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1、 核电汽轮机的运行与高压缸热应力 福建福清核电有限公司福建福清350300摘要：核电汽轮机的运行方式直接影响高压缸热应力。核电汽轮机的高压汽缸热应力、中分面接触应力、高压转子热应力和疲劳分析表明:高压汽缸的热应力不大，而需要关注中分面的密封问题；高压转子的热应力与热疲劳是升速与变负荷过程的限制因素，冷态起动、特别是电负荷会对转子寿命产生大的损害。关键词：核电汽轮机；运行；高压缸热应力前言由于爆燕汽对金属表面的放热系数很大，所以当工况压力变化时，在湿蒸汽下工作的核电汽轮机高压缸的壁面温度随蒸汽温度快速变化，从而引起材料内郡担本卯温荐一与热应力。国外报道的运行经验表明:核电高压缸较易产生热应力和热
2、变形引起的中分面泄漏侵蚀间题。因此，本文分析核电汽轮机的运行与高压缸热应力。1计算目的与方法核电汽轮机高压缸处于湿蒸汽下工作。湿蒸汽与金属表面有很大的放热系数，湿蒸汽的温度只对应于压力(工况)。当工况变化时，金属表面跟随蒸汽温度快速变憾引起材料内部很大的温差与热应力；在稳态条件下，汽缸的大压差截面处也相应产生大的温差。西屋与其他国外核电高压盒运行经验表明，较易发生热应力、热变形引起的中分面泄漏侵蚀间题。为掌握设计与运行特点，对310MW核电单层高压汽缸进行瞬态与稳态热应力的分析计算。使用西屋PH8164二维有限差传热计算程序对汽缸进行瞬态与稳态轴对称热传导分析。几何模型由边界点来决定，采用X一
3、R座标，用边界点相连的折线来近似表示汽缸的截面轮廓。使用西屋PH0723多分支壳体程序进行轴对称壳体应力计算，由前者所得到的温度分布自动转换成后者的输入。PH0723是基于线性、轴对称薄壳理论，其几何模型不是座标系统，而是壳体中间面的参数，对于复杂的形状采用环连接的多个壳体组成。为了能把网格温度场输入壳体程序，要求两个几何模型的匹配。PH0723还给出了壳体给定长度区的力与力矩的总和，可作为中分面螺栓负荷进行螺栓应力的计算。汽缸为左右对称结构，可取其一半进行计算分析，半缸由12个壳体与11个环组成，各工况的计算按电机端参数。2工况与热交换条件当高压缸第一级初始金属温度低于52，机组升速至额定转
4、速(空转并网)为1小时，加至5%负荷也约为1小时；第一级金属温度大于93，升速至额定转速(空转并网)可减至10分钟；第一级金属温度超过150，所加初始负荷为10%；第一级金属温度在204以上，所加初始负荷为20%。冷态起动从5%增加至100%负荷为3小时，对于不同的初始条件有着相同的负荷变化率。以下讨论不同工况的热交换条件。2.1起动与加负荷过程第一、蒸汽参数的变化与校核点汽轮机的起动与变负荷过程中，最严重的情况为冷态起动，其条件为金属冷、蒸汽热，依靠湿蒸汽在金属表面的凝结来实现加热，为避免过大的热应力需限制加热速度。我们引用西屋提供的核电汽轮机起动与变负荷曲线作为计算依据。当最大的温度变化发
5、生在升速至空转并网(36005)，从并网至全负荷过程有着近似不变的温度变化率，但低于升速时的变化率。估计最大的瞬态温差发生在升速至空转并网时，而最大的压力负荷将发生在全负荷，我们选定的校核点为3旧005、166205(加载至全负荷)以及稳态全负荷1。第二，放热系数。PHS164程序包括有13个传热方程，核电高压缸内壁均处于湿蒸汽下工作，因此仅采用凝结和沸腾方程，忽略辐射传热。对于持环支承处，。为简化计算忽略持环的存在，业把支承处内壁假定为绝热。缸壁外表面有绝缘层；可近似假定为绝热。计算表明，在升速与加负荷过程中均为凝结加热，一在并网后5%负荷保持以及稳态全负荷下，持环支承区低压侧局部壁温高于介
6、质，出现沸腾，其余壁面仍为凝结。轴封处在低负荷时依靠新蒸汽节流引入，金属冷，出现凝结加热；随着负荷增加，缸内压力升高，蒸汽经轴封外溢，其温度低于金属，发生沸腾。2.2减负荷、停机与甩负荷过程正常的减负荷与停机过程可看作起动与加负荷的相反过程，采用相同的变化率。核电汽轮机高压缸处于湿蒸汽状态下，金属表面复盖着一层液膜，减负荷时随着蒸汽压力下降，使饱和温度低于金属表面温度，液膜发生沸腾与蒸发。液膜蒸干，液体以液滴形式存在于核心汽流中，放热系数明显减小。雾状流动一直持续至所有液滴均转化为蒸汽，然后进入过热区，发生对流换热。甩负荷时，蒸汽压力急剧下降，金属表面液膜与汽流中的液滴会立即蒸发，膨胀过程很快
7、进入过热区。即使仍存在有水分，当壁温超过工质饱和温度一定值时，液滴已不能再“浸润”表面，而被汽膜隔开，其换热条件相同于干蒸汽。甩负荷后蒸汽参数的最大变化发生在甩负荷后的瞬间，此时产生最大的热应力。由于低压缸前蝶阀快速关闭，阀前蒸汽被抑制，以后通过蝶阀的反复启闭逐渐卸压和释放流量，使缸内蒸汽压力逐渐下降。3汽缸热应力汽轮机在起动和加负荷过程中，最不利的情况为冷态起动。此时最大的温度变化率发生在升速至空转并网期间，加负荷过程的温度变化率仅为升速过程的1/2。但计算结果表明，全负荷下的汽缸热应力高于空转并网时，稳态与瞬态有相近的热应力。核电汽轮机高压缸的蒸汽压力低、缸壁薄、金属加热快，凝结加热过程并
8、不产生较大的径向温差与热应力，但存在轴向温差。该温差相应于逐级的蒸汽温度降，取决于运行工况，而与负荷变化率无关。随着负荷增大，产生了更大的温差与热应力2。较大的热应力部位发生在截面的局部加厚与不连续处。汽缸筒体部分的最大热应力出现在持环处和轴封处，因为这些截面处的两端压差较大，故相应产生了较大的轴向温差(湿蒸汽的温度只对应于压力)。最大的应力点在靠近中分面的内表面侧。法兰的最大应力发生在中间持环处的上平面外缘，该外缘处也是汽缸的最大应力点，瞬态全负荷时为231.5MPa。进、排汽口的最大应力发生在与汽缸筒体交接处的内表面上。甩负荷后在进汽区有最大的温度变化，最大的热应力发生在接近中间持环处，达
9、205.4MPa；进汽口与缸体交接处为180.5MPa，其余部分应力均不高。计算结果表明，无论是冷态起动，还是在最恶劣的甩负荷条件下，其最大热应力远小于屈服限，这就保证了所有工况下汽缸均处于弹性应变条件下，并留有充分余地。4中分面螺栓应力最大应力发生在全负荷，其余工况应力均较低。甩全负荷时的螺栓应力明显小于稳态，对流与沸腾不同传热条件只影响缸壁内表面的温度梯度与热应力，业不影响整个截面情况，两种条件有相同的螺栓应力。16620:与稳态全负荷下有相同的螺栓应力。最大的螺栓应力发生在持环支承处，该处的螺栓偏置距离(壳体壁厚中心线与螺栓中心线距离)大，因此造成大的顶起力矩和螺栓应力。中分面螺栓应力按
10、常规方法计算，假定接触反力为三角形分布，为保证不泄漏把零压力点设在螺孔内径上，按力矩平衡求得螺栓压紧力与应力。计算方法是假定每个螺栓压紧的法兰部分与相邻的法兰及壳体相分离，能自由变形，这属于最保守的假想条件。实际上汽缸有很厚的法兰与很小的螺栓节距，特别在持环支承处，还有加厚的凸缘，它有力地阻止了局部法兰的转动与位移。总结核电饱和汽轮机的高压汽缸，由于压力不高，壁厚较薄，运行中的汽缸热应力不大，强度足够安全，但较易出现中分面泄漏问题。对此，除了合理的结构设计外，还需要保证法兰螺栓有合适的预紧。升速与变负荷过程的主要影响与限制在高压转子，第一级盘圆角处为危险截面，这里有最大的热应力与应力集中系数，需要尽量限制与避免冷态起动与甩负荷运行。参考文献1魏红明,谢诞梅,姬伟东,杨平国,张晓航.1000MW核电机组汽轮机高压缸热应力对材料参数敏感性研究J.汽轮机技术,2018,60(01):78-80.2蔡林,侯修群,魏红明,谢诞梅.1000MW核电汽轮机高压缸启动过程热应力及汽密性分析J.热能动力工程,2016,31(10):32-37+124. -全文完-
