国产主播在线观看,日本A在线视频,91精品不卡日韩,日韩欧美亚洲国产,91久久久在线观看,欧美国产精品一三区,免费一区二区三区四区,性感AV无码一区二区,欧美亚洲牲交a久久

摘要：采用全三維熱固耦合分析方法對光熱發(fā)電(CSP)汽輪機(jī)本體進(jìn)行了數(shù)值分析，并對汽輪機(jī)脹差控制、汽輪機(jī)熱變形控制以及汽輪機(jī)全生命周期的壽命管理進(jìn)行分析，從而優(yōu)化汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過分析計(jì)算，選擇合理的本體結(jié)構(gòu)布局以及動靜間隙，以滿足光熱發(fā)電汽輪機(jī)頻繁啟停靈活性，指導(dǎo)光熱發(fā)電汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場運(yùn)行。

0引言

隨著環(huán)境污染與人類生存矛盾日益凸顯，太陽能綠色、無污染、可再生等特點(diǎn)，使得光熱發(fā)電成為電力行業(yè)綠色發(fā)展的一個(gè)趨勢。與傳統(tǒng)能源相比，太陽能熱發(fā)電具有明顯的環(huán)境優(yōu)勢，每10 MW的太陽能熱發(fā)電站將減排二氧化碳350000 t/年，并且在其運(yùn)行期間沒有固體垃圾產(chǎn)生。

太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目受太陽能光照影響，存在負(fù)荷變化頻繁的特點(diǎn)，同時(shí)由于太陽能只在白天存在，即使使用儲熱技術(shù)也不可能保證機(jī)組能全天24 h運(yùn)行，因此機(jī)組每天必然存在停機(jī)及熱態(tài)啟動的問題。特別是為響應(yīng)國家電力“削峰填谷”的要求，更需要光熱發(fā)電汽輪機(jī)每天都具有“兩次調(diào)峰”的能力，也就是為了調(diào)整用電高峰，光熱汽輪機(jī)每天需滿足兩次啟停的要求。這就要求光熱發(fā)電汽輪機(jī)必須具有頻繁啟停的能力。同時(shí)，太陽能發(fā)電蒸汽產(chǎn)生的費(fèi)用特別高，必須考慮機(jī)組能在盡可能少的耗汽量下，充分利用太陽能，短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)組啟動，故汽輪機(jī)應(yīng)具有快速啟動的能力。

本文對實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電汽輪機(jī)快速啟動、頻繁啟停的3個(gè)最核心的問題，即汽輪機(jī)脹差控制、汽輪機(jī)熱變形控制以及汽輪機(jī)全生命周期的壽命管理進(jìn)行了分析。

1脹差控制技術(shù)

1.1全三維熱固耦合分析，研究各種工況動靜脹差

汽輪機(jī)動靜部件脹差產(chǎn)生的根源在于，在受到蒸汽加熱時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)靜子這兩類部件接觸的蒸汽參數(shù)有別、接觸表面面積大小有別、換熱系數(shù)有別、部件整體熱容量有別、部件熱膨脹系數(shù)有別等。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子部件和靜子部件的整體熱膨脹值存在差異，特別是機(jī)組在快速啟停過程中這個(gè)差值尤其顯著，因此必須在汽輪機(jī)機(jī)組軸向的動靜間隙設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮差值，否則會造成動靜碰磨的嚴(yán)重事故。

1.2計(jì)算分析

為了應(yīng)對光熱汽輪機(jī)快速啟停的要求，必須充分分析機(jī)組在快速啟停過程中的膨脹變化，以確定汽輪機(jī)機(jī)組軸向動靜間隙設(shè)計(jì)的合理性。由于汽輪機(jī)脹差最大值一般是出現(xiàn)在機(jī)組快速啟動階段，這是一個(gè)動態(tài)過程，所以需要對機(jī)組進(jìn)行以時(shí)間域?yàn)榛A(chǔ)的動態(tài)分析?；诖?，首先建立全三維的流固分析模型（見圖1），并根據(jù)熱力計(jì)算所確定的邊界條件、機(jī)組啟動狀態(tài)和啟動曲線（見圖2）設(shè)置模型相應(yīng)邊界條件（見圖3）[1]。

圖1全三維流固模型

圖2汽輪機(jī)啟動曲線

圖3邊界條件示意圖

1.3計(jì)算結(jié)果

首先，計(jì)算出整體機(jī)組啟停過程中隨時(shí)間變化的流場、轉(zhuǎn)子溫度場、靜子溫度場的分布和溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，如圖4、圖5所示。然后，提取轉(zhuǎn)子和靜子隨時(shí)間和溫度場變化的膨脹值并進(jìn)行對比分析，兩者之間的差值即為機(jī)組整個(gè)啟停過程中的脹差值（脹差值Δf??=f?-f?），如圖6所示。機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)就根據(jù)全三維流固耦合計(jì)算所得的機(jī)組脹差進(jìn)行軸向間隙的設(shè)計(jì)，確保機(jī)組既能快速啟停又具有足夠的經(jīng)濟(jì)性[2]。

圖4轉(zhuǎn)子溫度場變化

圖5靜子溫度場變化

圖6脹差值計(jì)算圖

2汽輪機(jī)熱變形和熱應(yīng)力控制技術(shù)

2.1進(jìn)汽參數(shù)匹配技術(shù)

汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中熱變形不可控的狀態(tài)多是發(fā)生在蒸汽與機(jī)組金屬溫度不匹配時(shí)。進(jìn)汽參數(shù)的不匹配會引起機(jī)組局部驟冷驟熱，熱應(yīng)力過大，部件劇烈變形，更有甚者會在部件表面產(chǎn)生裂紋。隨著時(shí)間的推移，應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展，會引發(fā)部件損壞。

為了避免進(jìn)汽參數(shù)不匹配的問題，對機(jī)組啟動過程中的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了詳細(xì)分析。然后基于機(jī)組溫度場分布和溫度場隨時(shí)間變化的過程，提出了與之匹配的進(jìn)汽參數(shù)管控方法，使蒸汽溫度盡量與金屬表面形成正匹配，即蒸汽溫度高于金屬表面溫度，并形成穩(wěn)定的溫差。最后使金屬表面溫度高于金屬軸心溫度，形成正匹配和穩(wěn)定溫差。這樣可以有效控制機(jī)組熱變形在預(yù)設(shè)范圍，降低溫度應(yīng)力，縮短啟動時(shí)間。

2.2采用節(jié)流配汽，切向進(jìn)汽，減少熱不對稱

根據(jù)太陽能光熱發(fā)電運(yùn)行的特點(diǎn)，太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)均采用滑參數(shù)運(yùn)行的方式，而滑參數(shù)運(yùn)行采用節(jié)流配汽可更好相互匹配。采用節(jié)流配汽，實(shí)現(xiàn)全周進(jìn)汽，通流部件在周向上均勻地與蒸汽接觸，不存在不均勻的可能，部件的熱應(yīng)力更小，更有利于快速啟動。進(jìn)汽蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。在最大負(fù)荷時(shí)，應(yīng)考慮機(jī)組的超壓運(yùn)行能力，使進(jìn)汽壓力高于額定設(shè)計(jì)壓力運(yùn)行，保證機(jī)組的能力工況，從而保證機(jī)組的長期安全高效運(yùn)行。

圖7進(jìn)汽蝸殼結(jié)構(gòu)示意圖

從模型的分析結(jié)果可以看出，由于機(jī)組采用雙蝸殼切向進(jìn)汽、全周進(jìn)汽的形式，機(jī)組對稱性好，整個(gè)結(jié)構(gòu)在周向熱應(yīng)力分布均勻，如圖8所示。在啟動過程中，機(jī)組不會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致熱容量差異過大、熱應(yīng)力過大、熱變形不均，從而限制啟動的快速性[3]。

圖8進(jìn)汽蝸殼熱應(yīng)力分析

2.3機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量保持機(jī)組的對稱性

2.3.1整機(jī)對稱設(shè)計(jì)

機(jī)組整體設(shè)計(jì)和閥門布置均考慮對稱性布置，所有熱部件在設(shè)計(jì)之初均會考慮設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)。在充分考慮機(jī)組左右對稱的前提下，還在天地方向設(shè)計(jì)了熱變形控制筋，以保證在機(jī)組膨脹時(shí)不僅左右對稱，而且在天地方向也盡量保持對稱。該種設(shè)計(jì)有效控制了熱變形的方向，做到了熱變形可控，提升了機(jī)組啟動速度。機(jī)組整體布置如圖9所示。

圖9機(jī)組整體布置圖

2.3.2高壓內(nèi)缸采用筒型缸結(jié)構(gòu)

高壓內(nèi)缸采用筒型缸紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。取消傳統(tǒng)法蘭設(shè)計(jì)后，高壓模塊對稱性高、汽缸壁厚均勻，在啟停過程中不會出現(xiàn)周向的熱不均勻性，可以有效控制汽缸熱變形在周向分布，熱應(yīng)力也相對較小，對汽輪機(jī)快速啟停和變負(fù)荷工況適應(yīng)性好[4]。

圖10高壓內(nèi)缸

2.3.3外缸采用窄高法蘭、薄壁缸結(jié)構(gòu)

汽輪機(jī)外缸設(shè)計(jì)成等強(qiáng)度壁厚，以減小汽缸壁厚。汽缸設(shè)計(jì)時(shí)采用對稱結(jié)構(gòu)，如圖11所示。中分面螺栓盡可能靠近汽缸內(nèi)壁，使法蘭和螺栓比較容易加熱和膨脹，減少其內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力。該思路設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)外缸，既保證了強(qiáng)度要求，又有利于機(jī)組熱膨脹可控的需求，為汽輪機(jī)快速啟停和變負(fù)荷的要求提供了有力支撐[4]。

圖11外缸

3全生命周期的壽命管理技術(shù)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗主要分為兩個(gè)部分：（1）由啟停產(chǎn)生的熱應(yīng)力變化引起的低周疲勞損耗；（2）由高溫蠕變疲勞產(chǎn)生的壽命損耗。

在汽輪機(jī)啟動和升負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)子是處于被加熱的過程，其外表面的膨脹受到約束，承受壓應(yīng)力；在停機(jī)和減負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)子外表面承受拉應(yīng)力。在一個(gè)完整的啟停和變負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)子外表面所承受的熱應(yīng)力是交變過程。機(jī)組在頻繁啟停和變負(fù)荷運(yùn)行工況下，轉(zhuǎn)子表面將受到多次交變應(yīng)力的作用，經(jīng)過一定數(shù)量的循環(huán)周次，將會使轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，這種交變應(yīng)力所引起的損傷，即為低周疲勞損傷。汽輪機(jī)在啟、停和工況變化時(shí)要承受溫度循環(huán)，大幅度的溫度變化使轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面產(chǎn)生溫度差，造成了比較高的熱應(yīng)力水平，熱應(yīng)力又是造成轉(zhuǎn)子材料低周疲勞的主要原因。高溫蠕變損耗是指汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料在高溫和應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，蠕變損傷的大小和轉(zhuǎn)子工作溫度及運(yùn)時(shí)轉(zhuǎn)子離心力大小有關(guān)。

為了確保機(jī)組全生命周期的壽命得到有效的管理，并且確保在壽命保證年限內(nèi)壽命損耗不至于超限，必須對轉(zhuǎn)子壽命進(jìn)行分析，同時(shí)盡可能優(yōu)化啟動過程，提高啟動的速率。

由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，目前還沒有直接測量轉(zhuǎn)子金屬溫度和熱應(yīng)力的有效手段，這就需要通過建立一個(gè)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以測量汽輪機(jī)在啟停過程中的相關(guān)參數(shù)，如蒸汽流量、蒸汽溫度等。同時(shí)利用理論計(jì)算來求得汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在啟停過程中的金屬內(nèi)部溫度梯度和熱應(yīng)力，并以此來計(jì)算過程中壽命的損耗，核算的準(zhǔn)確度就依賴于該數(shù)學(xué)模型。采用有限單元法將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子視為二維軸對稱模型，如圖12所示。采用有限元將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的復(fù)雜幾何形狀離散化，用一系列代數(shù)方程代替微分方程，并考慮汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面的放熱系數(shù)和轉(zhuǎn)子金屬的物理特性會隨啟停過程時(shí)間變化而變化來進(jìn)行處理，如圖13所示。

圖12轉(zhuǎn)子模型及其溫度場

圖13轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由圖13可知，高壓轉(zhuǎn)子在啟動過程中最大應(yīng)力集中在機(jī)組高壓進(jìn)汽段直徑突變的根部。這主要是因?yàn)榇颂幋嬖谄胶廪D(zhuǎn)子推力的大直徑汽封段，該段直接過大熱容量較其他部分更大，更容易發(fā)生應(yīng)力集中，同時(shí)該處本生存在階梯過渡的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部分，兩相疊加，就造成了該處應(yīng)力是整根轉(zhuǎn)子的最大處。為了研究該處應(yīng)力隨機(jī)組啟動過程的變化特性，優(yōu)化啟動過程，將應(yīng)力隨時(shí)間變化的趨勢整理為相應(yīng)曲線，如圖14所示[5]。

圖14轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化曲線

由圖14可知，在20 min左右，等效應(yīng)力曲線出現(xiàn)了一個(gè)明顯的折點(diǎn)，該時(shí)刻應(yīng)力最大。對比啟動曲線，該時(shí)刻為機(jī)組完成啟動定速開始帶負(fù)荷的時(shí)段。折點(diǎn)前，機(jī)械應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速快速升高而急劇增大，并在此后保持不變；折點(diǎn)處熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都達(dá)到最大值，成為轉(zhuǎn)子損耗最關(guān)鍵的點(diǎn)。

針對該種情況，對啟動過程進(jìn)行優(yōu)化。在啟動升轉(zhuǎn)速的過程中，機(jī)組的熱應(yīng)力較小，機(jī)械應(yīng)力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。這主要是由于進(jìn)汽量較小，轉(zhuǎn)子熱膨脹過慢，導(dǎo)致后期升負(fù)荷且蒸汽流量劇烈增加時(shí)，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力急劇增加，推高了機(jī)組轉(zhuǎn)子的應(yīng)力水平。所以，優(yōu)化啟動過程的方向是縮短升速過程，使轉(zhuǎn)子盡量快定速，然后減緩機(jī)組帶負(fù)荷的速率，延長低負(fù)荷暖機(jī)的時(shí)間，削掉熱應(yīng)力的陡峰，降低轉(zhuǎn)子在整個(gè)啟動過程中的應(yīng)力水平。這樣的優(yōu)化既縮短了機(jī)組的整體啟動時(shí)間，又達(dá)到了降低轉(zhuǎn)子壽命損耗的目的。

為了掌握轉(zhuǎn)子在不同工況啟動時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變，還需要通過應(yīng)力和應(yīng)變推算壽命損害。由不同應(yīng)變幅和相應(yīng)的失效循環(huán)數(shù)建立起來的關(guān)系曲線被稱之為低周疲勞壽命曲線。經(jīng)應(yīng)力分析，確定了轉(zhuǎn)子局部最大應(yīng)力和應(yīng)變之后，便可借助低周疲勞壽命曲線估算出轉(zhuǎn)子的疲勞壽命消耗。通常低周疲勞壽命曲線采用Manson-Coffin形式公式來表達(dá)，本文采用應(yīng)變-疲勞壽命方程計(jì)算低周疲勞壽命，然后根據(jù)壽命方程計(jì)算所得繪制壽命曲線，如圖15所示。

利用圖15的曲線，再結(jié)合有限元分析的轉(zhuǎn)子應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，可以得到機(jī)組每次啟動的轉(zhuǎn)子壽命損耗量，然后對全生命周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子全生命周期內(nèi)轉(zhuǎn)子壽命損耗可控。

圖15轉(zhuǎn)子壽命損耗曲線

4結(jié)語

本文分析了實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電汽輪機(jī)快速啟動、頻繁啟停的3個(gè)最核心問題，即汽輪機(jī)脹差控制、汽輪機(jī)熱變形控制以及汽輪機(jī)全生命周期的壽命管理。通過相關(guān)分析，為光熱汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本文的研究結(jié)果對光熱汽輪機(jī)的調(diào)試運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃延忠.渦輪泵轉(zhuǎn)子熱固耦合疲勞特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2021.

[2]彭鵬.結(jié)構(gòu)在約束下的數(shù)值模擬[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[3]朱自強(qiáng).應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.

[4]陳貝貝,章艷,陳海峰,等.光熱汽輪機(jī)汽缸的低周疲勞壽命研究與預(yù)測[J].東方汽輪機(jī),2020(2):1-5+10.

[5]丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算手冊[M].北京:中國電力出版社,2010.

本文轉(zhuǎn)自《自動化應(yīng)用》，原標(biāo)題《光熱發(fā)電汽輪機(jī)頻繁啟停靈活性研究》；

作者：趙錦,劉雄,岳書培,張鵬飛,吳方松,廖上斌,孫浩云(東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽618000)

作者簡介：趙錦,男,1988年生,工程師,從事工業(yè)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)方面的工作。