超超临界汽轮机转子热应力预测与研究

论文摘要

汽轮机转子是汽轮机的重要部件,其中尤以高压转子最为我们关心。汽轮机在启动、停机或变负荷运行时,由于表面蒸汽参数的不断变化,其内部温度场处于非稳态状态,将产生较大的温度梯度热应力。汽轮机转子的热应力是限制机组启停速度及安全运行的关键因素。进行应力计算分析,实现单元机组启动、停运优化,提高机组的运行安全性和经济是电力系统关注的热点问题之一。本文对本公司的1000MW超超临界汽轮机在启动过程中的温度和应力分布的分析和控制进行了比较深入研究。本文首先利用COMSOL Multiphysics分析软件建立了汽轮机高压转子的二维对称几何模型和边界条件,并对模型进行了仿真分析,并与现场实测数据进行了比较,得到了现场所使用的体积平均温度算法即热应力计算算法可能低估了高压转子实际热应力的初步结论。该模型可以表示成参数化模型,可方便与Matlab等软件连接进行高压转子结构和尺寸的优化设计和启停策略的优化设计。然后,对现有的高压转子体积平均温度的实时计算算法进行了综合比较,构建了用于实时计算高压转子体积平均温度的Matlab/Simulink仿真模型,对冷启动、热启动、并网三个阶段的高压转子体积平均温度进行了仿真计算,并与现场实测数据进行了比较,两者吻合得很好。最后,对西门子汽轮机的热应力的实时在线监控的架构进行了较详细的描述,在此基础上对西门子的热应力控制策略进行了较详细的分析,为今后开发具有自主知识产权的热应力控制策略和寿命管理系统打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 西门子1000MW 超超临界汽轮机控制保护系统简介
• 1.2.1 系统概述
• 1.2.2 控制系统的功能
• 1.2.3 汽轮机保护系统
• 1.2.4 DEH 硬件的选型及系统配置
• 1.2.5 EH 系统
• 1.2.6 监测仪表（TSI）
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 汽轮机转子的温度场及应力场分析
• 1.3.2 汽轮机转子的热应力在线计算
• 1.3.3 汽轮机转子的热应力控制
• 1.4 本文的主要工作及论文安排
• 第二章 汽轮机转子热应力分析理论及COMSOL 简介
• 2.1 热－弹塑性理论与有限元方法
• 2.1.1 热－弹塑性理论
• 2.1.2 建模的基本步骤
• 2.1.3 有限元法建模的一般原则
• 2.2 COMSOL MULTIPHYSICS软件简介
• 2.2.1 COMSOL 应用模块
• 2.2.2 使用COMSOL 建模的一般过程
• 2.3 小结
• 第三章 高压转子热应力的有限元计算与分析
• 3.1 高压转子的几何建模
• 3.2 求解域与边界条件的设置
• 3.2.1 求解域的设置
• 3.2.2 边界条件的设置
• 3.3 网格的划分
• 3.4 温度分布的仿真和结果分析
• 3.5 小结
• 第四章 高压转子非线性热应力在线计算
• 4.1 现有的汽轮机转子温度在线计算算法
• 4.2 热应力在线计算的仿真
• 4.3 小结
• 第五章 汽轮机高压转子的热应力控制策略
• 5.1 西门子1000MW 超超临界汽轮机机组热应力计算控制介绍
• 5.1.1 西门子应力估算器（TSE）的简介
• 5.1.2 西门子应力分析的理论基础
• 5.1.3 西门子应力控制（TSC）的概念
• 5.2 热应力在线监控
• 5.3 基于σ0.2 和σcr 的许用应力计算
• 5.4 温度裕度
• 5.5 西门子的热应力控制策略--可变温度准则
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文