核电厂汽轮机热应力控制技术的研究

核电厂汽轮机热应力控制技术的研究

摘要：近年来，在社会经济快速增长的背景下，国家相关部门越来越重视核电

发展战略。其中，核电汽轮机的自动控制技术便受到广泛关注。笔者在分析核电

汽轮机运行特性及汽轮机应力计算现状的基础上，进一步对转子应力控制的实现

进行了探究，希望以此为核电厂汽轮机热应力控制技术的完善提供具有价值性的

参考依据。

关键词：核电厂；汽轮机；热应力控制技术

引言

随着新能源发电技术的迅猛发展，大量新能源发电机组被接纳入电网.由于天气变化原因，新能源机组发电量的不稳定特性对电网造成巨大冲击，必须通过传统的火电、气电、核电的

快速负荷调整来进行平衡.大型火电机组参与灵活性调峰，是我国电力工业发展的趋势和必然，这就要求汽轮机具备快速启停、快速变负荷的能力.快速的负荷变动意味着蒸汽参数和流量的

快速变化，对于汽轮机的一些薄壁或受膨胀变形约束较小部位而言，热应力并不会剧烈变化.

但在汽轮机厚壁部件的形状突变部位，如内缸和汽轮机转子等，将会产生较为剧烈的热应力

变化，从而造成低周疲劳开裂，使部件失效。

1热应力控制原理

汽轮机TSC通过实时监视其主要部件的热应力，并将其量化为温差后与许可温差值进行

比较，产生出温度裕度，进而作用到汽轮机控制器，使得汽轮机在所有运行工况下都能将其

热应力限制在许可范围内，其原理如图1所示。在该控制系统中，首先，通过安装在预期会

产生较大热应力部位的双支热电偶测得汽轮机主要部件的温度信号，并通过逻辑运算获取其

温差；然后，将获得的温差信号与通过TSE计算出的许可温差值进行比较获得温度裕度；之后，在所有主要部件的温度裕度中，取最小值输入到汽轮机设定值控制回路，影响汽轮机的

转速变化率或负荷变化率，从而控制汽轮机的运行始终处于热应力许可范围内。TSE有快速、标准、慢速3种模式可供选择。选择快速模式时，汽轮机许可温差值最大，运行时受热应力

的限制也就最小，标准模式次之，慢速模式最小。操作员通过合理选择TSE的模式，可以对

汽轮机的寿命损耗在考虑经济性等其它因素的情况下进行取舍，比一味控制其热应力更加灵活。另外，通过TSE还可生成不同温度参数的X准则，根据这些准则可计算出汽轮机启动时

的最佳蒸汽参数，从而可使锅炉的运行与汽轮机的要求相适应。

2热应力控制实现途径

2.1转子

如果运行工况出现变动，汽轮机转子的横截面会出现温度差，进而产生热应力。当汽轮

机在冷态下启动时，转子中心与表面的温度与环境温度相差不大。在机组中转子带负荷的情

况下，转子表面的温度会快速飙升，如果达到了额定的负荷，温度其实和第一级气缸的温度

非常接近。这时，转子中心的温度与转子表面温度相差较大，则产生了温度差，形成热应力。转子表面的是热压应力，转子中心的是热拉应力。停机时，刚好相反，转子中心是热压应力，转子表面是热拉应力。一般情况下，汽轮机转子的最大热应力主要出现于高压转子调节级或

者中压转子第一级周边。所以，若想实现对转子热应力的控制，可通过控制调节级气缸内温

度来完成。实践表明，以气缸法兰的热应力允许值为标准，对转子的最大允许温度变化率进

行控制，基本能将转子热应力控制在许用值范围内。如果是大型汽轮机组的转子，还必须考

虑转子的使用寿命。在交变热应力的反复、循环作用下，转子很容易出现低疲劳损伤，然后产生裂纹。启停时，加热或者冷却的速度越快，转子的耗损也会越大，也更容易产生裂纹。所以，在生产过程中，应尽可能减少汽轮机组的启停次数与频率，避免负荷出现剧烈变动。在低温条件下，金属材料的机械性能也会改变，由原本的韧性变为脆性，当达到一个特定的指时，则会发生脆性断裂，而这一温度被称为脆性转变温度。通常情况下，大功率汽轮机的低压转子脆性转变温度在0℃左右，高中压转子约为l20℃。因此，功率不同的汽轮机运行期间，必须注意控制好转子的脆性转变温度，减少转子损坏的可能。

2.2温度探针法

温度探针法是采用温度探针来测量对应监测部位热应力的方法，该探针内部装有特殊设计的铰接热电偶，用以测量温差。温度探针分别安装在高压调节级和中压第一级热应力重点监测部位。温度探针的前端通过汽缸壁钻孔插入到蒸汽通道中，被蒸汽直接冲刷和加热，温度探针的尾部经过必要的保温包裹，露在外缸壁外部。在每支温度探针设备的内部，由插入深度不同的２只热电偶通过铰接来直接测量温差，其中探针前端的１只热电偶测量的温度能够表征转子外表面的温度，另１只插入特定位置的热电偶测量的温度能够表征转子的体积平均温度。从表面上看，温度探针是直接式探测，实际上是通过一维简化传热模型来建立模拟关系，根据温度探针测得的温差来模拟转子关键部位的体积平均温度和金属表面温度之差，用以计算热应力。

2.3负荷控制

开始时间是从汽轮机启动升速过程结束及机组完成并网任务之后。主要的功能是以开环或者闭环工作模式为依据，进一步对汽轮机发电机组的负荷实现有效控制。主要目标是让汽轮机实发功率能够达到功率给定值。当机组并网发电之后，转速控制回路的转速偏差实质上指的是电网实际频率和额定频率之间的差值。当发生频差信号之后，为了电网频率能够得到有效调节，可以汽轮机静态特性曲线为标准，把转速偏差转化为功率偏差，进一步利用负荷回路对机组的实际发功率进行调节，以此使机组参与一次调频当中。

2.4数值差分法

数值差分法的基本原理与解析法类似。基于热传递和热弹性理论，采用有限差分的数值计算方法推导出空心圆筒和圆柱的热应力计算公式。一般采用四点或六点的Ｃｒａｎｋ－Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ差分格式，用追赶法进行求解。相关计算也涉及蒸汽和转子的强制对流换热系数，计算的精度与采用的对流换热系数的经验公式直接相关。采用这种热应力监测方式的公司主要为原美国西屋公司、美国通用电气公司、日本三菱公司、日本日立公司。我国在上世纪８０年代引进原美国西屋公司的汽轮机技术时，引进了差分法热应力监控系统，该方法成为我国上汽、哈汽、东汽的西屋机型的热应力监控系统的标准配置，但实际使用效果并不尽如人意。

结语

在我国核电发展战略逐渐推进发展的背景下，核电汽轮机的自动控制技术引起了制造商及用户的高度重视。通过本课题的探究，笔者认为要想使我国核电汽轮机更具应用前景，需要在完善汽轮机热应力控制技术的基础上，学习并借鉴国外核电汽轮机先进控制技术，以此使我国核电汽轮机控制技术更具完善性，进一步为我国核电发展战略的全面强化起到推波助澜的作用。

参考文献

[1]石丽国，郝军红，樊向松，海阳核电厂汽轮机垫铁安装与质量控制技术[J].电力建设，2013（12）：123-126.