联合循环机组启停过程中燃机热应力控制策略与寿命管理研究

一、引言

在能源结构转型与电力需求增长的背景下，联合循环机组凭借高效、清洁的发电优势，成为电力生产的重要组成部分。燃气轮机（燃机）作为联合循环机组的核心动力设备，其运行性能直接影响机组整体效率与可靠性。在联合循环机组启停过程中，燃机部件因温度急剧变化产生热应力，过高的热应力会引发部件变形、裂纹甚至失效，缩短设备使用寿命，增加运维成本，严重时威胁机组安全运行[1]。因此，深入研究燃机热应力控制策略与寿命管理方法，对提升联合循环机组运行稳定性、推动能源行业可持续发展具有重要意义。

二、联合循环机组启停过程中燃机热应力产生机理及影响因素 （三）实时监测与动态调控

（一）热应力产生机理

联合循环机组启动时，燃机燃烧室迅速升温，高温燃气冲击涡轮叶片、气缸等部件。由于部件各部位导热性能差异及结构特点，热量传递不均匀，导致部件表面与内部、不同部位之间产生温度梯度。根据热弹性力学原理，温度梯度会使部件产生热变形，而部件自身约束及相邻部件的相互作用，限制了这种热变形，从而产生热应力。停机过程中，燃机部件温度逐渐下降，冷却速度的不一致同样会引发温度梯度，进而产生热应力。当热应力超过材料的许用应力时，部件将出现疲劳损伤，长期积累可能导致裂纹扩展甚至断裂。

（二）影响热应力的关键因素

启停速率：启动时过快的升温速率或停机时过快的冷却速率，会加剧部件温度变化幅度，增大热应力。例如，启动阶段燃气温度急剧上升，涡轮叶片表面瞬间受热膨胀，而内部温度上升滞后，巨大的温度差导致热应力显著增加[2]。

部件结构与材料特性：燃机部件复杂的几何形状和不均匀的壁厚，易造成热应力集中。如涡轮叶片的叶根部位，结构复杂且承受较大载荷，在温度变化时更易产生高值热应力。同时，材料的热膨胀系数、导热率等特性也对热应力大小有重要影响，热膨胀系数大、导热率低的材料在温度变化时产生的热应力更大。

运行工况波动：机组启停过程中频繁的负荷变化、燃料成分改变等运行工况波动，会导致燃机温度场不稳定，热应力随之波动。快速的负荷升降使燃机内部温度急剧变化，增加热应力冲击频率和强度，加速部件老化。

三、联合循环机组启停过程中燃机热应力控制策略

（一）启动过程热应力控制

优化升温曲线：依据燃机设计参数与部件材料性能，制定分阶段、阶梯式的升温曲线。启动初期采用较低升温速率（如每分钟 5-8^∘C ），使部件缓慢均匀受热；随着温度上升，逐步提高升温速率，但需严格控制在安全范围内，避免温度突变。同时，在关键温度节点设置保温阶段，确保部件各部位温度充分均衡。

预暖与暖机操作：启动前对燃机进行预暖，通过引入少量预热空气或蒸汽，提升部件初始温度，降低启动瞬间的温度差。启动过程中，延长暖机时间，在特定温度区间保持稳定运行，使部件内部温度梯度减小。例如，在燃机达到一定温度后，进行 20 - 30 分钟的暖机，确保气缸、转子等关键部件温度均匀。

温度场均匀化调节：通过精确控制燃料分配和空气流量，优化燃机内部温度场分布。采用先进的燃烧控制技术，如分区燃烧、贫油预混燃烧等，使燃气温度在燃烧室及涡轮通道内分布更均匀，减少局部过热区域，降低热应力集中风险。

（二）停机过程热应力控制

合理规划冷却速率：制定科学的停机冷却方案，避免冷却速度过快。停机初期保持缓慢冷却速率（如每分钟 3-5^∘C ），随着温度降低可适当加快冷却速度，但需确保部件温度变化平稳。同时，根据燃机不同部件的冷却特性，采用差异化冷却策略，如对温度敏感性高的涡轮叶片，采取更缓

慢的冷却方式。

余热利用与缓慢降温：利用燃机停机后的余热，通过余热回收系统为其他设备供热或维持机组内部一定温度水平，实现缓慢降温。关闭部分通风口，减少空气对流，延缓部件冷却速度。此外，可采用循环冷却介质的方式，精确控制冷却速率，降低热应力。

防止热变形措施：停机过程中，对易发生热变形的部件采取支撑加固措施。例如，对涡轮转子进行临时支撑，防止因重力和热应力作用导致弯曲变形；对气缸等大型部件，通过设置膨胀节、导向键等结构，保证其在冷却收缩过程中沿预定方向变形，避免产生附加应力。

在燃机关键部位安装高精度温度传感器、应力传感器，实时监测部件温度和热应力变化。建立热应力监测预警系统，设定合理的应力阈值，当监测数据超过阈值时，系统自动报警并联动调节系统，通过调整燃料量、空气流量等运行参数，降低热应力[3]。同时，利用大数据分析和机器学习技术，对历史监测数据进行深度挖掘，预测热应力变化趋势，提前采取预防措施。

四、基于热应力控制的燃机寿命管理

（一）寿命预测模型构建

综合考虑燃机运行参数、热应力历史数据、材料疲劳特性等因素，构建燃机寿命预测模型。采用有限元分析方法，对燃机部件进行热 - 结构耦合仿真，模拟不同工况下的热应力分布和疲劳损伤过程。结合机器学习算法，对大量运行数据进行训练，建立寿命预测模型，实现对燃机关键部件剩余寿命的准确预测。例如，通过分析涡轮叶片的热应力循环次数、温度 -时间曲线等数据，预测其疲劳寿命。

（二）维护计划制定与优化

依据寿命预测结果，制定分级分类的维护计划。对接近使用寿命的部件，提前储备备品备件，安排更换；对热应力较大、易出现损伤的部件，增加检查频率和维护项目。引入状态检修理念，根据实时监测数据和寿命预测情况，动态调整维护周期和内容，避免过度维修或维修不足。同时，建立维护效果评估机制，对每次维护后的设备性能进行跟踪评价，不断优化维护策略。

（三）寿命管理体系完善

建立燃机寿命管理数据库，整合运行数据、监测数据、维护记录等信息，为寿命管理提供数据支持。加强寿命管理团队建设，培养专业技术人员，提高寿命管理水平。定期开展技术交流与培训，引入先进的寿命管理理念和技术，持续完善燃机寿命管理体系，实现设备全生命周期的科学管理。

五、结论

联合循环机组启停过程中燃机热应力控制与寿命管理是保障机组安全高效运行的关键环节。通过深入分析热应力产生机理和影响因素，制定科学的热应力控制策略，并基于此构建完善的寿命管理体系，能够有效降低热应力对燃机部件的损害，延长设备使用寿命。未来，随着监测技术、材料科学和人工智能的发展，还需进一步优化热应力控制与寿命管理方法，提升联合循环机组的运行性能和经济效益，为能源行业的可持续发展提供有力支撑。

参考文献

[1]崔崇,张春雷,马晓峰,等.某燃气发电机组寿命评估研究[J].电力科技与环保,2022,38(06):509-516.

[2]严佳康.6F 燃机朝启夜停设备使用寿命的影响及保护优化措施[J].内燃机与配件,2022,(24):117-119.

[3]陈贝贝,赵仕志,刘维兵.某重型燃机旋流器的热应力分析[J].东方汽轮机,2015,(03):14-16.DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.004.