燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗預測方法研究

摘 要：為預測燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗，以LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機為例，明確其轉子損傷與使用壽命之間的關系，對汽輪機轉子壽命損耗進行預測。結果表明：LZC38.3-6.9型汽輪機在常規操作下，預計約30年后轉子首現微裂紋，適時大修與裂紋修復能有效延長其使用壽命。該預測方法針對汽輪機轉子的壽命損耗預測精度均在98%以上，具備極高的預測穩定性，有助于確保轉子在達到其壽命限制之前得到及時的維護和更換，避免潛在的安全事故和停機損失。

關鍵詞：燃氣-蒸汽聯合；損耗；轉子；汽輪機；壽命

中圖分類號：TK474.7" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0072-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.016

0" " 引言

燃氣-蒸汽聯合循環機組被視為一種高效、清潔的能源轉換和發電系統，在電力生產中扮演著越來越重要的角色。汽輪機作為聯合循環電廠的核心設備之一，其性能穩定性和運行壽命直接關系到整個電廠的經濟性和安全性。然而，在復雜的運行環境中，汽輪機轉子承受著高溫、高壓、高速旋轉及交變載荷等多重因素的共同作用，其壽命損耗問題日益凸顯[1]。因此，研究燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗預測方法，對于提高電廠運行效率、降低維護成本、保障電力供應安全具有重要意義。

傳統的汽輪機轉子壽命預測方法主要依賴經驗公式和統計模型，這些方法雖然簡單易行，但在面對現代工業的高精度、高準確度技術要求時，難以滿足需求[2-3]。近年來，隨著計算機技術和數值模擬方法的飛速發展，基于疲勞損傷理論等數值方法的壽命預測技術逐漸成為研究熱點。這些方法通過精確模擬轉子在不同工況下的應力、應變分布，結合材料的力學性能參數和疲勞性能數據，能夠更準確地預測轉子的壽命損耗[4-5]。本文旨在探討燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗預測的新方法，以期為電廠的運維管理提供科學依據。

1" " 研究對象

某6F級燃氣-蒸汽聯合循環電廠（以下簡稱“該電廠”）采用上海汽輪機廠LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機，該型汽輪機高壓采用全周進汽，中低壓提供一級可調整抽汽；采用上海電氣QF-40-2型發電機，位于汽輪機高壓側，汽輪機轉子與發電機轉子采用剛性聯軸器連接；作為配套首次國產化應用上海電氣6F級燃氣輪機，該型號燃氣輪機同為上海電氣新型設備；并設置一臺啟動鍋爐，為機組提供啟停機時的輔助蒸汽和運行過程中的備用輔助蒸汽。

汽輪機結構如圖1所示。

汽輪機共有兩個軸承座，前軸承座位于汽輪機電機端，落地滑移式布置；前座內除裝有徑向推力聯合軸承外，還設有電動盤車裝置和部分監控測量裝置；汽缸與前軸承座之間設有立鍵作為橫向定位。后軸承座組焊于排汽缸上，通過排汽缸裙邊支撐在基礎上；內裝有徑向后軸承和部分監控測量裝置。各軸承均配置有高壓頂軸油，在機組盤車及汽輪機啟動時高壓頂軸油投入，把轉子頂起，以減小盤車啟動力矩。

2" " 實驗方法

針對上述實驗對象，提出一種新的方法對汽輪機的轉子壽命損耗進行預測。在機組頻繁調整負荷的操作中，轉子遇到的核心考驗在于低頻熱應力波動誘發的疲勞累積，以及高溫環境下不可避免的蠕變效應，兩者均會顯著縮短轉子的服役壽命。轉子的使用壽命受疲勞與蠕變雙重作用的影響，疲勞損傷主要由交變熱應力的大小、溫度及應力持續時長決定，每當熱應力循環一次，轉子材料便經歷一次疲勞累積，且溫度升高，疲勞損傷加劇；另一方面，蠕變損傷在高溫下也尤為顯著，它隨應力持續時間的延長而增加，表現為材料在恒定應力下的緩慢變形。根據上述分析，確定兩種損傷與轉子使用壽命之間的關系：

1≥++（1）

式中：T為累計運動時間，TR為蠕變壽命，用于描述蠕變損傷的累積量；B為在考慮蠕變和低周疲勞損傷相互影響的情況下的影響系數；n為設備啟停次數，N為低周疲勞壽命，用于描述低周疲勞損傷的累積量。

在上述計算公式中，當與的和大于或等于0.8時，應當密切關注并檢查轉子是否已經出現了裂紋，同時在汽輪機運行的過程中，監視相關運行參數是否在合理范圍內。在實際工程中，可通過下述公式計算對汽輪機轉子壽命損耗進行預測：

Te=Teff+Ns×Ts（2）

式中：Te為汽輪機轉子當量運行時間；Teff為汽輪機轉子實際運行時間；Ns為汽輪機啟動次數；Ts為汽輪機每次啟動折算時間。

3" " 實驗參數

汽輪機轉子包括帶整體聯軸器的焊接轉子和插入式葉片。轉子是由兩段不同材質的合金鋼鍛件經焊接、加工而成的無中心孔轉子，無中心孔轉子中心部位的最大應力低，所以轉子壽命得以延長，并且有利于機組的快速啟動。汽輪機轉子的電機端裝配有盤車大齒輪，與安裝在前軸承座上的回轉設備配合，用以盤動轉子。汽輪機轉子在電機端和汽輪機端均設置有測速齒，用于檢測轉子的轉速。汽輪機主要工況參數如表1所示。

4" " 實驗結果分析與討論

4.1" " 汽輪機轉子壽命損耗預測結果分析

針對LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型單缸、雙壓非再熱、單抽凝汽式汽輪機（上海汽輪機廠生產），其轉子材料為CrMov鋼，在運行溫度為550 ℃的條件下，通過綜合考慮蠕變斷裂與低周疲勞效應，可估算其壽命。結合上述公式計算，得到表2所示的壽命損耗預測結果。

表2體現了對LZC38.3-6.9/[0.6]/1.35/565/[265]型汽輪機轉子進行精確壽命管理的重要性，通過綜合考慮蠕變、疲勞和啟停次數等因素，可以制定出合理的運行和維護策略，以確保轉子的長期安全運行。轉子具有較長的蠕變斷裂時間和低周疲勞壽命，但基于安全考慮，實際允許的啟停次數被限制在較低水平，這表明在設計和運營過程中，必須考慮足夠的安全裕量以應對不確定性和潛在風險。根據表2中的數據，可以制定出詳細的維護計劃，包括大修時間、檢查頻率和維修內容等，有助于確保轉子在達到其壽命限制之前得到及時維護和更換，從而避免潛在的安全事故和停機損失。通過優化啟停策略、減少不必要的啟停次數、提高運行效率等措施，可以進一步延長轉子的使用壽命，并降低維護成本。

4.2" " 壽命損耗預測穩定性分析

按照上述實驗內容，完成對10臺汽輪機轉子（Z01～Z10）的壽命損耗預測，并通過對預測結果精度的分析，實現對該方法預測穩定性的驗證。預測結果精度可依據下述公式得出：

κ=×100%（3）

式中：κ為預測結果精度；W為預測結果；W′為實際轉子壽命。

將得到的檢測結果記錄如表3所示。

從表3可以看出，本文預測方法針對10臺汽輪機轉子的壽命損耗預測精度均在98%以上，具備極高的預測穩定性。所有轉子的預測精度都較高，集中在98.4%至98.9%之間，表明所采用方法對于不同轉子的損耗預測均具有較好的一致性和準確性。高精度的預測結果有助于燃氣-蒸汽聯合循環電廠制定更加科學合理的運營和維護計劃，優化資源配置，提高設備的運行效率和安全性。

5" " 結束語

燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗預測是一個涉及多學科、多因素的復雜問題。本文在總結前人研究成果的基礎上，結合現代技術和材料科學理論，提出了一種新的轉子壽命損耗預測方法，并利用該方法實現了對某6F級燃氣-蒸汽聯合循環電廠汽輪機轉子壽命損耗的預測。同時，通過實驗證明，新的預測方法具備極高的預測穩定性，將該方法應用于實際可為轉子運行維護提供有力依據。今后，筆者還將對如何更準確地獲取材料的性能參數和疲勞損傷數據，如何更全面地考慮轉子在運行過程中可能遇到的各種復雜工況和不確定性因素，以及如何將預測結果更好地應用于電廠的實際運維管理進行更加深入的探索和研究。

[參考文獻]

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[5] 佟文明，田野，李曉健，等.雙層復合護套高速永磁電機轉子渦流損耗解析模型[J].電工技術學報，2024，39（14）：4328-4340.

收稿日期：2024-08-07

作者簡介：高創立（1993—），男，廣東揭陽人，熱能與動力工程助理工程師，研究方向：燃氣-蒸汽聯合循環發電廠生產運行。