趙建軍, 劉長福, 諶 康, 王 旭,李鳳強, 盧 波, 褚建忠

(1. 大唐國際發(fā)電股份有限公司北京高井熱電分公司,北京 100041;2. 中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗研究院,北京 100044)

基于碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),能源配置日趨平臺化,能源利用日益高效化[1]。能源結(jié)構(gòu)主導(dǎo)由可控、連續(xù)出力的煤電裝機向不確定性強、可控性弱的新能源發(fā)電裝機轉(zhuǎn)變。依據(jù)雙碳目標(biāo)要求,新能源發(fā)電將成為我國新增發(fā)電量的主體,并在能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。為了保障風(fēng)力、太陽能發(fā)電等新能源電力的消納,煤電機組的中低負(fù)荷運行、變負(fù)荷運行將成為常態(tài)[2],承擔(dān)起電網(wǎng)保供的重要職責(zé)。調(diào)峰運行是新形勢下煤電生存的途徑,也是適應(yīng)雙碳目標(biāo)新形勢要求最重要的舉措。因此,隨著火力發(fā)電機組調(diào)峰頻率及幅度的不斷增加,機組深度調(diào)峰的負(fù)荷率甚至低至16%。

機組在調(diào)峰運行時,介質(zhì)的溫度、壓力都在波動,使設(shè)備承受交變載荷,從而引起設(shè)備的疲勞損傷[3]。尤其對于厚壁部件,其內(nèi)外壁溫度不一致,產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力與內(nèi)壓應(yīng)力疊加,對設(shè)備壽命的影響更明顯。

以某300 MW亞臨界機組的高壓導(dǎo)汽管為對象,研究了調(diào)峰運行對高壓導(dǎo)汽管壽命的損傷情況,以為電廠安全運行提供技術(shù)支撐。

1 調(diào)峰運行相關(guān)參數(shù)的分析

通過調(diào)整蒸汽的能量即溫度、壓力和流量,以調(diào)節(jié)火力發(fā)電機組的輸出功率。因此,機組負(fù)荷波動主要涉及溫度、壓力的調(diào)節(jié)[4]。變負(fù)荷調(diào)峰機組的運行控制方式有:滑壓運行、調(diào)溫控制和調(diào)溫調(diào)壓聯(lián)合控制。調(diào)峰幅度較小時,主要采用滑壓運行方式;深度調(diào)峰時,則采用調(diào)溫調(diào)壓聯(lián)合控制方式。

1.1 調(diào)峰運行相關(guān)參數(shù)的變化特性

該廠主蒸汽和再熱蒸汽的設(shè)計溫度相同,均為540 ℃,僅對主蒸汽系統(tǒng)情況進行討論。

從該300 MW亞臨界機組廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)獲取的運行數(shù)據(jù)見圖1。從圖1可以看出,機組在600 d內(nèi)停機6次。機組長期運行在調(diào)峰狀態(tài),功率主要在150～300 MW波動。

圖1 調(diào)峰機組運行時的功率、主蒸汽壓力及溫度波動情況

對從SIS獲取的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析:機組功率最高為304.27 MW,調(diào)峰運行時的功率最低為128 MW;機組長期在200 MW以下運行,占取樣時長的55%以上。

對主蒸汽壓力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析:主蒸汽壓力的最大值為17.624 MPa;正常運行時壓力低于9 MPa的時長約占取樣時長的0.1%;主蒸汽壓力主要在10～16 MPa波動,處于該范圍的時長約占取樣時長的97%;壓力的波動幅度為6 MPa,約為最高工作壓力(16 MPa)的37.5%。

相比于機組功率和主蒸汽壓力,主蒸汽溫度的波動幅度較小。由圖1可得:在第320天以后的時期,主蒸汽溫度基本維持在535～545 ℃,而同時期的功率及壓力波動明顯。因此,機組功率波動與主蒸汽壓力波動緊密相關(guān),與溫度波動的關(guān)系不明顯。

1.2 調(diào)峰頻率及參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析

從圖1后300 d數(shù)據(jù)中抽取5 d的運行參數(shù),機組功率、主蒸汽壓力及溫度的運行數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 機組某5 d的運行數(shù)據(jù)

由圖2看出機組調(diào)峰運行時的參數(shù)變化及相關(guān)性:

(1) 功率每天波動2次甚至3次;

(2) 功率峰值出現(xiàn)在07:00:00和19:00:00左右;

(3) 07:00:00—09:00:00時間段的功率峰值較低且持續(xù)時間短;

(4) 功率波動與主蒸汽壓力波動的趨勢幾乎相同,而與主蒸汽溫度波動無明顯相關(guān)性;

(5) 主蒸汽溫度波動的幅度很小,峰、谷值差約為9 K。

為了進一步明確主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、機組功率的相關(guān)性及波動頻率,采用快速傅里葉變換(FFT)的方法將機組數(shù)據(jù)從時域映射到頻域進行分辨。

FFT是一種頻譜分析方法,采用FFT方法[5]對從SIS中采集出來的離散數(shù)據(jù)進行分析:

(1)

(2)

對600 d內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進行了FFT處理(見圖3)。

圖3 機組功率、主蒸汽壓力及溫度的FFT頻譜分析

從機組功率、主蒸汽壓力及溫度的FFT頻譜中可以得出:

(1) 3個參數(shù)均在頻率為0處的幅值最高。這是因為在機組運行時,功率、主蒸汽壓力及溫度有很高的“直流”即“不變量”成分。

(2) 功率波動的頻譜量值表明每天調(diào)峰2次的天數(shù)是調(diào)峰1次的1.44倍。從壓力波動的頻譜量值上也能得出同樣結(jié)論。調(diào)峰運行期間機組每天調(diào)峰次數(shù)的占比見圖4。調(diào)峰頻率以每天調(diào)峰2次居多,約占調(diào)峰運行總天數(shù)的1/2;每天調(diào)峰1次的情況約占調(diào)峰運行天數(shù)的1/3;少數(shù)情況下每天調(diào)峰3次。

圖4 機組每天調(diào)峰次數(shù)的占比情況

(3) 在溫度波動頻譜圖中也可看出每天有2次調(diào)峰的頻譜,但不明顯。溫度波動整體類似于白噪聲的隨機波動。

(4) 在機組功率不低于128 MW的情況下,負(fù)荷與主蒸汽壓力波動密切相關(guān),而與主蒸汽溫度無明顯的關(guān)聯(lián)性,機組功率主要由主蒸汽壓力控制。

2 調(diào)峰運行對高壓導(dǎo)汽管疲勞壽命的影響

以主蒸汽系統(tǒng)的高壓導(dǎo)汽管為研究對象,采用有限元計算的方法,對其在調(diào)峰運行工況下的壽命損耗情況進行研究。

2.1 高壓導(dǎo)汽管壽命評估相關(guān)參數(shù)說明

高壓導(dǎo)汽管的材質(zhì)為12Cr1MoV耐熱鋼,規(guī)格為Φ273×40。12Cr1MoV的物理參數(shù)與溫度的關(guān)系見表1[6],評估壽命時采用線性插值法獲取對應(yīng)溫度的參數(shù)。

表1 12Cr1MoV的材料參數(shù)

2.2 有限元模型及邊界條件設(shè)置

按圖紙建立的高壓導(dǎo)汽管有限元模型見圖5。由于導(dǎo)汽管相對于汽缸左右對稱,因此僅對左半部分進行建模分析。

圖5 有限元計算模型及約束情況

根據(jù)圖紙設(shè)計,施加熱態(tài)運行時的邊界條件為:

(1) 在汽缸中心施加三向約束,控制其中心不產(chǎn)生位移(見圖5中A約束)。

(2) 控制閥門的上下位移為0 mm(見圖5中B約束)。

(3) 對左側(cè)上缸導(dǎo)汽管下側(cè)支吊架施加向上的彈吊力18 360 N(見圖5中C約束)。

(4) 對左側(cè)上缸導(dǎo)汽管中部支吊架施加向上的彈吊力12 250 N(見圖5中E約束)。

(5) 對右側(cè)下缸導(dǎo)汽管下側(cè)支吊架施加向上的彈吊力13 170 N(見圖5中D約束)。

(6) 對所有部件施加豎直向下的重力加速度9.8 m/s2(見圖5中F約束)。

(7) 選取調(diào)峰幅度較大的某天,提取主蒸汽壓力、溫度作為載荷的影響因素,對導(dǎo)汽管的疲勞損傷情況進行研究。主蒸汽壓力、溫度隨時間的變化情況見圖6,壓力波動范圍為10.1～14.6 MPa,溫度波動范圍為524.1～542.3 ℃。壓力載荷作用于導(dǎo)汽管、汽缸內(nèi)壁,溫度載荷作用于全部部件上。

圖6 僅加載溫度載荷時上、下缸導(dǎo)汽管的應(yīng)力狀況

圖6 某天調(diào)峰運行時主蒸汽壓力、溫度的波動情況

2.3 應(yīng)力分析

為了確定不同因素對導(dǎo)汽管應(yīng)力的影響,將溫度和壓力載荷作用于導(dǎo)汽管,討論導(dǎo)汽管的應(yīng)力情況。如無特殊說明,所述的結(jié)果均在已施加圖5中A～F約束的情況下計算求得。

2.3.1 靜態(tài)應(yīng)力的分析

為了便于比較不同參數(shù)對管系應(yīng)力的影響,選取圖6中第24小時的溫度(528.5 ℃)、壓力(10.5 MPa)進行分析。

(1) 僅加載溫度載荷。

設(shè)置壓力為0 MPa,僅加載溫度載荷(528.5 ℃時)的計算結(jié)果見圖6。

上缸導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上彎內(nèi)弧內(nèi)側(cè),最大值為37.74 MPa,結(jié)合導(dǎo)汽管變形情況,分析該處應(yīng)力為壓應(yīng)力。上缸導(dǎo)汽管的外弧承受拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力約為26.74 MPa。

下缸導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在與汽缸連接處的管外壁,最大應(yīng)力為17.62 MPa。外壁應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離管端頭而降低,距離管端頭1.5 m處的外壁應(yīng)力下降至7 MPa。

(2) 僅加載壓力載荷。

常溫下,僅加載壓力載荷(10.5 MPa時)的計算結(jié)果見圖7。

圖7 僅加載內(nèi)壓載荷時上缸導(dǎo)汽管的應(yīng)力狀況

上缸導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)汽管與汽缸連接處附近,為55.4 MPa(見圖7(a)),結(jié)合導(dǎo) 汽管變形情況,分析得出該處應(yīng)力為壓應(yīng)力,而管對側(cè)為拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力為50 MPa,應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離管端頭而降低(見圖7(b))。分析管內(nèi)壁的應(yīng)力情況,在管內(nèi)壁多次取點,得出平均應(yīng)力約為37 MPa。

下缸導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)汽管與汽缸連接處附近的外壁,為29.57 MPa的壓應(yīng)力。下缸導(dǎo)汽管內(nèi)壁平均應(yīng)力水平在20 MPa以內(nèi)。

(3) 溫度及壓力載荷共同作用。

在溫度、壓力載荷的共同作用下,上缸導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力為39.03 MPa,相比于常溫下僅加載內(nèi)壓載荷時下降約16 MPa。這主要是因為高溫時彈性模量降低,管系的柔性增加,從而降低了管系應(yīng)力。下缸導(dǎo)汽管應(yīng)力相對常溫狀態(tài)下并無明顯變化,最大應(yīng)力為31.57 MPa,分析原因是下缸導(dǎo)汽管短,結(jié)構(gòu)剛性大,彈性模量下降使管系柔性的增加程度不明顯,并且下缸導(dǎo)汽管整體應(yīng)力水平較低,應(yīng)力的下降空間小。計算12Cr1MoV材料在540 ℃時的許用應(yīng)力為83 MPa[7],上述應(yīng)力遠(yuǎn)低于該許用應(yīng)力。

(4) 其他因素對應(yīng)力的影響。

改變支吊架的吊掛力及吊掛點,會對管系應(yīng)力的分布及幅值有較大影響。在僅加載壓力載荷的情況下,取消上缸導(dǎo)汽管的中部約束(圖5中E約束),則上缸導(dǎo)汽管最大應(yīng)力由55.4 MPa上升至71.3 MPa,由此可見支吊架的重要性。對于主蒸汽管道,由支吊架調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致管道應(yīng)力升高而損壞管道的事故也比較常見[8-9]。

以上是對靜態(tài)應(yīng)力的分析情況,僅是在某溫度、壓力狀態(tài)時的應(yīng)力水平,為了研究導(dǎo)汽管壽命,需要獲取隨載荷變化的應(yīng)力。

2.3.2 動態(tài)應(yīng)力的波動分析

為了便于比較應(yīng)力變化,提取上、下缸導(dǎo)汽管在溫度、內(nèi)壓載荷的共同作用下內(nèi)、外壁處(圖8中內(nèi)壁1、外壁2位置)的應(yīng)力。

圖8 提取的導(dǎo)汽管內(nèi)、外壁應(yīng)力位置

提取的不同位置的應(yīng)力與主蒸汽壓力的對比結(jié)果見圖9。由圖9可得:導(dǎo)汽管在溫度、壓力載荷的共同作用下,其應(yīng)力波動與主蒸汽壓力波動的趨勢較為一致。

圖9 導(dǎo)汽管內(nèi)、外壁不同位置的應(yīng)力與主蒸汽壓力的比較

上缸導(dǎo)汽管外壁1應(yīng)力的波動較小,其應(yīng)力波動幅度僅為1 MPa。上缸導(dǎo)汽管外壁在3種加載方式下的應(yīng)力波動情況見圖10。在溫度、壓力載荷的共同作用下,內(nèi)壓應(yīng)力受熱應(yīng)力的影響被抵消或減弱,緩沖了內(nèi)壓載荷造成的應(yīng)力波動。

圖10 上缸導(dǎo)汽管外壁在3種加載方式下的應(yīng)力

結(jié)合上述分析,對于調(diào)峰機組,導(dǎo)汽管的疲勞壽命主要受壓力載荷的影響,溫度載荷引起的熱應(yīng)力改變了導(dǎo)汽管的應(yīng)力水平,但影響不明顯。

2.4 疲勞壽命分析

采用應(yīng)變-壽命曲線反映載荷與疲勞失效的關(guān)系。圖11[6]的應(yīng)變-壽命曲線展示了應(yīng)變與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,將該曲線轉(zhuǎn)換后載入有限元軟件的材料屬性中進行調(diào)用,以評估導(dǎo)汽管壽命。

圖11 12Cr1MoV材料在540 ℃時的應(yīng)變-壽命曲線[6]

主蒸汽壓力不是呈現(xiàn)簡單的恒周期波動,不能直接將其用于導(dǎo)汽管的疲勞壽命評價,需采用雨流計數(shù)法對主蒸汽壓力進行處理。雨流計數(shù)法是在20世紀(jì)50年代由英國的2位工程師(M.Matsuishi和T.Endo)提出來的[10]。該計數(shù)法把實際載荷歷程簡化為若干個載荷循環(huán),先計算不同的平均應(yīng)力和應(yīng)力范圍,然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計算,再通過Palmgren-Miner法則對疲勞損傷進行累加,從而評估疲勞損傷壽命。雨流計數(shù)法考慮了動強度(幅值)和靜強度(均值)2個變量,符合疲勞載荷本身固有的特性[11],該方法在疲勞壽命計算中的應(yīng)用非常廣泛。

采用雨流計數(shù)法可以將任意載荷循環(huán)切分為不同的名義平均值、范圍值及計數(shù)值的循環(huán)陣列。通過有限元軟件計算出的主蒸汽壓力的分析結(jié)果見圖12。

圖12 有限元軟件計算出的主蒸汽壓力的分析結(jié)果

雨流計數(shù)法將主蒸汽壓力的波動分解成14個不同的簡單循環(huán),這14個循環(huán)有不同的名義應(yīng)力、應(yīng)力波動范圍及計數(shù)。計算部件的疲勞壽命時,分別求取每個簡單循環(huán)對壽命的損傷,然后將損傷疊加,即完成1 d內(nèi)主蒸汽壓力波動對導(dǎo)汽管疲勞壽命的計算。

在主蒸汽溫度和壓力波動的影響下,上缸導(dǎo)汽管的疲勞壽命計算結(jié)果見圖13。上缸導(dǎo)汽管最大應(yīng)力處的疲勞壽命最小,為6.95×105次循環(huán);下缸導(dǎo)汽管的疲勞壽命可達(dá)106次循環(huán)以上。

圖13 上缸導(dǎo)汽管疲勞壽命的計算結(jié)果

由此可見,在支吊架設(shè)計良好、機組調(diào)峰負(fù)荷率不低于42%的情況下,以每天調(diào)峰2次計,高壓導(dǎo)汽管可運行6.25×105d。

3 結(jié)語

基于300 MW火力發(fā)電機組運行的SIS數(shù)據(jù),分析了調(diào)峰運行時機組參數(shù)的相關(guān)性及波動特性,同時采用有限元計算方法研究了參數(shù)波動對高壓導(dǎo)汽管疲勞壽命的影響。

當(dāng)機組負(fù)荷不低于128 MW時,負(fù)荷與主蒸汽壓力的波動密切相關(guān),而與主蒸汽溫度無明顯的關(guān)聯(lián)性;每天調(diào)峰2次的情況居多,約占調(diào)峰運行總天數(shù)的1/2,每天調(diào)峰1次的情況約占調(diào)峰運行總天數(shù)的1/3;每天調(diào)峰3次的情況較少。計算結(jié)果表明:在高壓導(dǎo)汽管支吊架設(shè)計及應(yīng)用良好、機組調(diào)峰負(fù)荷率不低于42%的情況下,以每天調(diào)峰2次計算,高壓導(dǎo)汽管可運行6.25×105d。

研究結(jié)果僅針對所研究的300 MW亞臨界機組,若機組調(diào)峰運行參數(shù)波動情況與該機組類似,則疲勞損傷結(jié)果可供參考。