1000MW汽轮机滑参数停机优化研究之汽轮机转子温度场及应力场的有限元计算 毕业论文.doc
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1、1000mw机滑参数停机优化研究1000MW汽轮机滑参数停机优化研究之汽轮机转子温度场及应力场的有限元计算1000MW sliding-parameter shutdown of optimization of steam turbine rotor of steam turbine on the study of finite element calculation of temperature field and stress field中文摘要汽轮机在启停、变负荷运行时,由于转子表面蒸汽参数的不断变化,其内部处于非稳态温度场,将产生较大的温度梯度及热应力,汽轮机转子是汽轮机的最重要部件,
2、汽轮机转子的热应力是限制机组启停速度及安全运行的关键因素。因此为了保证机组运行的安全性与经济性,对汽轮机转子进行温度场与应力场的计算分析,实现单元机组启动、停运优化,是电力系统关注的热点问题之一。依据轴对称弹性理论,运用工具软件Ansys对1000MW汽轮机转子进行建模,该模型在空间域应用有限元网格划分,在时间域用有限差分网格划分,对转子上应力集中的部位进行网格加密,依据转子的温度场与应力场的数学模型。本文用有限元法对1000MW机组滑参数停机过程中汽轮机高压、中压转子建立二维模型进行温度场、应力场的分析计算,得到机组滑参数停机运行下的转子主要部位的温度场与应力场,以此得到不同时刻的温度场与应
3、力场分布及热应力集中部位应力值随时间变化的情况,找出高压转子温度场、应力场的变化规律,使该汽轮机转子表面最大合成实际应力控制在280MPa以下,对计算结果进行综合分析,对1000MW汽轮机滑参数停机提出合理化建议。 关键词:汽轮机,转子,温度场,应力场,有限元计算, IAbstractSteam turbine in start-stop, variable load operation, because the rotor surface steam parameters, the internal changes in the steady-state temperature field,
4、 will produce the large temperature gradient and thermal stress,steam turbine rotor is the most important components, steam turbine rotor thermal stress is restricted unit start-stop speed and safe operation of the key factors. So in order to ensure the security of the unit operation, and economy of
5、 steam turbine rotor of temperature field and stress field of calculation and analysis, realize optimized unit aircrew start, etc, is the electric power system is one of the hot issues.According to axisymmetric elasticity theory, using tools software Ansys modeling 1000MW steam turbine rotor in spat
6、ial domain, this model finite element mesh division, in the time domain meshing with finite difference of rotor position of stress concentration grid encryption, upon the rotor temperature field and stress field of the mathematical model. In this paper, using the finite element method to stop 1000MW
7、 units slippery parameters during high voltage and medium-pressure steam turbine rotor establish two-dimensional model of the temperature field and stress field is analyzed and calculated, and get units under the sliding down operation parameters of the main parts of the rotor temperature field and
8、stress field of different time, to get temperature field and stress field distribution and thermal stress concentration section stress values change over time, find out under the high pressure rotor transient temperature field, stress field, the change rule of the steam turbine rotor surface in the
9、actual stress control maximum synthesis 280MPa the following, the calculated results of 1000MW steam turbine comprehensive analysis, sliding parameters rationalization suggestion downtime. Key words: steam turbine, rotor, temperature field, thermal stress field ,Life monitoring 目录中文摘要IAbstractII目录II
10、I1.引言- 1 -1.1 课题的目的和意义- 1 -1.2 国内外研究发展状况- 2 -1.2.1 国外发展现状- 2 -1.2.2 国内发展现状- 3 -1.3 本文研究内容- 5 -2. 温度场、应力场模型的建立- 7 -2.1 概述- 7 -2.2 二维离散温度场模型- 7 -2.2.1 温度场模型的建立- 7 -2.2.2 各部分放热系数的计算- 10 -2.3 温度场的变量说明及运行程序- 11 -2.4 应力场数学模型的建立- 19 -2.5 汽轮机转子的合应力与强度指标- 21 -2.6 滑参数停机应力场分析- 22 -2.7 应力场变量说明及运行程序- 22 -2.8 本章小
11、结- 32 -3 转子温度场与应力场的有限元计算- 33 -3.1 概述- 33 -3.2 转子有限元分析网格划分- 33 -3.3 几何模型的建立- 35 -3.4 有限元计算分析方案- 35 -3.5 转子温度场、应力场计算分析- 35 -3.6 本章小结- 40 -4 转子寿命分析- 41 -4.1 转子寿命损耗评价- 41 -4.1.1 转子寿命损耗- 41 -4.1.2 影响转子寿命的因素- 41 -4.1.2.1 材料因素- 41 -4.1.2.2 应力因素- 42 -4.1.2.3 结构尺寸因素- 42 -4.2 滑参数停机方案的比较- 42 -4.3 本章小结- 43 -5 结
12、论与展望- 44 -5.1 本文主要工作- 44 -5.2 后续工作展望- 44 -致 谢- 45 -参考文献- 46 -III10011数停机优化研究1.引言1.1 课题的目的和意义能源是国家经济发展的重要支柱,电力在能源生产中起着重要的作用,电力生产是现代工业的的基础之一,其产量直接或间接的影响一个国家发展的现代化水平。很多地方由于受到资源环境制约,水利资源缺乏,形成以火电为主的电源结构。文献指出,在2003年,全国发电量18462亿千瓦,其中火电发电量14193亿千瓦,占全国发电总量的76.8%,所以工业和生活用电大部分依靠火力电站和核电站。绝大多数火力和核电站发电是以加热蒸汽推动安装于
13、转子上的叶片旋转,给转子施以动力带动连接在转子上的发电机发电生产。随着现代电力资源日趋贫乏 ,电力生产中将逐步加大对新能源的开发利用,如太阳能发电。有资料一显示,国外在太阳能发电技术应用上,德国Schlaich教授1978年提出利用太阳能加热气流形成的动力驱动涡轮机带动发电机发电。另一方面汽轮机作为原动机械具有功率大、热经济性高、单位功率和制造成本低等一系列优点,所以在冶金、化工等部门广泛应用以作为驱动各种泵、风机等的动力机械。转子是汽轮机中是带动发电机旋转,间接把热能转化为机械能的部件,是汽轮机中的重要部件之一。大型汽轮机机组转子在运转过程中,工作条件恶劣月复杂,运行中不仅要承受自身、叶片的
14、离心力、稳态汽流力以及交变应力的共同作用,还受到湿蒸汽的腐蚀作用以及高温给材料带来的蠕变 作用。近年来,用电量随着经济的飞速发展而迅速上升,能源产业作为经济发展支柱,也随之迅速发展。全国各地,相建立了大批大容量发电机组,为确保能源的合理利用,机组参与调峰运行也是必然。机组参与调峰运行,受启动频繁和大幅度负荷变动的影响,机组的主要部件经常承受大幅度的温差变化,由此引起汽缸、转子等部件承受交变热应力。启动或停机时部件承受热应力的大小,决定于部件内部的温度梯度。对于汽缸等厚壁部件,由于机组高压缸的设计普遍采用了双层缸结构,而且汽缸壁的金属厚度远较转子为薄,蒸汽对汽缸内壁的放热系数也远比转子小,因而启
15、动时的径向温差及热应力远比转子小,汽缸热应力水平已显著下降。而转子的热应力却随着直径的增大而显著增加,况且汽转机转浙江大学硕士学位论文子长期在高温工作,受力情况复杂,转子上除了热应力外,还存在各种机械应力同时在高温高压工质中高速旋转,转子承受叶片、叶轮及转子自重产生的离心应力,以及蒸汽压力对转子产生的压应力。另外,还有转子传递扭矩引起的剪应力,自重引起的交变拉、压应力等。以一次启停的中心孔转子为例,在机组启动加负荷时,转子外表面的温度高于中心孔表面,外表面承受压应力,中心孔表面承受拉应力;当机组稳定运行阶段,转子外表面与中心孔的温度将逐渐趋于一致,热应力也将随之趋于零;而当机组停机降负荷时,转
16、子温度场和应力场的分布将与启动时相反。这样,在机组一次启停过程中,转子外表面和中心孔表面都承受一次交变热应力,这种交变热应力将对转子产生疲劳损伤。使得金属表面特别是应力集中部位萌生裂纹并逐渐扩展以致断裂 。可见转子是工作条件最为恶劣的部件之一,在一定程度上汽轮机转子的寿命代表了整台汽轮机机组的寿命1。 因此对大容量机组转子热应力和寿命进行研究。合理控制机组的启停不仅关系到机组- 47 -的经济性,更涉及到机组的安全性。对转子进行热应力和寿命的有限元计算正是根据传热学,弹性力学和疲劳强度等基本原理,通过温度场和应力场的计算,采用局部应力计算法,结合金属材料具体的疲劳试验曲线,而求得转子的低周疲劳
17、损伤,不仅对转子的寿命进行正确的预测,更对在线寿命监测系统可靠性做出正确的评价。本学位论文主要针对汽轮机高中压转子寿命问题中采用有限元方法进行分析根据其热应力等参数的分布特性开展研究。结论,有其深远的理论意义和极大的实际应用价值:(1) 通过对汽轮机高中压转子工况的数值模拟,可以进一步加深对汽轮机高中压转子运行中的特点认识。(2) 通过对汽轮机高中压转子运行中的特性认识,可以对进行汽轮机高中压转子热应力分析有一定的理论指导作用。(3) 通过对汽轮机高中压转子的数值模拟研究,可以清楚地了解其存在现有产生不足问题的主要原因,找到容易产生裂纹或者疲劳的部位,并可以节省大量的实验过程和实验时间及花费;
18、对提高汽轮机高中压转子在实际应用中的综合性能,减少疲劳损伤以增加寿命有着非常重要的价值。1.2 国内外研究发展状况1.2.1 国外发展现状由于目前转子的温度和应力尚不能直接进行测量,只能通过间接方法,建立相应的数学模型,测量相关参数,求出转子金属温度和应力的变化及寿命损耗。现在转子应力的数学模型大多数是采用一维温度场理论解的简化式,其计算精度较低,只能反映应力的变化趋势,而不能得到应力的精确值。若在此基础上计算转子在启停和变负荷过程中的寿命损耗,将会产生较大的误差。国外机组寿命管理的应用在日本、美国和欧洲较为普遍。美国自60年代Gollin电站汽轮机失事以后,一些大的公司和研究机构如GE、WE
19、STINGHOUSE、EPRI等对转子的安全性更为重视;进行了深入的研究。他们将有限元等先进数值方法由于汽轮机转子的分析计算,对转子材料的低周疲劳、高温蠕变、低温脆性和裂纹扩展规律等诸多方面的问题进行了大量的研究,并在汽轮发电机组上安装了应力及寿命损耗指示器以指导机组运行。日本在汽轮机寿命管理方面也做了很多工作,除了预测可能出现裂纹的寿命外,还对转子剩余寿命做出计算。日本的Kagawa University的Ebara等对汽轮机动叶片采用的12Cr钢和Ti-6AI-4V合金的疲劳特性进行研究,Fujiyama,Kazunari;Takaki,Keisuke;Nakatani,Yujiro等根据
20、统计损伤和随机损伤仿真研究,对汽轮机设备进行寿命评估,采用先进技术设计汽轮机流通部分,以提高机组的性能和设备的可靠性。另外,日本在无损探伤的研究方面处于世界先进水平,日立、三菱重工、东芝、富士机电等著名大公司相继提出脆化一腐蚀法、硬度法、金属组织法、电极化法等无损探伤方法作为改进转子寿命评估的手段。德国的Wichtmann,Andreas研究了高温对汽轮机部件的蠕变损伤;Zaviska,Reichel研究了汽轮机冷态启动过程中的转子温度变化,在此基础上建立了冷态启动仿真模型; Scheefer,M;Knodler;Scarlin,B等对电厂抗高温、高压材料进行了探讨,一方面是发展新的材料,一方
21、面是在已有的材料表面喷涂抗氧化性能强的图层;以及关于机组安全经济运行方面也进行了大量的研究.由美国萨金伦迪公司负责人总体设计,并由美国燃料公司和瑞士苏而寿公司提供锅炉,由瑞士ABB提供汽轮机发电机组的超临界600MW机组配有与自动启动序接口的热应力控制装置,它安装在高、中压转子进汽端的转子温度探针和一套计算回路组成。在启动升速和加负荷过程中,该装置都参与控制。运行部门反映该机组的最大优点是启动速度快,但也提出不能以应力作为控制的唯一依据,还应考虑到汽缸的膨胀是否均匀。英国GEC汽轮发电机公司在对大型汽轮机设计的最新进展进行推论时认为,在不远的将来提高目前的蒸汽温度和采用两次再循环的可能性都很小
22、,因而循环热效率不会有很大提高。现代叶型效率已达到如此水平,将来的改进仅是有限的。可预见的主要发展是继续增大机组容量来提高经济性。研制更大的转子、更长的末级叶片和更大的排汽环状面积会有利于提高单机容量。然而,如果提高单机功率,采用大转子长叶片的同时,可靠性达不到较小机组的同样水平,对大型汽轮机的考虑就会降低,因为发电厂大型汽轮机设备的启停费用是极大的。目前国外先进大机组十分重视根据热应力状态和疲劳寿命自动控制机组的动态运行,提高机组动态运行的经济性。美国EPRI早在十年前就提出其进一步的研究方向,其中前两项是:(1) 对机组动态特性进行在线监视;(2) 机组起停过程中的经济性能分析,调峰机组的
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