CN109085814A - 一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，本发明通过对机组关键部件的相关设计、制造、运行、检修、检验、技改等技术资料的收集分析，依据相关标准对火电机组关键部件和设备的服役安全性和剩余寿命进行综合评估分析，彻底掌握包括锅炉、汽轮机、发电机及其他系统设备在内的电厂整体系统寿命状况。本发明通过周密的规划、严格的评定、加强监测分析和改造，综合机组性能、转子及关键部件寿命、部件材料检验、电气及热工元件等方面的内容对火电机组进行全面性的延寿评估。本发明能避免和节省新建机组投资；保证火电机组整体系统长期安全运行，避免事故和灾难发生，经济效益和社会效益明显。

Description

一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法

技术领域

本发明属于火电汽轮机组发电领域，具体涉及一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方 法。

背景技术

伴随着我国经济持续高速增长，我国电力工业得到了快速迅猛的发展，近年来，我国的电 力负荷缺乏问题已经得到了彻底解决，电量供需暂时平衡甚至有富裕。但是由于我国经济的发 展，全国的产业结构势必进行相应的调整，决定了电力供需的矛盾仍将继续存在，用电的峰谷 差也将日益增大。随着我国电力改革的进一步深化，厂网分开模式的建立，电厂将经济独立核 算，如何不断降低发电成本、提高效益和机组的可靠性已成为发电企业面临的一个重大课题。

火电机组的关键高温部件，所处运行环境恶劣，在长期工作过程中材质发生老化和损伤的 积累，寿命不断消耗。火电机组设计寿命一般定为30年，但机组的潜在寿命往往会大于设计 寿命，其超过部分称为剩余寿命。利用剩余寿命继续运行的机组为超期服役机组。我国超役火 电机组随着时间推移不断增加，包括80年代投产的一批200MW机组和300MMW机组，由于 受到新建机组投资、用地、环境、政策、地域及其他情况等因素的制约，除部分的退役报废处 理外，仍有大部分在继续运行使用，设备老化问题日益严重，延寿使用依据不足，风险性较大。 因而提高现有机组的效率和设备的可用率，如何科学地评估其剩余寿命和治理老化问题，并通 过周密的规划、严格的评定、加强监测分析和改造，以在经济上有利、安全上有保障的原则下， 对电厂设备的寿命进行评估和管理，使老旧机组继续运行更长的时间，预防事故的发生是目前 急需解决的问题。

现有技术对火电机组延寿评估的做法，仅仅是对关键高温部件、易损部件进行检验评估分 析，而未对机组转子及部件寿命进行详细分析，也未对电气、热控及机组振动测试等相关设备 的运行可靠性进行校验和分析。对于庞大复杂的电厂系统来说，已有的评估方法不够全面，缺 乏系统性，难以全面系统掌握电厂整体寿命状态，机组系统后续运行存在较大的安全风险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，更 为准确预判出机组寿命，保证机组安全、可靠运行，同时避免因为个别设备或是个别系统问题 而影响电厂整体运行安全。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤1，对火电机组锅炉及汽轮机各部位和各系统的技术资料进行收集分析，得到火电 机组各部位和各系统的状况；

步骤2，对火电机组锅炉及汽轮机的重要部位进行检验，对主蒸汽管道、高温再热蒸汽 管道和高温集箱进行蠕变剩余寿命估算；

步骤3，对火电机组的发电机组轴系特性及振动状况进行研究评价分析；

步骤4，建立汽轮机和发电机转子三维实体模型和二维截面轴对称模型，依据火电机组 工况运行曲线和运行数据，通过瞬态热固耦合计算转子内部温度、应力和应变变化数据，综 合考虑启停机导致的低周疲劳寿命损耗和稳态运行时的高温蠕变寿命损耗，计算转子关键部 位总寿命损耗，从而估算汽轮机和发电机转子疲劳剩余寿命；

步骤5，根据电气一次系统和电气二次系统的运行维护情况、历次预防性试验、特殊性 实验、事故分析报告和运行数据，对电气一次系统和电气二次系统进行设备状态评估分析；

步骤6，根据热工控制系统设备定期维护检查记录、升级改造及事故分析，对热工控制 系统进行设备可靠性、安全性分析以及设备状态评估分析。

步骤1的具体方法如下：

步骤101，对火电机组锅炉及汽轮机各部位和各系统的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估的技术资料和数据进行收集；

步骤102，对火电机组锅炉及汽轮机各部位和各系统的技术资料分析，得到火电机组重 要部件及系统的历史情况和当前状况；

步骤103，依据机组资料和已得到的状况，对机组设计寿命期满后延续运行进行必要性 和安全性进行论证分析。

步骤2的具体方法如下：

步骤201，通过对火电机组锅炉及汽轮机的汽水分离器、集箱、锅炉本体管道、转子和 汽缸的相关的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估的技术资料进行收集分析，结合技术交流，得到机组重要部件的材质状况；

步骤202，对火电机组重要设备重点部位进行现场检验，包括硬度检验、现场金相复型 检查以及无损检测，检验设备薄弱部位情况并评估分析；

步骤203，对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道和高温集箱进行蠕变剩余寿命数值分析评 估；

步骤204，对具有缺陷的部位进行详细检验、检测、分析数据，对安全性评定方法、依 据、过程和结论进行分析审查，根据需要对具有缺陷重要部件的安全性另外立项进行评定复 核。

步骤201中，火电机组锅炉及汽轮机重要部件的材质状况包括，机组重要部件运行前的 原始缺陷和在运行中的发展状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行材料组织变化、老化 和造成的材料性能的变化和劣化状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行高温蠕变造成的 材料微观损伤和宏观损伤状况；机组重要部件受循环载荷作用发生疲劳损伤造成的缺陷状 况；机组重要部件的氧化、腐蚀和侵蚀的损伤状况；机组重要部件受汽水作用造成的磨损、 部件之间的磨损、汽水冲刷损伤状况。

步骤3的具体方法如下：

步骤301，在火电机组启动过程、运行工况及停机过程中对火电机组轴系不同轴承的轴 振和瓦振数据进行测量分析；

步骤302，依据《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》和《在非旋转部件上测量评价 机器的振动》及机组振动数据，对发电机组轴系特性及振动状况进行研究评价分析；

步骤303，依据评价分析情况，对机组轴系当前及发展状况进行研判和评估。

步骤401，建立汽轮机和发电机转子三维实体模型和二维截面轴对称数值模型，并对轴 对称模型进行有限元网格划分；

步骤4的具体方法如下：

步骤402，根据设计资料、各工况启动曲线及不同负荷下的热力参数，计算得到机组转 子各个部位的在启动、运行和停机过程中不同阶段的热力边界条件；由各工况相应时刻运行 曲线，计算叶轮两侧、光轴部分、轴封、径向轴承支撑处及叶轮外缘的转子表面各区段换热 系数，转子外表面各部位的换热系数从启动到满负荷在50～10000W/m℃之间变化；

步骤403，依据火电机组各种工况运行曲线和运行数据，通过瞬态热固耦合计算得到转 子内部温度、应力和应变变化数据；利用转子的轴对称有限元模型和热力边界条件，计算启 动、运行和停机等各种工况下转子的瞬态温度场；

步骤404，计算在启动及运行过程中转子应力场需要考虑转子旋转导致的离心力作用及 温度不均匀导致的热应力；在通用有限元软件中载入实现热固耦合应力场计算，转轴和轮盘 的离心力以体分布力方式施加，叶片的离心力以集中力的形式施加在轮盘外缘；热应力由计 算所得的温度场为载荷进行瞬态计算；

步骤405，根据转子在启动、运行和停机过程中的应力变化，考虑低周疲劳损伤和蠕变 的作用，计算转子服役以来总体寿命损耗；

步骤406，经应力分析，确定了转子上局部最大应力应变之后，便可借助低周疲劳寿命 曲线，估算出转子的疲劳寿命消耗；

步骤407，根据提供的转子材料持久强度数据，得出转子材料在工作温度下的持久强度 曲线。其中对于缺少持久强度数据的情况使用Lason-Miller法外推获得；

步骤408，综合考虑启停机导致的低周疲劳寿命损耗和稳态运行时的高温蠕变寿命损 耗，计算转子关键部位总寿命损耗，从而估算汽轮机和发电机转子疲劳剩余寿命。

火电机组锅炉和汽轮机的重要部件包括汽水分离器、集箱、锅炉本体管道、转子和汽缸。

与现有技术相比，本发明通过对机组关键部件的相关设计、制造、运行、检修、检验、技 改等技术资料的收集分析，依据相关标准对火电机组关键部件和设备的服役安全性和剩余寿命 进行综合评估分析，彻底掌握包括锅炉、汽轮机、发电机及其他系统设备在内的电厂整体系统 寿命状况。本发明通过周密的规划、严格的评定、加强监测分析和改造，综合机组性能、转子 及关键部件寿命、部件材料检验、电气及热工元件等方面的内容对火电机组进行全面性的延寿 评估。通过本发明评估后再提出改造建议，以达到避免事故产生、使机组的安全性得到相应的 提高，保证了电厂运行安全，并且提高现有机组设备的可用率，即在经济上有利、安全上有保 障的前提下，使老旧机组继续运行更长的时间；避免和节省新建机组投资；保证火电机组整体 系统长期安全运行，避免事故和灾难发生，经济效益和社会效益明显。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤101、通过对火电机组锅炉及汽轮机的重要部件、热工控制系统及电气一二系统等相 关的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估等技术资料和数据收集。

步骤102、对火电机组锅炉及汽轮机的重要部件、热工控制系统及电气一二系统等相关系 统设备的技术资料分析，了解和掌握火电机组锅炉及汽轮机的重要部件及系统的历史情况和当 前状况。

步骤103、依据火电机组锅炉及汽轮机资料和已掌握的状况，对火电机组锅炉及汽轮机设 计寿命期满后延续运行进行必要性和安全性进行论证分析。

步骤201、通过对重要部件相关的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估等技术资料的收集分析，结合技术交流，了解和掌握火电机组锅炉及汽轮机重要部件的 材质状况。主要包括：火电机组锅炉及汽轮机重要部件运行前的原始缺陷和其在运行中的发展 状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行材料组织变化、老化和其造成的材料性能的变化、 劣化状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行高温蠕变造成的材料微观损伤(蠕变孔洞、晶 间微裂纹)和宏观损伤(裂纹)状况；火电机组锅炉及汽轮机重要部件受机组启停、变工况、 机械动载荷等循环载荷作用发生疲劳损伤造成的裂纹等缺陷状况；火电机组锅炉及汽轮机重要 部件氧化、腐蚀、侵蚀、应力腐蚀等损伤状况；火电机组锅炉及汽轮机重要部件受汽水作用造 成的磨损、部件之间的磨损、汽水冲刷等损伤状况。

步骤202、对火电机组锅炉及汽轮机的重点部位进行现场检验，包括硬度检验、现场金相 复型检查以及无损检测等，检验设备薄弱部位情况并评估分析。

步骤203、对与时间相关性较强的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道和高温集箱进行蠕变剩 余寿命数值分析评估。

步骤204、对重大缺陷详细检验、检测、分析数据，安全性评定方法、依据、过程和结论 进行分析审查，根据需要对含重大缺陷主要部件的安全性另外立项进行评定复核。

步骤301、在火电机组锅炉及汽轮机启动过程、运行工况及停机过程中对机组轴系不同轴 承的轴振、瓦振等数据进行测量分析。

步骤302、依据《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》(GB/T11348.2-2012)和《在非旋 转部件上测量评价机器的振动》(GB/T 6075.2-2012)及机组振动数据，对发电机组轴系特性 及振动状况进行研究评价分析。

步骤303、依据评价分析情况，对机组轴系当前及发展状况进行研判和评估。

步骤401、建立汽轮机和发电机转子三维实体模型和二维截面轴对称数值模型，并对轴对 称模型进行有限元网格划分。

步骤402、根据设计资料、各工况启动曲线及不同负荷下的热力参数，计算得到机组转子 各个部位的在启动、运行和停机过程中不同阶段的热力边界条件。由各工况相应时刻运行曲线， 来计算叶轮两侧、光轴部分、轴封、径向轴承支撑处及叶轮外缘的转子表面各区段换热系数， 所需参数如蒸汽导热系数、蒸汽粘度、比容等，是温度、压力和速度的函数，计算换热系数， 转子外表面各部位的换热系数从启动到满负荷大约在50～10000W/m℃之间变化。

步骤403、依据机组各种工况运行曲线和运行数据，通过瞬态热固耦合计算得到转子内部 温度、应力和应变变化数据。利用转子的轴对称有限元模型和热力边界条件，计算启动、运行 和停机等各种工况下转子的瞬态温度场。

步骤404、计算在启动及运行过程中转子应力场需要考虑转子旋转导致的离心力作用及温 度不均匀导致的热应力。在通用有限元软件中通过自行编制语言载入实现热固耦合应力场计算， 离心力的来源有转轴、轮盘和叶片，转轴和轮盘的离心力以体分布力方式施加，叶片的离心力 以集中力的形式施加在轮盘外缘；热应力由计算所得的温度场为载荷进行瞬态计算。

步骤405、根据转子在启动、运行和停机过程中的应力变化，考虑低周疲劳损伤和蠕变的 作用，计算转子服役以来总体寿命损耗。

汽轮机转子不同工况下的寿命损耗由是低周疲劳损伤及高温蠕变损伤两部分组成的。低周 疲劳寿命损耗主要产生于机组的启动及负荷变动等非稳态过程中，而稳态运行过程中的寿命损 耗主要由高温蠕变行为引起。

由不同应变范围Δε和相应的失效循环数N_i建立起来的关系曲线称之为低周疲劳寿命曲 线。经应力分析，确定了转子上局部最大应力应变之后，便可借助低周疲劳寿命曲线，估算出 转子的疲劳寿命消耗。经额定工况下应力分析，得到高温部位的最大应力应变后，借助蠕变寿 命曲线便可估计出特定时间段内额定工况下温态运行时的蠕变寿命损耗。

通常低周疲劳寿命曲线采用Manson-Coffin形式公式来表达，由给出的不同温度下转子材 料的低周疲劳寿命曲线。

蠕变寿命损耗计算中的蠕变寿命t_c可由下式获得：

根据提供的转子材料持久强度数据，得出转子材料在工作温度下的持久强度曲线。其中对 于缺少持久强度数据的情况使用Lason-Miller法外推获得。

综合考虑启停机导致的低周疲劳寿命损耗和稳态运行时的高温蠕变寿命损耗，计算转子关 键部位总寿命损耗，从而估算汽轮机和发电机转子疲劳剩余寿命。

步骤501、由电气一、二系统关键设备运行维护情况、历次预防性试验、特殊性实验、事 故分析报告和运行数据等方面。

步骤502、对电气一、二系统关键设备进行设备状态及寿命评估分析。

步骤601、根据热工控制系统设备定期维护检查记录、升级改造及事故分析等。

步骤602、对热工控制系统关键设备进行设备可靠性、安全性分析以及设备状态评估分析。

火电机组锅炉和汽轮机的重要部件包括汽水分离器、集箱、锅炉本体管道、转子和汽缸。

本发明综合了机组性能、转子及关键部件寿命、部件材料检验、电气及热工元件等方面内 容，对火电机组进行全面性系统性延寿评估分析，能够较好地解决了原有评估方法以偏概全的 问题，并根据评估结果彻底消除机组系统安全隐患。

Claims (7)

1.一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对火电机组锅炉及汽轮机各部位和各系统的技术资料进行收集分析，得到火电机组各部位和各系统的状况；

步骤2，对火电机组锅炉和汽轮机的重要部位进行检验，对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道和高温集箱进行蠕变剩余寿命估算；

步骤3，对火电机组的发电机组轴系特性及振动状况进行研究评价分析；

步骤4，建立汽轮机和发电机转子三维实体模型和二维截面轴对称模型，依据火电机组工况运行曲线和运行数据，通过瞬态热固耦合计算转子内部温度、应力和应变变化数据，综合考虑启停机导致的低周疲劳寿命损耗和稳态运行时的高温蠕变寿命损耗，计算转子关键部位总寿命损耗，从而估算汽轮机和发电机转子疲劳剩余寿命；

步骤5，根据电气一次系统和电气二次系统的运行维护情况、历次预防性试验、特殊性实验、事故分析报告和运行数据，对电气一次系统和电气二次系统进行设备状态评估分析；

步骤6，根据热工控制系统设备定期维护检查记录、升级改造及事故分析，对热工控制系统进行设备可靠性、安全性分析以及设备状态评估分析。

2.根据权利要求1所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：

步骤101，对火电机组锅炉及汽轮机各部位和各系统的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估的技术资料和数据进行收集；

步骤102，对火电机组锅炉及汽轮机的各部位和各系统的技术资料分析，得到火电机组重要部件及系统的历史情况和当前状况；

步骤103，依据机组资料和已得到的状况，对机组设计寿命期满后延续运行进行必要性和安全性进行论证分析。

3.根据权利要求1所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：

步骤201，通过对火电机组锅炉及汽轮机的汽水分离器、集箱、锅炉本体管道、转子和汽缸的相关的设计、制造、安装、运行、检修、检验、技改、实验分析评估的技术资料进行收集分析，结合技术交流，得到机组重要部件的材质状况；

步骤202，对火电机组重要设备重点部位进行现场检验，包括硬度检验、现场金相复型检查以及无损检测，检验设备薄弱部位情况并评估分析；

步骤203，对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道和高温集箱进行蠕变剩余寿命数值分析评估；

步骤204，对具有缺陷的部位进行详细检验、检测、分析数据，对安全性评定方法、依据、过程和结论进行分析审查，根据需要对具有缺陷重要部件的安全性另外立项进行评定复核。

4.根据权利要求3所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，步骤201中，火电机组锅炉及汽轮机重要部件的材质状况包括，机组重要部件运行前的原始缺陷和在运行中的发展状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行材料组织变化、老化和造成的材料性能的变化和劣化状况；金属温度≥400℃的高温重要部件进行高温蠕变造成的材料微观损伤和宏观损伤状况；机组重要部件受循环载荷作用发生疲劳损伤造成的缺陷状况；机组重要部件的氧化、腐蚀和侵蚀的损伤状况；机组重要部件受汽水作用造成的磨损、部件之间的磨损、汽水冲刷损伤状况。

5.根据权利要求1所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：

步骤301，在火电机组启动过程、运行工况及停机过程中对火电机组轴系不同轴承的轴振和瓦振数据进行测量分析；

步骤302，依据《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》和《在非旋转部件上测量评价机器的振动》及机组振动数据，对发电机组轴系特性及振动状况进行研究评价分析；

步骤303，依据评价分析情况，对机组轴系当前及发展状况进行研判和评估。

6.根据权利要求1所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，步骤4的具体方法如下：

步骤401，建立汽轮机和发电机转子三维实体模型和二维截面轴对称数值模型，并对轴对称模型进行有限元网格划分；

步骤402，根据设计资料、各工况启动曲线及不同负荷下的热力参数，计算得到机组转子各个部位的在启动、运行和停机过程中不同阶段的热力边界条件；由各工况相应时刻运行曲线，计算叶轮两侧、光轴部分、轴封、径向轴承支撑处及叶轮外缘的转子表面各区段换热系数，转子外表面各部位的换热系数从启动到满负荷在50～10000W/m℃之间变化；

步骤403，依据火电机组各种工况运行曲线和运行数据，通过瞬态热固耦合计算得到转子内部温度、应力和应变变化数据；利用转子的轴对称有限元模型和热力边界条件，计算启动、运行和停机下各种工况下转子的瞬态温度场；

步骤404，计算在启动及运行过程中转子应力场需要考虑转子旋转导致的离心力作用及温度不均匀导致的热应力；在通用有限元软件中载入实现热固耦合应力场计算，转轴和轮盘的离心力以体分布力方式施加，叶片的离心力以集中力的形式施加在轮盘外缘；热应力由计算所得的温度场为载荷进行瞬态计算；

步骤405，根据转子在启动、运行和停机过程中的应力变化，考虑低周疲劳损伤和蠕变的作用，计算转子服役以来总体寿命损耗；

步骤406，经应力分析，确定了转子上局部最大应力应变之后，便可借助低周疲劳寿命曲线，估算出转子的疲劳寿命消耗；

步骤407，根据提供的转子材料持久强度数据，得出转子材料在工作温度下的持久强度曲线，其中对于缺少持久强度数据的情况使用Lason-Miller法外推获得；

步骤408，综合考虑启停机导致的低周疲劳寿命损耗和稳态运行时的高温蠕变寿命损耗，计算转子关键部位总寿命损耗，从而估算汽轮机和发电机转子疲劳剩余寿命。

7.根据权利要求1所述的一种火电汽轮机组整体设备系统延寿评估方法，其特征在于，火电机组锅炉和汽轮机的重要部件包括汽水分离器、集箱、锅炉本体管道、转子和汽缸。