基于设计寿命的汽轮机检修周期优化方法的研究

基于设计寿命的汽轮机检修周期优化方法的研究

王峥

天津津滨石化设备有限公司 天津市 300270

摘要：汽轮机检修周期(也称为检修间隔)的确定,与汽轮机的稳定性、大修效率以及使用可靠性密切相关。假如汽轮机的稳定性很好,则大修周期也很短,但保养花费加大；而虽然增长汽轮机大修周期的有效年数能够减少大修投入,却也有可能降低汽轮机的使用安全。同时由于新能源吸引到数量的增加,也需要电站汽轮机高效启动并常态化的深度调峰工作,这就需要在保证安全的情况下优化电站汽轮机的大修时间,从而减少其寿命损失。由于汽轮机的第二种等效平均工作小时数与设计寿命直接相关,按照寿命设计结论来进行汽轮机的有效等级检测并相应增长汽轮机的大修时间,也是目前电厂汽轮机运维新的研究重点。

关键词：汽轮机检修周期；优化方式；寿命计算

一火电机组年利用小时数变化情况

火电机组的年运用小时数(UTH)是将火电机组的毛实际累计发电量,折合为一定能力时的运营小时数。火电机组的工作年度使用总工时数TUTH的计算公式为：

公式中，发电机机组毛实际发电量使用GAG表示，发电机组额定容量使用RC表示。

式中:GAG为机组的毛实用累计发电量；RC为机组额定运行能力。而按照国家电能可靠性管理服务中心的数据,2013年2019年国内外四种能力级别火电机组的年使用小时数的计算情况如表1所述。目前国内外火电机组的年使用小时数均呈现减少态势,而2013年以后的年使用小时数均不足5500h。由于中国境内发电机组装机容量的日益扩大,汽轮机的使用时间数也呈现了减少态势,如果继续根据DL/T838规定的日历年数进行汽轮机大修周期,则将会产生大修价格的上升,属于“过修”,所以就必须根据设备生命周期进行汽轮机大修周期的重新设计,从而减少大修成本。

表1 2013年2019年火电机组的年使用小时数

二基于TUTH1的检修周期

工程设计中,在没有车轮机延寿工程设计结论的前提下,往往选择第一种等效工作小时数来规定车轮机的大修时间。

(一)1000MW汽轮机检修周期

上海市电气电站设备有限公司引进了西门子公司技术制造的超超临界1000MW汽轮机,2006年生产第一台发电机组没兵器投入使用投运。根据西门子集团公司的特点,取Th=25,根据式中TUTH1＝tsh＋ns×Th，求得TUTH1 ,并根据TUTH1 确定汽轮机的分级检修。而对一般连续工作的发电机组来说,约为3年1次C级检修、6年1次B级检修、12年1次A级大修。

（二）电力行业汽轮机检修周期

由国家电气设备技术学会颁布的国家电力工业管理局T/CEEMA001-2017是以停止时间和T运行的涡轮机，第一个等于用于涡轮机阶梯控制的可行性研究的工作小时数,修理时间等于工作时数。

三起动与负荷变动加权系数

所提供的车轮机第2种等效平均运转小时数的计算方式,是在“TMCST002车轮机大修导则”所测算的车轮机等效平均运转小时数方案的基本上,同样充分考虑了车轮机带负荷运转延寿损失、起停延寿损失,以及负载变动延寿损失等的因素。为了确定TEOH2汽轮机的第二个等效运行时数，根据汽轮机大部件和关键部件的寿命设计结果，确定汽轮机负荷的开始时间和变化时间，相当于计算运行寿命随负荷的重量损失系数。

（一）寿命薄弱部位与损伤机理

要研究汽轮机的起动加权系数和负载变动加权系数,就必须分析涡轮等重大工业重要元件的生命周期,脆弱部分及其重要破坏机制。针对火电涡轮的转子、汽缸头和阀壳等重要核心部分,生命脆弱部分是高温部分结构应力聚集处,稳态额定情况和暂态变情况的结构应力都特别大,重要损坏机制是低周劳损和蠕变形。而针对核电汽轮机的大转子、长叶片等重要转动部分,生命脆弱部分是构造应力聚集处,稳态额定情况和暂态变情况的结构应力都特别大,重要损坏机制是低周劳损和高周劳损。

（二）疲劳裂纹萌生寿命

为了确定汽轮机起动时的重量系数和负载变化的重量系数，必须估计汽轮机重要部件断裂时产生疲劳的持续时间。根据所获得的数据，汽轮机重要部位小、高频疲劳结果的计算公式为NI伸长计算公式：N

I＝F（εaeq）

（三）半转速核电汽轮机起动与负荷变动的加权系数

压水堆核电站半速度核能涡轮低压转子等重要部件一般不考虑蠕变阻力的破坏机理，还必须考虑疲劳持续时间短、疲劳时间长的损伤。低疲劳裂纹出现在生命之初，高疲劳破坏周在疲劳循环时间单位之间萌生，因为定子和叶片在自身重力荷载作用下，每转一圈，一半速度在核能涡轮机表面最易受伤害的部分是生命的高周疲劳循环。对于半速原子轮机，疲劳周期为每周25次，1小时每周9万次。半速汽轮机运行时每小时大周疲劳流量dNH的计算公式如下：dNH=90000/Nih。Nih用于半功率核电涡轮定子带压力运行时的高周疲劳裂纹萌生寿命。

四汽轮机第二种等效运行小时数的计算方法

对于大负荷汽轮机，裂纹运行时会出现寿命损失，热汽轮机在高温和局部蠕变下会失去寿命，而半转速核汽轮机在抗裂强度高的大型转子上会失去寿命。在考虑荷载汽轮机运行时产生裂纹的寿命损失、低停堆时产生裂纹的时间损失以及荷载变化时产生小疲劳时产生裂纹的时间损失等因素时，可以根据使用寿命计算计算出简单的TEOH2汽轮机第二等效工作周。

结束语

根据本文所提供的关于汽轮机的起动加权系数、负载变化加权系数,以及第2种等效运转小时数的计算方法,充分考虑了汽轮机中重点部位的蠕变模型或高周疲劳裂纹萌发生命损失、起停低周疲劳裂纹萌发生命损失,以及负载变化或低周疲劳裂纹萌发生命损失等的问题,结果比较适合于工作现场。

通过根据汽轮机的第二种等效工作总小时数设定和调整汽轮机的大修时间,可以解决了对采用日历年数总和方法的汽轮机进行大修的过修困难问题,既能够充分利用汽轮机的残余生命,也大大减少了对汽轮机的大修成本,并能够大大降低了汽轮机的年均寿命损耗来保证了汽轮机的安全运转。

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