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摘 要

电力工业的高速发展以及小容量机组的停用对于机组的调峰运行提出了更高的要求。目前，火电机组的发展趋向于具有高效率和高参数特性的超超临界机组。调峰运行的超超临界机组在启动过程中，蒸汽参数的变化会使转子表面的温度发生剧烈变化。汽轮机转子由于巨大的温度梯度会产生热应力，这对于机组的安全经济运行非常不利。热应力会影响转子的使用寿命，进而影响整个机组的使用寿命。因此，研究转子在启动过程中的应力状态对评估机组的损耗具有重要的价值。本文旨在通过对超超临界机组汽轮机转子启动过程中应力场的数值模拟，确定转子初始温度对转子应力分布的影响，为优化汽轮机启动过程提供有效参考。

本文首先详细介绍了汽轮机启动的方式，比较分析各种启动方式的优缺点，包括对转子热应力的影响。

然后以某电厂660MW高效超超临界再热机组为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS对该机组中采用高中压缸联合启动方式时的转子进行建模分析。基于第三类传热边界条件确定转子表面各处的传热系数，包括光轴部分和汽封部分。建立转子二维轴对称结构模型，设置材料属性，加载约束和载荷，求解转子的温度场；利用热-结构耦合方式通过温度场的计算结果求解出转子的应力场，分析转子的最大应力部位。

针对该转子的计算结果研究转子的初始温度对转子应力的影响，为汽轮机的启动过程提出优化方案。

关键词：汽轮机；转子；ANSYS；温度场；应力场

Research on Start - up Optimization of High Efficiency

Ultra - supercritical 660MW Steam Turbine

03013013 Chen Ling

Supervised by Jianming Yang

Abstract: The rapid development of the power industry and the deactivation of small capacity units put forward higher requirements for the peak load operation of the unit. At present, the development of thermal power units tend to be ultra-supercritical units with high efficiency and high parameter characteristics. During the start-up process of the ultra-supercritical unit, the temperature of the rotor surface changes drastically. Due to the huge temperature gradient, turbine rotor will produce thermal stress, which for the safe and economical operation of the unit is very unfavorable. Thermal stress can affect the life of the rotor, which in turn influences the service life of the entire unit. Therefore, it is of great value to study the stress state of the rotor during the start-up process. The aim of this paper is to determine the effect of rotor initial temperature on the stress distribution of the rotor by the numerical simulation of the stress field during the start-up of the rotor of the ultra - supercritical turbine, and to provide an effective reference for optimizing the start - up process of the steam turbine.

This paper first introduces the ways of steam turbine start-up, and analyzes the advantages and disadvantages of various starting modes, including the influence on rotor thermal stress.

Then, a 660MW high efficiency ultra - supercritical reheat unit was selected as the research object. The finite element analysis software ANSYS was used to model the rotor when the high and medium pressure cylinder was started. The heat transfer coefficient of the rotor surface is determined based on the third type of heat transfer boundary condition, including the optical axis part and the steam seal part. The rotor two - dimensional axisymmetric structure model is established, and the material properties, loading constraints and loads are set to solve the temperature field of the rotor. The stress field of the rotor is calculated by the calculation of the temperature field by the heat - structure coupling method.

The effect of the initial temperature of the rotor on the rotor stress is studied for the calculation results of the rotor, and the optimization scheme of the steam turbine is proposed.

Key words: steam turbine; rotor; ANSYS; temperature field; stress field

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题背景和研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究内容 3

第二章 汽轮机启动方式 4

2.1汽轮机启动方式 4

2.1.1按状态分类 4

2.1.2按冲转进汽方式分类 4

2.2各种启动方式比较 6

2.3 本章小结 7

第三章 转子数值分析理论基础 8

3.1 传热条件理论基础 8

3.2 应力分析理论基础 8

3.2.1 热应力 8

3.2.2 离心应力 9

3.3 有限元分析及ANSYS简介 10

3.3.1 有限元分析简介 10

3.3.2 ANSYS简介 10

3.4本章小结 11

第四章 660MW再热机组转子热应力分析 13

4.1汽轮机转子 13

4.1.1转子简介 13

4.1.2几何建模 13

4.1.3网格划分 13

4.2转子材料 14

4.3蒸汽参数及换热系数 15

4.4 应力分析 18

4.5启动优化 23

4.5.1蒸汽温升率的影响 23

4.5.2转子初始温度的影响 24

4.6本章小结 26

第五章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2展望 28

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1课题背景和研究意义

能源工业是一个国家经济和工业发展的重要支柱，其中，电力产业作为现代化工业发展的基础，在能源动力行业中扮演着重要角色。在2016年1-11月，我国用电量达53847亿千瓦时，相比2015年的同期增长了5%；2016年全国规模以上电厂发电量总和为53701亿千瓦时，其中火力发电的总量达到39679.4亿千瓦时，在总发电量中所占的比重为73.9%，与2015年的同期相比下降了1.5%^[1]。尽管近年来火力发电的利用占比持续下降，但是火力发电在未来一段时间内仍然占据相当大的比重。火电机组的正常生产与发展对国家经济的发展依然有较大的影响。

目前，我国的供电结构正在不断改变。水电、核电以及风电等新型发电技术的投入使用，使得电网频繁发生波动。可再生能源技术的发展，使得火电机组的供电负荷需要分割出相应的比例给这些新型的发电技术，但是这些电负荷的不稳定性给电网的稳定带来了困扰。华东地区的电网采用超高压输电方式以后使得江苏等地的火电机组的发电负荷往往达不到额定负荷，甚至会处于停机的状态，这就对机组的灵活运行提出了更高的要求，随时需要相应电网的负荷变化。同时，居民用电的比例上升使得电网的谷峰差值逐渐增大，这就造成很多大容量机组无法稳定在额定负荷下运行，需根据电网的指令参与调峰运行^[2]。机组调峰运行存在以下两个特点：（1）启停频繁；（2）负荷频繁变化。

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