大唐華東電力試驗研究院 劉俊建 王萬里 上海如為電力科技有限公司 孫 軒 劉曉云

隨著新能源的發(fā)展，1000MW機組未來調(diào)峰將成為常態(tài)。要想提高可再生能源的消納能力，就要不斷優(yōu)化、改造深度調(diào)峰技術(shù)，這是燃煤機組后續(xù)的發(fā)展趨勢[1]。汽輪機在深度調(diào)峰運行過程中，負(fù)荷降低會使蒸汽溫度逐漸降低，尤其是鍋爐從干態(tài)變?yōu)闈駪B(tài)的過程中，由于氣溫過熱度不夠，極易發(fā)生汽輪機的水沖擊問題。加之鼓風(fēng)摩擦等因素的影響，在一定程度上會導(dǎo)致蒸汽不足，無法將熱量排出，不斷增高低壓缸內(nèi)的排氣溫度。

深度調(diào)峰主要影響聯(lián)合循環(huán)機組的安全可靠性及運行經(jīng)濟性。機組進(jìn)行深度調(diào)峰，不可避免地會偏離設(shè)計工況點，其運行經(jīng)濟性會受到影響。頻繁快速變負(fù)荷以及長期低負(fù)荷運行也將加速機組核心部件的壽命損耗及損傷，影響機組的運行壽命，為此深度調(diào)峰需要確保汽輪機在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下運行，使電廠的經(jīng)濟、社會效益大幅提升[2-3]。

為了研究機組深度調(diào)峰對汽輪機設(shè)備壽命損傷影響。需要對汽輪機高壓內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子和中壓內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子等部件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱力耦合分析。分析其滿負(fù)荷和低負(fù)荷問題，冷熱態(tài)啟動、正常停機和事故停機過程工況下溫度場和應(yīng)力場。汽輪機部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量繁多，根據(jù)汽輪機廠家提供圖紙只能建立大致三維模型，部件倒角、圓角等結(jié)構(gòu)難以從圖紙中讀取。為此，為了保證計算精度，需要采用圖紙和現(xiàn)場三維掃描結(jié)合模式。在機組停機大修期間，采用手持式激光掃描儀，對汽輪機高壓缸和低壓缸局部進(jìn)行掃描，獲取局部尺寸，用于部件精準(zhǔn)三維掃描。

1 三維掃描技術(shù)及部件三維掃描

在三維掃描儀出現(xiàn)之前，復(fù)雜設(shè)備的測量難度大、周期長和精度不夠。特別是電力行業(yè)高溫高壓設(shè)備，由于運行中承受較大壓力和溫度，制造精度高。通過一定時間的運行后，往往設(shè)備都會出現(xiàn)一定的應(yīng)力釋放和蠕變變形導(dǎo)致的形狀改變。單獨用常規(guī)測量工具難以得到其精準(zhǔn)尺寸。另外，如汽輪機葉片采用的是復(fù)雜的曲面設(shè)計，常規(guī)工具根本無法測試其三維外觀。三維掃描儀是一種應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)精準(zhǔn)檢測儀器，通常用于測試和分析物體形狀、幾何構(gòu)造、外觀數(shù)據(jù)（如顏色、表面反照率等性質(zhì)）。測試得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被用于進(jìn)行三維重新建模計算，在計算機三維場景中創(chuàng)建實際物體的數(shù)字模型。

靈活定位可使操作員根據(jù)其需要的任何方式進(jìn)行360°移動物體。便攜式掃描儀具有體積小、攜帶方便的特點。便攜式手持三維掃描儀，可裝入普通通用手提工具箱，方便攜帶到作業(yè)現(xiàn)場或者工廠間?？梢詫崿F(xiàn)激光掃描技術(shù)的一些高質(zhì)量數(shù)據(jù)，保持高解析度，同時在平面上保持較大三角形，從而生成較小的各種格式文件。便攜式手持三維掃描儀功能多樣并方便用戶使用，允許在狹小空間內(nèi)掃描幾乎任何尺寸、形狀或顏色的物體。

本項目采用線激光手持式三維掃描儀，其自帶校準(zhǔn)功能，采用高性能的紅色線激光閃光燈，配有一個穩(wěn)定閃光燈和兩臺工業(yè)級攝像機。工作時將激光線照射到被掃描物體上，兩個相機快速捕捉瞬間的三維掃描數(shù)據(jù)。由于被掃描表面的曲率不同，光線照射在被掃描物體上會發(fā)生反射和折射。掃描所獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理程序轉(zhuǎn)換為三維模型。在掃描儀移動的過程中，光線會根據(jù)移動速度、方向等進(jìn)行調(diào)整，計算機系統(tǒng)及時識別這些變化從而快速對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在掃描過程中移動掃描儀，即使掃描時動作很快，也同樣可以獲得高精度的掃描數(shù)據(jù)，手持式三維掃描儀工作時使用反光型角點標(biāo)志貼，與掃描軟件配合使用，支持?jǐn)z影測量和自校準(zhǔn)技術(shù)。

在某1000MW機組停機檢修期間，技術(shù)人員在現(xiàn)場對汽輪機部件進(jìn)行了測繪和掃描。具體部件包括高壓內(nèi)外缸、高壓轉(zhuǎn)子和葉片、中壓內(nèi)外缸、中壓轉(zhuǎn)子和葉片、低壓內(nèi)外缸、低壓轉(zhuǎn)子和葉片。采用天遠(yuǎn)FreeScan UEPro多功能激光手持三維掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場掃描，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 三維掃描儀技術(shù)參數(shù)

掃描結(jié)束后對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了對齊、優(yōu)化、融合、補洞、簡化、平滑等處理，得到高質(zhì)量的面片模型。根據(jù)模型的曲率、特征等特性快速將面片歸納和分類為不同的集合領(lǐng)域，提取設(shè)計參數(shù)，自動創(chuàng)建草圖輪廓。用基于網(wǎng)格的擬合算法創(chuàng)建了NURBUS曲面，從網(wǎng)格的自由形狀輕松快速創(chuàng)建三維自由曲面體。從掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建了CAD特征，混合實體和曲面建模涵蓋不同零件類型，確保模型精度。

2 三維建模及模型測試

根據(jù)圖紙和掃描處理數(shù)據(jù)，在三維建模軟件中對汽輪機部件進(jìn)行了建模，模型整體框架尺寸采用拼裝圖，局部采用三維掃描數(shù)據(jù)。如圖1所示，汽輪機外缸總體長度為6000mm左右，模型中包括高壓排氣口、抽汽出口管、冷卻蒸汽出口管、腔室壓力和溫度檢測孔等詳細(xì)部件。圓角和倒角采用手持式激光測試儀進(jìn)行測試。相對于高壓外缸，高壓內(nèi)缸對模型的要求更高。由于轉(zhuǎn)子和葉片的裝配，所以內(nèi)缸內(nèi)壁有完整的機械加工，其圓角尺寸為R12到R24之間，相對整個缸體其值較小，如果不采用激光測試儀，很難在其內(nèi)部進(jìn)行細(xì)節(jié)尺寸測量。在缸體沒有拆除情況下，現(xiàn)場搭設(shè)儀器掃描平臺，對所有小倒角和圓角進(jìn)行了精細(xì)化掃描。

圖1 高壓外缸和內(nèi)缸

由于葉片結(jié)構(gòu)的特殊性，一般無法直接建模，通常采用三維直接掃描方法。通過三維掃描將葉片點云信息掃描出，然后通過模型處理，得出葉片的具體三維實體模型。汽輪機葉片在運行后，且在大修期會將轉(zhuǎn)子調(diào)離氣缸。但是葉片不會拆卸，為此葉片三維掃描只能在葉片安裝狀態(tài)下掃描。一般低壓缸、中壓和高壓缸末級部分結(jié)構(gòu)較大，容易進(jìn)行掃描。而對于高壓缸進(jìn)氣部分葉片，部分曲面無法掃描到。原因是掃描儀采用激光反射原理，如果兩個葉片靠得近，相互會擋住激光掃描。為了克服掃描盲區(qū)，在葉片表面貼上保護(hù)層，采用具有一定黏度的保護(hù)膜材料。然后將不能掃描部位涂上快干膠，等膠干后取下成型膠。

成型后膠體較好地生成了頁面的曲面，同時在參考點會有一個圓形凹槽，在凹槽處貼上和葉片參考點一樣的反光點。根據(jù)反光點，再用計算掃描儀對曲面進(jìn)行掃描，形成新的點云信息。根據(jù)兩次掃描點云信息，結(jié)合參考點坐標(biāo)，在專業(yè)工具中形成葉片的整體三維模型（如圖2～圖4所示）。

圖2 高壓轉(zhuǎn)子和葉片

圖3 中壓外缸和內(nèi)缸

圖4 中壓轉(zhuǎn)子和葉片

汽輪機部件損傷分析采用我國自主研發(fā)魚海仿真高性能CAE軟件，魚海CAE軟件是大型通用基于結(jié)構(gòu)和溫度有限元分析工具，能與當(dāng)前市面上現(xiàn)有電腦輔助設(shè)計軟件接口進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的共享和交換。其將高性能CAE技術(shù)充分應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)級產(chǎn)品研發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品性能的精準(zhǔn)評估。汽輪機模型建立后，為了測試模型質(zhì)量，需要對汽輪機部件導(dǎo)入到魚海CAE中，通過魚海CAE導(dǎo)入接口，實現(xiàn)了部件的完整導(dǎo)入，如圖5～圖7所示。

圖5 高壓和中壓內(nèi)缸模型導(dǎo)入

圖6 高壓和中壓內(nèi)缸模型網(wǎng)格劃分

圖7 高壓和中壓內(nèi)缸有限元分析

同時，采用6面體單元對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，根據(jù)系統(tǒng)自動選擇單元精度，網(wǎng)格劃分順利，在三維空間模型中自動生成了規(guī)則網(wǎng)格，沒有出現(xiàn)錯誤。針對劃分好的網(wǎng)格模型，加載了溫度、重量、壓力等邊界條件，進(jìn)行了求解和后處理，在計算和處理過程中沒有出現(xiàn)錯誤。為此可以得知，所建模型具有良好的質(zhì)量，可為后續(xù)汽輪機部件調(diào)峰狀態(tài)壽命損傷分析打好基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

為了對汽輪機部件進(jìn)行調(diào)峰狀態(tài)壽命損傷分析，對汽輪機高壓缸、中壓缸、高中壓轉(zhuǎn)子等進(jìn)行了三維現(xiàn)場掃描，結(jié)合建模工具和有限元分析軟件，完成了如下前期工作。

收集設(shè)計、安裝等資料，掌握某超超臨界機組汽輪機高中低壓轉(zhuǎn)子體、動靜葉片、汽缸等部位的基本尺寸和結(jié)構(gòu)形式；結(jié)合機組檢修，采用三維掃描儀對汽輪機高中低壓轉(zhuǎn)子、動靜葉片、汽缸等部件整體進(jìn)行掃描，掌握整體尺寸，精確到0.2mm；針對結(jié)構(gòu)突變、葉根等容易引起應(yīng)力集中或應(yīng)力變化頻繁部位進(jìn)行精細(xì)化掃描，精確到0.1mm，以便開展服役狀態(tài)應(yīng)力分析。

根據(jù)三維掃描結(jié)果和圖紙，建立汽輪機轉(zhuǎn)子、葉片、汽缸等的總體模型，實際誤差不超過0.2mm。模型具有相對光滑的曲面、規(guī)則的轉(zhuǎn)角過度尺寸；對汽輪機部件導(dǎo)入到有限元分析軟件中，通過軟件導(dǎo)入接口，實現(xiàn)了部件的完整導(dǎo)入。同時，對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，加載了溫度和重量邊界條件，進(jìn)行了求解和后處理，在計算和處理過程中沒有出現(xiàn)錯誤。