联合循环汽轮机运行安全性问题分析以及多目标优化研究

作     者：胡紫薇 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈坚红

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：燃气-蒸汽联合循环 汽轮机汽缸 汽轮机转子 胀差 疲劳-蠕变损伤 多目标优化 

摘      要：在节能环保和绿色发展的理念下,我国能源结构中可再生能源的份额在过去几十年里大幅增加。几乎所有可再生资源都存在的一个问题是可变性和不可预测性,如天气条件突然变化可能导致电力短缺,甚至可能导致能源系统的不稳定。因此,传统电厂必须平衡这些不确定性。传统发电机组的运行模式正在发生变化,燃气-蒸汽联合循环机组正从原来的基础负荷提供者演变为高度灵活的能源系统安全保障者的新角色。为了提高燃气-蒸汽联合循环机组的负荷特性响应能力,它们被迫进行快速启动、停机和变负荷以满足发电需求。汽轮机启动停机速度慢,是制约联合循环机组运行灵活性的重要因素,因此需要在保证安全运行的基础上,尽可能使汽轮机快速启动或停机,以满足机组发电需求,提高机组的灵活性。本研究利用APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化程序设计工具搭建汽缸和转子的二维轴对称有限元模型。通过APDL编制程序读取汽轮机运行数据,自动计算换热系数、温度载荷和离心载荷施加于有限元模型,采用有限元热-结构耦合分析方法对某联合循环汽轮机的标准冷态启动、停机和运行过程的温度场和应力场进行计算。基于有限元计算结果研究汽轮机在启动和停机过程中胀差的变化规律。分析汽轮机疲劳损伤和蠕变损伤的影响因素,搭建了基于启动停机应力循环非对称性影响的疲劳损伤模型,定量计算启动和停机过程中的疲劳损伤、变负荷运行过程中的疲劳损伤、额定负荷运行过程中的蠕变损伤以及疲劳-蠕变耦合损伤。通过计算结果对比发现,相较于变负荷运行过程,启动和停机过程中的应力会对汽轮机疲劳寿命产生更大的影响,同时启动停机应力的非对称性会进一步加剧汽轮机的疲劳损伤。因此针对标准冷态启动过程和停机过程,在对胀差和寿命损耗等问题分析总结的基础上开展了多目标优化。首先,从经济、安全和环境等方面分析了启动过程优化目标和优化方法等,采用包括启动成本、疲劳损伤成本、污染物排放成本和收益的多目标费用函数以平衡多个优化目标之间的矛盾关系,并将其与最小时间优化和最小疲劳损伤优化进行比较。停机过程以停机时间和启停机应力循环的平均应力作为优化目标。其次,通过APDL设计程序将热-结构有限元计算与多目标优化相结合,提出了多目标优化的有限穷举法,采用有限穷举法和响应面法对启动和停机过程进行多目标优化。优化后的启动过程不仅缩短启动时间10min,减少最大应力12MPa和污染物排放,增大疲劳寿命1.7倍,同时也最大程度的减少了启动过程费用函数。通过优化停机过程,缩短了停机时间5min,平均应力降至-0.06MPa,基本消除了启动停机过程应力循环非对称性带来的影响,有限穷举法和响应面法优化结果误差不超过3%,验证了优化模型的准确性和两种方法的可靠性。