等方面也就没有什么大问题了。

1、金属材料对热应力的限制
由于机组越来越大，所以机组运行人员对于制造机组的材料的性能也应更多的了解。

大型汽轮机的进汽汽温一般为535～650℃，金属材料的抗拉强度随温度的升高而下降，而且在高温情况下（碳钢在300～350℃以上，合金钢在350～400℃以上），还必须考虑持久强度和蠕变强度，因此材料的强度限额很低。

所以，金属的温差限额和温升率限额，随着金属的温度升高而明显地有所下降。

汽轮机负荷变化或启停过程中，汽缸和转子等部件都要发生温度的变化，每启、停一次，或负荷变动一次，部件受到的热应力方向就要变化一次，因而材料就要受到一次有拉有压的应力循环。

这种应力就称为热疲劳应力，它的周期很长，频率很低，因此是一种低周期的交变应力。

韧性材料受到较大的热应力时，即使超过了材料的屈服限，以致产生了塑性变形，也不会立即破裂。

但是只要有稍大的温度变化反复进行，以致引起了塑性变形，时间长了就会产生裂纹，这就是热疲劳损伤。

一旦裂纹发展到临界值，而且材料又在脆性状态下工作时，就很易发展成为转子脆性破裂事故。

热疲劳应力取决于部件的温度情况。

温度变化幅度愈大，或工作温度愈高，或温度变化速度愈大（特别是热冲击时），或循环次数愈多，则热疲劳应力愈大，愈容易出现热疲劳裂纹。

2、温度变化对汽轮机负荷变化率的影响
从热应力角度看，现代大型汽轮机的限制条件通常发生在汽轮机高压和再热部分的进汽室及其法兰以及中压转子。

因此对汽轮机的温度监视通常将主监视点设在调节级汽室与中压缸第一级处。

对汽缸来说主要监视内汽缸法兰内外壁温差或汽缸—法兰温差；对于转子来说主要借助内缸内壁温度来进行间接的监视。

在汽轮机升速时，一个重要的考虑因素是其转动部分引起的振动。

以均匀速率升速可以减小振动，但不一定能满足热应力的要求，热应力有时就限制了转速的变化。

如果热应力能保持在允许范围内，那么动、静部分的胀差一般也是没有问题的。

高压汽轮机第一级的温度，受到由调节阀节流而引起的温降和由部分进汽调节所引起的通过第一级喷嘴和动叶的温降所影响。

在一定的负荷变化下，节流调节汽轮机的第一级温度的变化比喷嘴调节汽轮机要小得多。

因此，前者的负荷变化可以较快一些。

但是从冷启动到满负荷所需时间并不怎么受此差别的影响，这是因为转子总的温度变化，不管是节流调节汽轮机还是喷嘴调节汽轮机，几乎是相同的。

高压汽轮机第一级温度变化受初温度变化的影响很大（图1）。

因此，如果负荷变动时还伴随着初温的变化，那么负荷变化率必须大大减小。

可将调节阀固定在一定的位置并用锅炉减压的方法来卸汽轮机负荷，这样可以克服第一级温度的急剧降落。

图1高压汽轮机第一级温度变化受初温影响极大
当负荷变化时，对汽轮机的再热部分来说节流或部分进汽调节没有太大的差别。

因此从进汽口处到各级的温度都不随负荷变化，而只受再热温度的影响。

由此，高压汽轮机第一级的温度变化通常决定负荷的允许变化率。

3、转子热应力
随着机组容量增加，转子直径不断增大，热应力急剧增加，转子的工作条件非常恶劣。

研究转子的热应力时，转子表面和中心孔的应力都必须考虑，但要区别对待。

转子结构复杂，尺寸、重量也很大，热应力比较大的地方是转子的轴封处。

汽轮机转子材料多为30CrMoV低碳合金钢，其各项物理性质均随温度变化显著（如：密度Q、比热c、导热系数K、弹性模量E、线性膨胀系数B、泊桑数v等）。

转子材料物性参数随温度的变化显著影响其启动热应力的大小，材料的变物性影响是不容忽视的。

转子表面由热应力和离心应力组成的总应力可以允许超过材料屈服强度。

但是必须使材料的变形量和热疲劳应力限制在一合理的范围内不致引起表面裂开。

因为表面发生热裂不会很快延伸和不太可能导致突然破坏，因此这种裂纹是可以接受的。

而且这种裂纹很容易被发现和车去。

转子中心孔的热应力和离心应力合成的总应力的允许值必须小于材料的屈服点，因为中心孔裂纹往往会引起转子爆裂，并且可能长时期不被发现。

转子热应力的衰减十分缓慢，尽管转子轴封部份表面的放热系数很高，表面温度能很快反应出汽温的变化，但是由于热应力决定于平均温度和表面温度之差，而平均温度的变化则是比较缓慢的，因此在负荷增减过程中停留在某一负荷一段时间对于减小热应力是很重要的。

在机组带负荷之前，如果提前向轴封送入温度适当的蒸汽以加速提高转子的平均温度是有意义的，相反，在减负荷时，最好能提前送入温度较低的蒸汽，以便适当冷却轴封段。

4、汽缸等部件热应力
汽缸应力包括由蒸汽作用力引起的拉应力，壁面温差引起的热应力，以及法兰螺栓温差引起的法兰压应力三个部份。

而汽缸的热应力取决于壁面温差与加热情况。

大型机组的高压进汽室部份形状复杂，汽缸端部的刚度和水平法兰的横向刚度都很高，限制了汽缸的轴向膨胀与横向膨胀，明显地出现空间温度场和应力集中现象。

因此其实际热应力要比计算的结果高得多。

由于机组越来越大，汽缸法兰也越来越宽厚，所以法兰刚性很大，不易加热，也不易冷却。

由于法兰的约束作用，使汽缸的实际热应力要比计算值高些，而法兰的实际热应力则偏低。

启动速度愈大，这种现象愈严重。

使用法兰加热装置时，可以减少此差别。

启动过程中，法兰的壁面温差要比汽缸本体为大，所以一般说来，只要法兰温差不超限，汽缸也就没有问题。

汽缸与法兰之间的温差也不宜过大，以免在汽缸与法兰相邻处产生裂纹。

汽轮机汽缸和阀门的热应力与压力合成的应力比转子更难计算，因为这部分更加不对称。

这些暂变应力如转子表面那样允许超过材料的屈服强度。

对阀门、汽缸确立内、外壁温差允许值是为了限制热应力（图2）。

当温度提高时，允许温差减小，这是因为在较高的温度下材料的屈服强度降低了。

图2高压汽轮机内缸的允许温差
5、结语
随着汽轮机温度和压力的增大，要求体积更大、壁更厚的汽缸和阀门。

同时，转子的直径也增大了。

在一定的温度变化率下，这些变动引起更大的热应力。

虽然已采用更好的材料和设计形状来弥补，但是大型高压汽轮机仍然比小型机组要求较长的启动和加负荷时间。

这些考虑导致根据汽轮机的加热速度将热应力限制在允许值内，从而发展出推荐的启动和加负荷程序。

运行必须以主截止阀和调节阀阀体以及高压汽轮机第一级和再热汽室的内、外壁温度为依据。

6、参考文献
[1] 翦天聪. 汽轮机原理. 中国电力出版社, 1992
[2] 火力发电厂金属材料手册. 中国电力出版社, 2001
[3] 支小牧，寇可新，曹向秋. 汽轮机转子热应力在线监测、寿命管理及优化启停的研究. 动力工程，2001，20（1）：543—547.
作者简介：王超军（1985 -），男，广东化州人，广重企业集团有限公司助理工程师，主要从事热能动力设备设计方面的工作。

黄永昌（1982 -），男，广东广州人，广重企业集团有限公司助理工程师，主要从事热能动力设备设计方面的工作。