CN101292141B - 虚拟的测温点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定在厚壁或轴内的温度剖面和综合的平均温度和/或轴向温度的方法，其中，为了确定在加热或冷却过程中综合的平均壁温，按一种多层模型根据每一层的平均温度计算该综合的平均壁温。对此按本发明采取的措施是，为了确定在加热或冷却过程中综合的平均壁温使用一种多层模型，并利用各层的平均温度。

Description

虚拟的测温点

本发明涉及一种确定在厚壁构件，例如集汽箱、蒸汽管路、阀壳、透平汽缸或透平轴之类的壁或轴内的温度剖面和综合的平均温度和/或轴向温度的方法。

在如尤其在构件壁内，例如汽轮机、阀壳、蒸汽管路内改变工作方式时发生的加热和冷却过程中，在这些构件的厚壁内形成可导致材料巨大应力的温度梯度。这些材料应力可导致材料提前磨损直至断裂。

为了正是在蒸汽动力装置中使用时监测这种温度梯度，迄今在构件壁内加入至少一个或多个测温点。根据获得的壁温或工质温度测量值，可以估算在构件壁内部的温差和尤其确定相关的综合平均壁温。将综合的平均温度与允许的极值作比较，应将材料热应力保持在允许的界限内。然而这种方法比较昂贵和容易出错。

与之不同，综合的平均壁温也可以在避免昂贵和容易出错地在壁内置入测量点的情况下或对于那些其中不可能实现任何测量点的构件(例如透平轴)进行计算。一种可能的方法是，温度的计算借助用于在金属杆内热传导的尤其基于贝塞尔方程的等效的数学模型。然而迄今以此为基础在大型工业设备例如蒸汽动力管的传导技术中实现的系统，取决于工质温度变化的周期倾向于振动，这种振动限制可靠地评估如此获得的温度值。

因此本发明的目的是，提供一种确定综合平均壁温/轴向温度的方法，它即使不在涉及的壁内使用测温点，也能特别准确地描绘壁温剖面并与此同时特别耐用和是自稳定的。

按本发明为达到此目的采取的措施是，为了确定在加热或冷却过程中综合的平均壁温使用一种多层模型，并追溯使用该多层模型每一层的平均温度。

在使用这种多层模型时，构件壁想象为分成一些平行于表面其数量取决于壁厚的多个分层。针对每一层使用的材料数据(热容量、热导率)与分层的几何形状无关。在每一层内实施输入和排出热流非定常的平衡。根据实施的非定常热平衡确定相应的平均层温。

多层模型作为测量值有利地仅采用一些过程参数，亦即蒸汽温度

和蒸汽质量流量

以及壁内原始温度剖面，在平衡的原始状态后者可通过原始壁温

描述。若不存在蒸汽质量流量测量装置，则蒸汽流量借助一个以压力P_AM和阀位置H_AV或自由通流横截面为基础的等效模型计算。这些过程参数易于检测以及在工业设备的传导技术中一般反正是应提供的。尤其不需要附加的嵌入所涉及壁内的测量点。

本发明考虑问题的出发点在于，在加热和冷却过程中壁内的温度剖面并因而综合平均壁温，在取消昂贵和容易出错的加入在壁内的测量点的情况下，即使不可能直接测量温度，仍能借助一个多层模型足够准确和稳定地计算。为此确定瞬时的壁温剖面规定作为非定常热流平衡的函数。原则上用厚壁构件内和外壁表面温度或甚至用工质温度和周围或隔热装置温度或仅仅表面温度(例如对于轴)也可以工作。

但业已证实特别有利的是，将厚壁分成多个分层。由此得到的优点是能更好地确定壁温剖面并因而更准确地计算综合平均壁温，因为在厚壁内部的非定常温度剖面有严重的非线性。这主要源于材料的热导率和单位材料热容量本身与温度有关。使用多层模型的另一个优点是，在壁足够精细地分成多个分层时，为了计算与温度有关的热导率和比热容，可以使用向前定向的计算结构，也就是说用先前层的平均温度取代当前层的平均温度，由此避免可能有正号的反馈，以及计算线路有非常耐用的特性。

热传导系数α的计算优选地在考虑蒸汽凝结、湿蒸汽和过热蒸汽的情况下进行。为此按一种模型进行工质状态的识别。不仅识别可能的包括相应的蒸汽份额和水份额的凝结，而且识别过热的蒸汽状态。若仅存在过热蒸汽作为工质，则用于热流从工质传输到第一个壁层内的热传导系数α_AM有利地作为蒸汽流量

的函数而形成。

若反之出现蒸汽凝结，则热传导系数α按有利的方式如此计算，即，对于工质已凝结的份额，即所谓的凝结分量，采用恒定的热传导系数α_W。为了确定此凝结分量，使用作为压力p_AM的函数的饱和温度T_S、工质温度T_AM和加热/冷却表面的温度T₁(第一层的平均温度)。

取两个值中之较大者为厚壁构件第一层的温度T₁以及将此结果与可调的常数K比较。两个值中之较大者构成两个商的分母，它们在分子中有工质温度与饱和温度T_AMT_S之差和饱和温度与厚壁构件第一层温度之差T_S-T₁。第一个商，如果它是正的，与过热蒸汽的热传导系数α_AM相乘，第二个商，如果它是正的，与水的热传导系数α_W相乘，为的是考虑凝结。两个乘积之和与过热蒸汽的热传导系数α_AM比较。两个值中之较大者便是得到的热传导系数α。

综合平均壁温

的计算，以特别有利的方式，根据在n个分层内输入和排出热流的非定常平衡得到。这在n个所述的分层模型中进行。

在第一个分层模型中，借助热传导系数α、工质温度T_AM和不仅第一层平均温度T₁而且第二层平均温度T₂，计算从工质到第一层内的热流

和从第一层到第二层内的工质热流

采用所涉及的层内的原始温度T_Anf，根据从工质到第一层内的热流与从第一层到第二层内的热流非定常的差

通过对时间积分得出第一层的平均温度T₁。

在第k个分层模型中，借助从第(k-1)层进入第K层内的热流

与从第k层到第(k+1)层内的热流

的非定常热流平衡，计算第k层的平均温度T_k。采用第k层内的原始温度T_{Anf_k}，根据进入第k层内和从第k层出来的非定常的热流差

通过对时间积分得出第k层的平均温度T_k。

最后，在最后一个分层模型中，根据从倒数第二层即第(n-1)层进入最后的第(n)层内与从最后一层进入隔热装置内的非定常热流平衡

计算最后的第(n)层的平均温度T_n。

第k层的热导率λ_k和比热容c_k与温度的关系，恰当地通过多项式，优选地二阶多项式近似，或通过一些适用的函数表达。

最后，在一个模型中按特别有利的方式通过各层平均温度T_k的权重在考虑分层材料重量和等效壁段的材料重量的情况下确定综合平均壁温

优选地，所述的整个方法在优选地在蒸汽动力装置的传导技术系统中能力特别强的数据处理设备内实施。

采用本发明获得的优点尤其在于，厚壁构件的壁温剖面和综合平均壁温，在取消构件壁内加入测量点的情况下，仅由过程参数，即工质的质量流量和温度以及壁内的原始温度分布，以及当不存在或不可能直接测量蒸汽流量时，附加地通过压力和阀位置或自由通流横截面，便能可靠和稳定地说明。在这里分层数选择得越多，综合平均壁温/轴向温度的确定越准确。

下面借助附图详细说明按本发明的一种采用三层模型和考虑隔热装置(第四层)的实施例。其中：

图1表示通过蒸汽管的剖面作为一个分成三层的厚壁的例子；

图2表示用于计算热传导系数的模型框图；

图3表示用于计算第一层平均温度的模型框图；

图4表示用于计算第二层平均温度的模型框图；

图5表示用于计算第三层平均温度的模型框图；以及

图6表示用于计算综合平均壁温的模型框图。

在所有的图中相同的部分采用同样的附图标记。

图1表示管段1的剖面作为厚壁的例子。蒸汽管内腔2流过工质(蒸汽)，热流从这里传入第一层4。与之连接的是第二层6和第三层8。管段1被隔热装置10包围。

按图2，在蒸汽的情况下，蒸汽流量

的测量值作为输入信号供给函数生成器32，它由此计算热传导系数α_AM作为在蒸汽的情况下的工质流量的函数 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{AM}}=f\left({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{AM}}\right).$ 这一函数通过一定数量的支持点说明，在这里中间值通过适用的内插法生成。

为了也能考虑部分凝结的情况，在函数生成器34的进口提供工质压力p_AM，它生成饱和函数T_S＝f(p_AM)并因而在其出口提供针对该压力的饱和温度T_S。这一函数通过支持点(来自蒸汽图表的压力和温度)说明，在这里中间值通过适用的内插法确定。

工质的温度T_AM与饱和温度T_S通过最大值发生器36比较。从较大的值通过减法器38减去第一层的平均温度T₁。差值通过最大值发生器40与可调的常数K比较。因此在最大值发生器40的出口出现信号

N＝max(max(T_AM；T_S)-T₁；K)

它提供给两个除法器42和44的分母进口。

除法器42在其分子进口得到通过减法器46生成的差值T_AM-T_S。若它是正值，函数发生器48将信号

$\frac{T_{\mathrm{AM}}-T_{\mathrm{XS}}}{N}$

只进一步传给乘法器50的进口。此信号说明已汽化的工质的百分比份额，即所谓蒸汽分量。若差值T_AM-T_S为负值，亦即工质温度低于饱和温度则在乘法器50相应的进口出现信号“零”。

在乘法器50的另一个进口出现蒸汽的热传导系数α_AM。58的其中一个进口输入用蒸汽分量加权后的热传导系数α_pD。

除法器44在其分子进口得到通过减法器52生成的差值T_S-T₁。若它是正值，函数发生器54将信号

$\frac{T_S-T_1}{N}$

只进一步传给乘法器56的进口。此信号说明凝结分量的百分比份额。若差值T_S-T₁为负值，亦即第一层的平均温度高于饱和温度，则在乘法器56相应的进口出现信号“零”。

在乘法器56的另一个进口出现水的热传导系数α_W。因此在加法器58的第二个进口输入用凝结分量加权后的热传导系数α_pW。

在最大值发生器60的一个进口针对蒸汽的情况出现热传导系数α_AM。在第二个进口针对部分凝结的情况存在由加法器58生成的热传导系数

α_p＝α_pW+α_pD

两个值中较大者便是当前的热传导系数α。

若不存在任何蒸汽质量流量的测量，则蒸汽质量流量例如借助下列计算线路计算。在函数生成器12内将阀位置的实际值H_AV转换为自由通流面积A_AV。通过乘法器14和16将自由通流面积与适用的换算因子K_U1和K_U2相乘以及输给另一个乘法器18。工质的压力p_AM同样通过乘法器20与适用的换算因子K_U4相乘并传给乘法器18第二进口，它的结果赋予乘法器22的进口。通过乘法器24与适用的换算因子K_U5相乘得到的工质温度T_AM传给除法器26的额定进口，它的计数器进口包含一个1。在出口出现倒数值。通过开方器28将倒数值的根传给乘法器22的第二进口。在乘法器22出口通过乘法器30与适用的换算因子K_U3相乘得到的信号描述蒸汽流量

总之，由此为了计算蒸汽流量得到

            A_AV＝f(H_AV)

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{AM}}=K_{U3}*\sqrt{\frac{1}{K_{U5}{T}_{\mathrm{AM}}}}{K}_{U4}{T}_{\mathrm{AM}}{K}_{U1}{K}_{U2}{A}_{\mathrm{AV}}$

按图3用于第一层的模型根据非定常的热流平衡确定第一层平均温度T₁。为此，首先通过减法器62根据工质温度T_AM和第一层平均温度T₁生成温度差T_AM-T₁，以及通过乘法器64与热传导系数α相乘。乘法器66将此信号与一个适用的可调的系数K_AL相乘，它说明用于从工质到构件壁内热传导的等效的第一表面面积。在乘法器66的出口出现有关从工质到第一层内的热流的信号

${\stackrel{\·}{q}}_{\mathrm{AM}-1}={\mathrm{\αK}}_{\mathrm{AL}}(T_{\mathrm{AM}}-T_1)$

它提供给减法器68的被减数进口。

第一层的热导率λ₁和比热容c₁与温度的关系在本实施例中通过二阶多项式近似，它用系数W₀₁、W₁₁和W₂₁以及C₀₁、C₁₁和C₂₁表示。在本例中使用的多项式有如下形式：

${\mathrm{\λ}}_1=W_{01}+W_{11}{T}_{\mathrm{AM}}+W_{21}{T}_{\mathrm{AM}}^2$

$c_1=C_{01}+C_{11}{T}_{\mathrm{AM}}+C_{21}{T}_{\mathrm{AM}}^2$

这通过将工质温度赋予三个乘法器70、72和74进口在线路技术上模拟。为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统的稳定性，在这里使用向前定向的结构，也就是说使用工质温度T_AM取代第一层的平均温度T₁。

为了计算热导率，在乘法器70的第二进口出现多项式常数W₁₁。出口与加法器76的进口连接。

在作为乘方器连接的乘法器72出口存在工质温度平方T_AM ²的信号。它通过乘法器78与多项式常数W₂₁相乘，以及接着传给加法器76的第二进口。

多项式常数W₀₁与加法器76的第三进口连接。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的热导率λ₁。

为了计算比热容，在乘法器74的第二进口加入多项式常数C₁₁。乘法器74的出口与加法器80进口相连。在加法器80的第二进口存在多项式常数C₀₁。在乘法器72出口存在的工质温度平方T_AM ²借助乘法器82与多项式系数C₂₁相乘，并接着提供给加法器80的第三进口。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的比热容c₁。

减法器84根据第一层与下一层的平均温度生成温差T₁-T₂。它通过乘法器86与来自加法器76出口取决于温度的热导率λ₁相乘，以及通过乘法器88与常数K_W1相乘，它含有层厚和等效表面面积的关系。在乘法器88出口存在从第一层到第二层内的热流信号

${\stackrel{\·}{q}}_{1-2}={\mathrm{\λ}}_1{K}_{W1}(T_1-T_2)$

此信号传给减法器68的减数进口。在其出口存在热流差

的信号，它借助乘法器90与系数K_T1相乘，它考虑在第一层内与分层材料重量有关的温度变化速度。

得到的信号借助除法器92除以在加法器80出口处存在的取决于温度的比热容c₁。

内层的平均温度根据热流差对时间t的积分产生

$T_1=\frac{K_{T1}}{c_1}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}({\stackrel{\·}{q}}_{\mathrm{AM}-1}-{\stackrel{\·}{q}}_{1-2})\mathrm{dt}+T_{\mathrm{Anf}1}$

在除法器92出口处出现的信号供给积分器94，它作为起始条件采用第一层的原始温度T_Anf1。

按图4用于第二层的模型根据非定常的热流平衡确定第二层平均温度T₂。为此，首先通过减法器96根据第三层的温度T₃和第二层平均温度T₂生成温度差T₂-T₃，以及通过乘法器98与第二层取决于温度的热导率λ₂相乘。乘法器100将此信号与一个适用的可调的系数K_W2相乘，它含有热传导与层厚和表面面积的关系。在乘法器100的出口出现有关从第二层到第三层内的热流的信号

${\stackrel{\·}{q}}_{2-3}={\mathrm{\λ}}_2{K}_{W2}(T_2-T_3)$

它提供给减法器102的减数进口。

在减法器102的被减数进口存在从第一层到第二层内热流

的信号。它的出口提供热流差

乘法器104将此信号与一个可调的系数K_T2相乘，它考虑第二层内与分层材料重量有关的温度变化速度。接着，此信号借助除法器106除以第二层取决于温度的比热容c₂，然后提供给积分器108的进口。积分器108作为起始条件采用第二层的原始温度T_Anf2。在其出口存在第二层的平均温度

$T_2=\frac{K_{W2}}{c_2}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}({\stackrel{\·}{q}}_{1-2}-{\stackrel{\·}{q}}_{2-3})\mathrm{dt}+T_{\mathrm{Anf}2}$

第二层的热导率λ₂和比热容c₂与温度的关系仍通过二阶多项式和系数W₀₂、W₁₂和W₂₂以及C₀₂、C₁₂和C₂₂近似。此多项式为：

${\mathrm{\λ}}_2=W_{02}+W_{12}{T}_1+W_{22}{T_1}^2$

$c_2{=C}_{02}+C_{12}{T}_1+C_{22}{T_1}^2$

这通过将第一层的平均温度T₁赋予三个乘法器110、112和114进口在线路技术上模拟。为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统的稳定性，在这里使用向前定向的结构，也就是说使用第一层平均温度T₁取代第二层的平均温度T₂。

为了计算热导率，在乘法器110的第二进口出现多项式常数W₁₂。出口与加法器116的进口连接。

在作为乘方器连接的乘法器112出口存在第一层平均温度平方T₁ ²的信号。它通过乘法器118与多项式常数W₂₂相乘，以及接着传给加法器116的第二进口。

多项式常数W₀₂与加法器116的第三进口连接。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的热导率λ₂。

为了计算取决于温度的比热容，在乘法器114的第二进口加入多项式常数C₁₂。乘法器114的出口与加法器120进口相连。在加法器120的第二进口存在多项式系数C₀₂。在乘法器112出口存在的第一层平均温度平方T₁ ²借助乘法器122与多项式系数C₂₂相乘，并接着提供给加法器120的第三进口。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的比热容c₂。

按图5用于第三层的模型根据热流平衡确定第三层平均温度T₃。为此，首先通过减法器124根据隔热装置的温度T_ISOL和第三层平均温度T₃生成温度差(T₃-T_ISOL)，以及通过乘法器126与一个适用的可调的系数K_ISOL相乘，它说明隔热装置热损失的大小。在乘法器126的出口出现有关从第三层到隔热装置层内的热流的信号(在这里还存在直接说明隔热装置热损失的可能性)

${\stackrel{\·}{q}}_{3\_\mathrm{ISOL}}=K_{\mathrm{ISOL}}(T_3-T_{\mathrm{ISOL}})$

它提供给减法器128的减数进口。

在减法器128的被减数进口存在从第二层到第三层内热流的信号。它的出口提供热流差

乘法器130将此信号与一个可调的系数K_T3相乘，它考虑第三层内与分层材料重量有关的温度变化速度。接着，此信号借助除法器132除以第三层取决于温度的比热容c₃，然后提供给积分器134的进口。积分器134作为起始条件采用第三层的原始温度T_Anf3。在其出口存在第三层的平均温度

$T_3=\frac{K_{W3}}{c_3}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}({\stackrel{\·}{q}}_{2-3}-{\stackrel{\·}{q}}_{3-\mathrm{ISOL}})\mathrm{dt}+T_{\mathrm{Anf}3}$

第三层的比热容c₂与温度的关系通过二阶多项式和系数C₀₃、C₁₃和C₂₃近似。

此多项式为：

$c_3=C_{03}+C_{13}{T}_2+C_{23}{T_2}^2$

为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统的稳定性，在这里使用向前定向的结构，也就是说在这里使用第二层平均温度T₂取代第三层的平均温度T₃。

这通过将第二层的平均温度T₂赋予两个乘法器136和138进口在线路技术上模拟。在乘法器136的第二进口加入系数C₁₃。乘法器136的出口与加法器140进口相连。在加法器140的第二进口存在多项式系数C₀₃。在乘法器138出口存在的第二层平均温度平方T₂ ²借助乘法器142与多项式系数C₂₃相乘，并接着提供给加法器140的第三进口。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的比热容c₃。

按图6根据各分层的平均温度T₁、T₂、T₃确定综合的平均温度

三个乘法器144、146和148将温度信号与适合的权重因子K_G1、K_G2和K_G3相乘，它们相应于分层材料的重量为各分层的平均温度加权。加权后的温度信号到达加法器150的进口。它的出口信号借助乘法器152与系数K_G相乘，它考虑等效壁段材料总重量的影响。在乘法器152的出口出现综合的平均温度

的信号。

Claims (5)

1.一种用于确定在一构件的壁内的综合平均温度的方法，其中，

将所述构件的壁分成多个分层；

在考虑进入相邻层内的热流的情况下计算所述多个分层的每一层的平均温度；

使用多个分层的每一层的平均温度以及作为测量参数使用沿壁流动的工质的温度和质量流量来确定所述构件的壁内的综合平均温度，其特征在于，

在所述构件的壁内的综合平均温度不通过使用壁内的测温点来确定，其中，每一层的平均温度根据该层的非定常热流平衡来计算。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，根据工质的压力和温度以及阀的自由横截面确定蒸汽流量。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，在仅为过热蒸汽的情况下确定从工质向构件的壁内热传导的热传导系数作为蒸汽流量的函数。

4.按照权利要求2所述的方法，其中，在存在凝结的情况下根据凝结分量确定从工质向构件的壁内热传导的热传导系数。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，每一层的热导率随温度的关系通过二阶多项式来近似。

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