调峰工况下超期服役机组安全保障关键技术及应用

项目背景与总体思路

• 新型电力系统下火电机组定位：作为“托底保供”压舱石和灵活性电源，其服役期满延寿符合国家政策要求（国能发电力【2022】41号文件）。
• 延寿意义：挖掘服役期满火电机组潜力，提高资产利用率，减少新建机组投资。
• 核心挑战：如何准确检测关键部件缺陷、科学评定安全性、有效修复强化、精准预测安全剩余寿命。
• 总体思路：开发复杂结构部件缺陷精准检测技术、裂纹扩展高通量测试方法、叶片水蚀开裂防护技术、厚壁部件焊后热处理温度场精准调控技术、蠕变-疲劳损伤防控技术、调峰工况下新型寿命预测技术。

主要技术内容与创新

• 复杂结构部件缺陷检测及评定技术：
  • 开发了针对叶根、叶根槽、厚壁三通、发电机护环的系列相控阵超声检测方法，灵敏度提高到0.2mm。
  • 开发了压气机叶片专用检测技术，采用显微超声与非线性超声技术，结合超声波信号频谱分析，辨别备品叶片是否为翻新叶片。
  • 开发了高通量高温裂纹扩展测试方法与设备，扩大合于使用评价技术适用范围。
• 叶片水蚀开裂先进防护技术、厚壁部件焊后热处理温度场精准调控技术：
  • 创建蠕变-疲劳损伤防控技术，汽轮机叶片固本强表现场协同再制造技术使基体疲劳寿命提升25倍，新型耐水蚀涂层性能提升50%。
  • 研制了汽轮机叶片大自由度激光喷涂装备，解决大角度部位熔覆不均匀问题。
  • 提出了电磁感应热传导模型，开发了焊缝两侧协同加热及内外壁协同加热温度场调控技术，内外壁温差控制在30℃以内。
  • 发明高温装备焊接预变形约束装置，焊接变形降低70%；建立短时蠕变热处理分段加热技术与装置，残余应力消除率提高50%。
• 调峰工况下新型寿命预测技术：
  • 建立精度更高的物理基蠕变损伤本构模型、新型载荷交互作用下的寿命预测方法，突破考虑老化材料微观组织劣化的蠕变寿命评估及蠕变疲劳交互作用下的寿命预测。
  • 开发基于概率分布和机器学习的寿命可靠性快速评估技术，弥补确定性寿命预测模型无法满足变失效概率评估的需求。
  • 发展损伤薄弱区域多尺度裂纹扩展、剩余寿命预测方法，制定含裂纹结构“带伤运行”的损伤容限判据，裂纹扩展速率计算精度提高80%。

知识产权与三方评价

• 知识产权：授权发明专利26项，国家标准2项，行业标准6项。
• 客观评价：
  • 科技查新报告：项目具有新颖性，未见相似文献报道。
  • 成果鉴定情况：2024年5月，刘正东院士领衔的专家组一致认可该技术的先进性和创新性，成果整体技术居国际领先水平。
  • 部分研究成果发布在《中国电机工程学会专业发展报告2020-2021中卷一一金属材料专业发展报告》中，为行业提供技术支撑。

成果应用与效益情况

• 应用范围：统调发电厂、自备电厂，服务于延寿机组关键部件缺陷检测评定、强化修复、寿命预测等环节。
• 应用单位：华电邹县电厂、国能汉川电厂、国电投通辽电厂、大唐长春电厂等100余台机组。
• 经济效益：完成我国首台200MW、300MW、500MW、6600MW等型号机组延寿工作。
• 社会效益：避免我国额外新建25台百万千瓦发电机组，节省900~1000亿元投资。
• 领先效应：技术领先，受益面广，满足国内各容量级别机组需求。
• 助力转型：推动能源结构转型，保障电力系统安全稳定。