CN101561669A - 汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法，属于汽轮机技术领域。所述的一种汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置与汽轮机数字式电液控制装置连接。本发明的优点是可以实现汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。

Description

汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法，属于汽轮机技术领域。

背景技术

汽轮机的16个部件是高压转子、中压转子、低压转子、高压内缸、中压内缸、低压内缸、高压外缸、中压外缸、低压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道、中压蒸汽管道等，其特点是尺寸大，造价昂贵。在汽轮机的启动、停机和负荷变动过程中，由于沿部件半径方向温度分布不均匀产生比较大的瞬态低周疲劳寿命损耗，使用操作不当会缩短汽轮机部件的使用寿命，需要在线监视与控制汽轮机多个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗。已申请过发明专利的现有技术《一种汽轮机转子低周疲劳寿命损耗在线监控的方法及装置》，申请号为200710039898.3，只对汽轮机转子的一个部件进行瞬态低周疲劳寿命损耗的监视和控制，可以延长汽轮机转子的使用寿命。由于一台大型汽轮机有十几个部件，只对汽轮机转子进行瞬态低周疲劳寿命损耗的监视和控制，但不能有效延长其他部件的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是采用一套低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置，实现一台大型汽轮机的2至16个部件的低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置(SIS装置)组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮机数字式电液控制装置(DEH)连接。

进一步地，所述汽轮机部件为高压转子、中压转子、低压转子、高压内缸、中压内缸、低压内缸、高压外缸、中压外缸、低压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道和中压蒸汽管道中任意2个以上部件。

本发明还提供了上述装置的汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮机部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步：读取汽轮机在线测点数据：数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息装置从汽轮机数字式电液控制装置读取汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力以及凝汽器压力；

第二步：计算汽轮机部件的等效应力：采用现有技术，简化模型应力计算分析技术、有限元分析技术和人工神经网络技术，在线计算得出汽轮机第i个部件考虑力载荷与热载荷的等效应力监视值σ_eqi；参照申请号为200710039898.3的已授权专利。

第三步：计算汽轮机部件的低周疲劳应变幅：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

ε_ai＝(1+μ)σ_eqi/(1.5E)

式中，μ为工作温度下部件材料的泊松比，E为工作温度下部件材料的弹性模量；

第四步：计算汽轮机部件的低周疲劳寿命：采用现有技术，使用汽轮机第i个部件材料的低周疲劳曲线ε_ai＝F(N_i)，每隔Δτ计算1次，得出汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳寿命N_i；

第五步：计算汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件瞬态低周疲劳寿命损耗d_i：

d_i＝(2N_i)^-1×100％；

第六步：确定汽轮机部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机n个部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗d_m：

d_m＝max{d₁，d₂，...d_i，...d_n}；

第七步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：若为调峰汽轮机，[d]＝0.030％；若为带基本负荷汽轮机，[d]＝0.020％；

第八步：通过厂级监控信息装置和汽轮机数字式电液控制装置控制汽轮机部件的低周疲劳寿命损耗：若d_m≤0.005％，按《汽轮机运行规程》的规定数值改变汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若0.010％≤d_m＜[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以进一步降低汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若d_m≥[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以控制汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机。

本发明具有以下特点：

(1)在计算服务器上安装使用C语言编写的汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算机软件，根据软件设定的时间间隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，从数据库服务器中读取在线监视的汽轮机参数，在线实时计算汽轮机多个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，瞬态低周疲劳寿命损耗计算结果再送到数据库服务器保存，供网页服务器调用；

(2)数据库服务器存放两类数据：

第一类数据为从厂级监控信息装置读取的汽轮机在线测点数据，包括汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、凝汽器压力等，应用于汽轮机多个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗计算；

第二类数据为汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗计算结果，包括第i个部件的等效应力σ_eqi、对称循环的低周疲劳应变幅ε_a和瞬态低周疲劳寿命损耗d_i；

(3)厂级监控信息装置在瞬态低周疲劳寿命损耗控制方面具有两种功能，一是为瞬态低周疲劳寿命损耗监视和控制装置的数据库服务器提供汽轮机的在线测点数据，二是把汽轮机多个耐用件瞬态低周疲劳寿命损耗控制措施传输给汽轮机数字式电液控制装置；

(4)用户端浏览器用来查看汽轮机多个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗在线计算结果和瞬态低周疲劳寿命损耗控制措施，用来指导汽轮机的运行和操作。

本发明的优点是给出了汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制装置，可以实现汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。如果汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗偏大时，通过在线实时控制汽轮机的主蒸汽温度变化率与负荷变化率来减少汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，达到了使用一套低周疲劳寿命损耗控制装置来监视与控制汽轮机多个部件低周疲劳寿命损耗的技术效果。

附图说明

图1为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图；

图2为本发明所采用方法的流程图；

图3为本发明计算服务器上所采用的计算机软件框图；

图4为汽轮机部件瞬态低周疲劳寿命损耗计算结果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图，本发明的汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置组成。网页服务器分别与计算服务器、数据库服务器和用户端浏览器连接，计算服务器分别与数据库服务器和网页服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置与汽轮机数字式电液控制装置连接。

如图2所示，本发明所采用方法的流程图，如图3所示，为本发明计算服务器上所采用的计算机软件框图，该软件安装在汽轮机多个耐用件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算服务器上，应用于汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。

对于某型号进汽温度为538℃的亚临界300MW汽轮机，对高压转子、中压转子、低压转子、高压主汽阀、高压调节阀、高压内缸、中压内缸共7个部件，采用图1所示的装置、图2所示的方法和图3所示的软件，图4为汽轮机部件瞬态低周疲劳寿命损耗计算结果的示意图。方法如下：

第一步：读取汽轮机在线测点数据：数据库服务器每隔Δτ＝1分钟，通过厂级监控信息装置读取汽轮机数字式电液控制装置的汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力以及凝汽器压力；

第二步：计算汽轮机部件的等效应力：采用现有的简化模型应力计算分析技术、有限元分析技术、多元线性回归技术、人工神经网络技术和支持向量技术，在线计算得出汽轮机第i个部件考虑力载荷与热载荷的等效应力监视值σ_eqi；

第三步：计算汽轮机部件的低周疲劳应变幅：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

ε_ai＝(1+μ)σ_eqi/(1.5E)

式中，μ为工作温度下部件材料的泊松比，E为工作温度下部件材料的弹性模量；

第四步：计算汽轮机部件的低周疲劳寿命：使用汽轮机第i个部件材料的低周疲劳曲线ε_ai＝F(N_i)，每隔Δτ计算1次，得出汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳寿命N_i；

第五步：计算汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件瞬态低周疲劳寿命损耗d_i：

d_i＝(2N_i)^-1×100％；

计算得出的该型号300MW汽轮机在负荷变动的降负荷过程中，负荷从300MW下降至180MW时(60％额定负荷)的7个部件14个部位的瞬态低周疲劳寿命损耗的计算结果如下：

a.高压转子外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁＝0.0055％

b.高压转子的中心瞬态低周疲劳寿命损耗d₂＝0.0045％

c.中压转子外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₃＝0.0035％

d.中压转子的中心瞬态低周疲劳寿命损耗d₄＝0.0030％

e.低压转子外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₅＝0.0040％

f.低压转子的中心瞬态低周疲劳寿命损耗d₆＝0.0045％

g.高压主汽阀壳外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₇＝0.0045％

h.高压主汽阀壳内表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₈＝0.0055％

i.高压调节阀壳外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₉＝0.0055％

j.高压调节阀壳内表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁₀＝0.0065％

k.高压内缸外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁₁＝0.0015％

l.高压内缸内表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁₂＝0.0020％

m.中压内缸外表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁₃＝0.0010％

n.中压内缸内表面瞬态低周疲劳寿命损耗d₁₄＝0.0015％

第六步：确定汽轮机部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机n个部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗d_m：

d_m＝max{d₁，d₂，...d_i，...d_n}；

在该型号7个部件的14个瞬态低周疲劳寿命损耗的计算结果中，最大瞬态低周疲劳寿命损耗为d_m＝0.0065％；

第七步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：若为调峰汽轮机，[d]＝0.030％；若为带基本负荷汽轮机，[d]＝0.020％；该型号300MW汽轮机带基本负荷，取瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值为[d]＝0.020％；

第八步：通过厂级监控信息装置和汽轮机数字式电液控制装置控制汽轮机部件的低周疲劳寿命损耗：若d_m≤0.005％，按《汽轮机运行规程》的规定数值改变汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若0.010％≤d_m＜[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以进一步降低汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若d_m≥[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以控制汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机。

在该型号7个部件内外表面的14个部位的瞬态低周疲劳寿命损耗的计算结果中，由于最大瞬态低周疲劳寿命损耗0.005％＜d_m≤0.010％，推荐的该型号300MW汽轮机的瞬态低周疲劳寿命损耗控制措施为：减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度为原数值的0.4倍，以减小该型号汽轮机7个部件的的瞬态低周疲劳寿命损耗。

采用本发明提供的汽轮机多个部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制装置，可以在线定量计算300MW汽轮机的高压转子、中压转子、低压转子、高压主汽阀壳、高压调节阀壳、高压内缸和中压内缸等7个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，根据最大瞬态低周疲劳寿命损耗来控制汽轮机启动、停机和负荷变动过程的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，使这7个部件的瞬态低周疲劳寿命损耗处于受控状态，达到了使用一套低周疲劳寿命损耗控制装置在线监视与控制汽轮机7个部件低周疲劳寿命损耗的技术效果。

Claims (3)

1、一种汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置与汽轮机数字式电液控制装置连接。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汽轮机部件为高压转子、中压转子、低压转子、高压内缸、中压内缸、低压内缸、高压外缸、中压外缸、低压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道和中压蒸汽管道中任意2个以上部件。

3、权利要求1所述装置所采用的汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮机部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步：读取汽轮机在线测点数据：数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息装置从汽轮机数字式电液控制装置读取汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力以及凝汽器压力；

第二步：计算汽轮机部件的等效应力：采用现有的简化模型应力计算分析技术、有限元分析技术、多元线性回归技术、人工神经网络技术和支持向量技术，在线计算得出汽轮机第i个部件考虑力载荷与热载荷的等效应力监视值σ_eqi；

第三步：计算汽轮机部件的低周疲劳应变幅：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

ε_ai＝(1+μ)σ_eqi/(1.5E)

式中，μ为工作温度下部件材料的泊松比，E为工作温度下部件材料的弹性模量；

第四步：计算汽轮机部件的低周疲劳寿命：使用汽轮机第i个部件材料的低周疲劳曲线ε_ai＝F(N_i)，每隔Δτ计算1次，得出汽轮机第i个部件对称循环的低周疲劳寿命N_i；

第五步：计算汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机第i个部件瞬态低周疲劳寿命损耗d_i：

d_i＝(2N_i)^-1×100％；

第六步：确定汽轮机部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：采用如下公式，计算汽轮机n个部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗d_m：

d_m＝max{d₁，d₂，...d_i，...d_n}；

第七步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：若为调峰汽轮机，[d]＝0.030％；若为带基本负荷汽轮机，[d]＝0.020％；

第八步：通过厂级监控信息装置和汽轮机数字式电液控制装置控制汽轮机部件的低周疲劳寿命损耗：若d_m≤0.005％，按《汽轮机运行规程》的规定数值改变汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若0.010％≤d_m＜[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以进一步降低汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若d_m≥[d]，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0，以控制汽轮机部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机。

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