CN101763092A - 汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，包括剩余寿命计算服务器，剩余寿命计算服务器通过厂级监控信息装置与汽轮发电机分散控制装置连接。本发明还提供了采用上述装置的汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算机软件，运行在剩余寿命计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的剩余寿命在线监视与控制。本发明的优点是实现了汽轮发电机转子护环剩余寿命的在线计算与控制。

Description

汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置及方法

技术领域

本发明涉及汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置及方法，属于汽轮发电机技术领域。

背景技术

汽轮发电机的转子护环是汽轮发电机中承受应力最大的部件，转子护环易产生低周疲劳裂纹，是影响汽轮发电机的安全运行的关键部件。在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，汽轮发电机转子端部绕组热量的变化将引起转子护环沿径向温度分布不均匀而产生比较大的热应力。汽轮发电机三相不对称运行时产生负序电流，负序电流流经转子护环，引起转子护环沿径向温度分布不均匀导致热应力增大。使用操作不当，将会缩短汽轮发电机转子护环的使用寿命。现有技术，还不能实现汽轮发电机转子护环的剩余寿命的在线监视与控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置及方法，实现汽轮发电机转子护环的剩余寿命的在线监视与控制。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，包括剩余寿命计算服务器，剩余寿命计算服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮发电机分散控制装置(DCS)连接。

本发明还提供了采用上述装置的汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算机软件，运行在剩余寿命计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的剩余寿命在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步：读取汽轮发电机在线测点数据：

剩余寿命计算服务器每隔Δτ＝1秒钟至300秒钟，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机分散控制装置的汽轮发电机的转速、有功、无功、A相电流、B相电流、C相电流、A相电压、B相电压、C相电压、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度以及热氢温度的数据；

第二步：计算汽轮发电机转子护环的热应力：

针对转速、有功、无功、A相电流、B相电流、C相电流、A相电压、B相电压、C相电压、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度和热氢温度的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环的温度场以及转子护环不同半径处的切向热应力σ_θth、径向热应力σ_rth和轴向热应力σ_zth；

第三步：计算汽轮发电机转子护环的等效应力：

采用现有技术，采用旋转厚壁圆筒模型在线计算发电机转子护环的切向离心应力σ_θω、径向离心应力σ_rω和轴向离心应力σ_zω，采用承受内压厚壁圆筒模型在线计算发电机转子护环由过盈产生的切向应力σ_θp、径向应力σ_rp和轴向应力σ_zp，汽轮发电机转子护环不同半径处的等效应力的在线计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}={\left[\frac{{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\σ}}_r)}^2+{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_z)}^2+{({\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2}{2}\right]}^{\frac{1}{2}}$

式中：

σ_θ＝σ_θth+σ_θω+σ_θp

σ_r＝σ_rth+σ_rω+σ_rp

σ_z＝σ_zth+σ_zω+σ_zp

σ_θth——转子护环的切向热应力；

σ_θω——转子护环的切向离心应力；

σ_θp——转子护环由过盈配合产生的切向应力；

σ_rth——转子护环的径向热应力；

σ_rω——转子护环的径向离心应力；

σ_rp——转子护环由过盈配合产生的径向应力；

σ_zth——转子护环的轴向热应力；

σ_zω——转子护环的轴向离心应力；

σ_zp——转子护环由过盈配合产生的轴向应力；

第四步：计算汽轮发电机转子护环的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环对称循环的低周疲劳应变幅εa：

ε_a＝(1+μ)σ_eq/(1.5E)

式中，μ为工作温度下转子护环材料的泊松比，E为工作温度下转子护环材料的弹性模量；

第五步：计算汽轮发电机转子护环的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用汽轮发电机转子护环材料的低周疲劳曲线ε_a＝F(N_f)，每隔

Δτ计算1次，得出汽轮发电机转子护环对称循环的低周疲劳寿命N_f；

第六步：计算汽轮发电机转子护环的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环的瞬态低周疲劳寿命损耗d(t)：

d(t)＝(2N_f)^-1×100％；

第七步：确定峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗：

采用现有技术，判断转子护环的等效应力是否为处于启动、停机和负荷变动过程的峰值应力，若等效应力是峰值应力，汽轮发电机转子护环峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_p＝d(t)；若等效应力不是峰值应力，汽轮发电机转子护环峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_p＝0；

第八步：计算转子护环累积低周疲劳寿命损耗：

汽轮发电机转子护环累积低周疲劳寿命E_N的计算公式如下：

E_N＝E_N0+d_p

式中，E_N0为上一次读取数计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；

第九步：计算转子护环剩余寿命百分数：

汽轮发电机转子护环剩余寿命百分数E_R的计算公式如下：

E_R＝100-E_N；

第十步：计算转子护环年均寿命损耗速率：

汽轮发电机转子护环年均寿命损耗速率e的计算公式表示为：

e＝1/y×100％

式中，y为汽轮发电机转子护环的设计寿命，单位为年；

第十一步：计算转子护环剩余日历寿命：

汽轮发电机转子护环的剩余日历寿命R_L的计算公式如下：

R_L＝E_R/e

第十二步：计算转子护环已使用年数：

采用现有技术，计算得出汽轮发电机从投产至当前时刻的在使用的日历小时数PH，汽轮发电机已使用年数y₀的计算公式表示为：

y₀＝PH/8760；

第十三步：计算转子护环可使用寿命：

汽轮发电机转子护环可使用寿命L_a的计算公式如下：

L_a＝y₀+R_L；

第十四步：计算转子护环剩余寿命安全余量：

汽轮发电机转子护环剩余寿命安全余量是L_s的计算公式如下：

L_s＝L_a-y；

第十五步：确定转子护环最小剩余寿命安全余量：

在汽轮发电机转子护环的n个部位的剩余寿命安全余量确定之后，汽轮发电机转子护环的最小剩余寿命安全余量L_m的计算公式如下：

L_m＝min{L₁，L₂，...，L_i，...，L_n}；

第十六步：控制转子护环剩余寿命：

根据汽轮发电机转子护环的最小剩余寿命安全余量L_m的在线计算结果，控制汽轮发电机转子护环剩余寿命的措施为：若L_m≤-5年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.4～0.6倍，以延长汽轮发电机转子护环的使用寿命；若-5年＜L_m≤0年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.1～0.3倍，以延长汽轮发电机转子护环的使用寿命；若0年＜L_m≤5年，在汽轮发电机的启动、停机和和负荷变动过程中，汽轮发电机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮发电机运行规程》的规定值操作；若5年＜L_m≤10年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，增加汽轮发电机负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.1～0.3倍，以适应电网的负荷变化要求，提高汽轮发电机的运行经济性；若L_m＞10年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，增加汽轮发电机负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.4～0.6倍，以适应电网的负荷快速变化要求，提高汽轮发电机的运行经济性。

本发明具有以下特点：

(1)在计算服务器上安装使用C语言编写的汽轮发电机转子护环剩余寿命监视值的专用计算机软件，根据软件设定的时间间隔Δτ＝1秒钟至300秒钟，从厂级监控信息装置(SIS)中读取在线监视的汽轮发电机的在线测点数据，在线实时计算汽轮发电机转子护环的剩余寿命的监视值；

(2)厂级监控信息装置(SIS装置)在剩余寿命控制方面具有两种功能，一是为剩余寿命监视和控制装置提供汽轮发电机的在线测点数据，二是把汽轮发电机转子护环剩余寿命控制措施传输给汽轮发电机的分散控制装置(DCS)，用来指导汽轮发电机的运行和操作。

本发明的优点是提供了汽轮发电机转子护环剩余寿命的在线监视与控制装置，实现了汽轮发电机转子护环剩余寿命的在线计算与控制。如果汽轮发电机转子护环的剩余寿命安全余量偏大或偏小时，通过在线实时控制汽轮发电机的负荷变化率来合理使用汽轮发电机转子护环的剩余寿命，达到了通过在线监视与控制汽轮发电机转子护环的剩余寿命来保障汽轮发电机转子护环安全经济运行的技术效果。

附图说明

图1为本发明汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置的方框图；

图2为本发明汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制方法的流程图；

图3为本发明计算服务器采用的计算机软件框图；

图4为汽轮发电机转子护环剩余寿命计算结果的示意图；

图5为汽轮发电机转子护环剩余寿命安全余量计算结果的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，本发明汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置的方框图，本发明的汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置，由汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算服务器及计算机软件组成，剩余寿命计算服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮发电机的分散控制装置(DCS)连接。

如图2所示，本发明汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制方法的流程图，如图3所示，本发明计算服务器采用的汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算机软件框图，该软件安装在汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环剩余寿命的在线计算与控制。

对于某型号300MW汽轮发电机，对转子护环，采用图1所示的装置、图2所示的流程图和图3所示的计算机软件，得出图4和图5所示的汽轮发电机转子护环剩余寿命计算结果的示意图。

第一步：读取汽轮发电机在线测点数据

数据库服务器每隔Δτ＝60秒钟，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机的分散控制装置的汽轮发电机的转速、有功、无功、A相电流、B相电流、C相电流、A相电压、B相电压、C相电压、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度、热氢温度的数据；

第二步、第三步、第四步、第五步、第六步、第七步和第八步：从投产至2008年10月25日，该型号300MW汽轮发电机转子护环6个部位的累积低周疲劳寿命损耗E_N的计算结果列于表1；

第九步：从投产至2008年10月25日，该型号300MW汽轮发电机转子护环的6个部位的剩余寿命百分数E_R的计算结果列于表1；

第十步和第十一步：该型号300MW汽轮发电机转子护环的设计寿命为y＝30年，e＝1/30＝3.3333％，转子护环的6个部位的剩余日历寿命R_L的计算结果列于表1并显示在图4；

第十二步：从投产到2008年10月25日，该型号300MW汽轮发电机在使用的日历小时数PH＝118272h，已使用年数为y₀＝PH/8760＝13.50年；

第十三步和第十四步：该型号300MW汽轮发电机转子护环的6个部位的可使用寿命L_a和剩余寿命安全余量L_s的计算结果列于表1，转子护环的6个部位的剩余寿命的安全余量显示在图5；

第十五步：在该型号转子护环的6个部位的剩余寿命安全余量的计算结果中，最小剩余寿命安全余量L_m＝10.81年；

第十六步：在该型号转子护环内外表面的6个寿命安全余量的计算结果中，由于最小剩余寿命安全余量L_m＞10年，该型号300MW汽轮发电机的剩余寿命的控制措施为：在汽轮发电机的负荷变动过程中，增加汽轮发电机负荷变化率，增加幅度为原数值的0.5倍，以适应电网快速负荷变化要求，提高汽轮发电机的运行经济性。

采用本发明提供的汽轮发电机转子护环剩余寿命的在线监视与控制装置，实现了在线定量计算300MW汽轮发电机转子护环的剩余寿命的监视值，根据剩余寿命安全余量来控制该型号300MW汽轮发电机在启动、停机和负荷变动过程的负荷变化率，使该型号汽轮发电机转子护环的剩余寿命处于受控状态，达到了采用剩余寿命控制装置来监视与控制汽轮发电机转子护环剩余寿命、指导运行操作以及保障汽轮发电机转子护环安全经济运行的技术效果。

[表1]

序号	转子护环的部位名称	累积低周疲劳寿命损耗EN(％)	剩余寿命百分数ER(％)	剩余日历寿命RL(年)	可使用寿命La(年)	剩余寿命安全余量Ls(年)
							1	护环与转子红套部位外表面	8.9251	91.0749	27.32	40.82	10.82
2	护环与转子红套部位内表面	8.9613	91.0387	27.31	40.81	10.81
							3	护环中间部位	5.1172	94.8828	28.47	41.97	11.97
	外表面
							4	护环中间部位内表面	5.5846	94.4154	28.32	41.82	11.82
5	护环与中心环红套部位外表面	6.2062	93.7938	28.14	41.64	11.64
							6	护环与中心环红套部位内表面	6.5843	93.4157	28.02	41.52	11.52

Claims (2)

1.一种汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，包括剩余寿命计算服务器，剩余寿命计算服务器通过厂级监控信息装置与汽轮发电机分散控制装置连接。

2.采用权利要求1所述装置所采用的汽轮发电机转子护环剩余寿命在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环剩余寿命的计算机软件，运行在剩余寿命计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的剩余寿命在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步：读取汽轮发电机在线测点数据：

剩余寿命计算服务器每隔Δτ＝1秒钟至300秒钟，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机分散控制装置的汽轮发电机的转速、有功、无功、A相电流、B相电流、C相电流、A相电压、B相电压、C相电压、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度以及热氢温度的数据；

第二步：计算汽轮发电机转子护环的热应力：

针对转速、有功、无功、A相电流、B相电流、C相电流、A相电压、B相电压、C相电压、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度和热氢温度的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环的温度场以及转子护环不同半径处的切向热应力σ_θth、径向热应力σ_rth和轴向热应力σ_zth；

第三步：计算汽轮发电机转子护环的等效应力：

采用现有技术，采用旋转厚壁圆筒模型在线计算发电机转子护环的切向离心应力σ_θω、径向离心应力σ_rω和轴向离心应力σ_zω，采用承受内压厚壁圆筒模型在线计算发电机转子护环由过盈产生的切向应力σ_θp、径向应力σ_rp和轴向应力σ_zp，汽轮发电机转子护环不同半径处的等效应力的在线计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}={\left[\frac{{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\σ}}_r)}^2+{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_z)}^2+{({\mathrm{\σ}}_z-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2}{2}\right]}^{\frac{1}{2}}$

式中：

σ_θ＝σ_θth+σ_θω+σ_θp

σ_r＝σ_rth+σ_rω+σ_rp

σ_z＝σ_zth+σ_zω+σ_zp

σ_θth——转子护环的切向热应力；

σ_θω——转子护环的切向离心应力；

σ_θp——转子护环由过盈配合产生的切向应力；

σ_rth——转子护环的径向热应力；

σ_rω——转子护环的径向离心应力；

σ_rp——转子护环由过盈配合产生的径向应力；

σ_zth——转子护环的轴向热应力；

σ_zω——转子护环的轴向离心应力；

σ_zp——转子护环由过盈配合产生的轴向应力；

第四步：计算汽轮发电机转子护环的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

ε_a＝(1+μ)σ_eq/(1.5E)

式中，μ为工作温度下转子护环材料的泊松比，E为工作温度下转子护环材料的弹性模量；

第五步：计算汽轮发电机转子护环的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用汽轮发电机转子护环材料的低周疲劳曲线ε_a＝F(N_f)，每隔Δτ计算1次，得出汽轮发电机转子护环对称循环的低周疲劳寿命N_f；

第六步：计算汽轮发电机转子护环的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环的瞬态低周疲劳寿命损耗d(t)：

d(t)＝(2N_f)^-1×100％；

第七步：确定峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗：

采用现有技术，判断转子护环的等效应力是否为处于启动、停机和负荷变动过程的峰值应力，若等效应力是峰值应力，汽轮发电机转子护环峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_p＝d(t)；若等效应力不是峰值应力，汽轮发电机转子护环峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_p＝0；

第八步：计算转子护环累积低周疲劳寿命损耗：

汽轮发电机转子护环累积低周疲劳寿命E_N的计算公式如下：

E_N＝E_N0+d_p

式中，E_N0为上一次读取数计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；

第九步：计算转子护环剩余寿命百分数：

汽轮发电机转子护环剩余寿命百分数E_R的计算公式如下：

E_R＝100-E_N；

第十步：计算转子护环年均寿命损耗速率：

汽轮发电机转子护环年均寿命损耗速率e的计算公式表示为：

e＝1/y×100％

式中，y为汽轮发电机转子护环的设计寿命，单位为年；

第十一步：计算转子护环剩余日历寿命：

汽轮发电机转子护环的剩余日历寿命R_L的计算公式如下：

R_L＝E_R/e

第十二步：计算转子护环已使用年数：

采用现有技术，计算得出汽轮发电机从投产至当前时刻的在使用的日历小时数PH，汽轮发电机已使用年数y₀的计算公式表示为：

y₀＝PH/8760；

第十三步：计算转子护环可使用寿命：

汽轮发电机转子护环可使用寿命L_a的计算公式如下：

L_a＝y₀+R_L；

第十四步：计算转子护环剩余寿命安全余量：

汽轮发电机转子护环剩余寿命安全余量是L_s的计算公式如下：

L_s＝L_a-y；

第十五步：确定转子护环最小剩余寿命安全余量：

在汽轮发电机转子护环的n个部位的剩余寿命安全余量确定之后，汽轮发电机转子护环的最小剩余寿命安全余量L_m的计算公式如下：

L_m＝min{L₁，L₂，...，L_i，...，L_n}；

第十六步：控制转子护环剩余寿命：

根据汽轮发电机转子护环的最小剩余寿命安全余量L_m的在线计算结果，控制汽轮发电机转子护环剩余寿命的措施为：若L_m≤-5年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.4～0.6倍，以延长汽轮发电机转子护环的使用寿命；若-5年＜L_m≤0年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.1～0.3倍，以延长汽轮发电机转子护环的使用寿命；若0年＜L_m≤5年，在汽轮发电机的启动、停机和和负荷变动过程中，汽轮发电机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮发电机运行规程》的规定值操作；若5年＜L_m≤10年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，增加汽轮发电机负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.1～0.3倍，以适应电网的负荷变化要求，提高汽轮发电机的运行经济性；若L_m＞10年，在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，增加汽轮发电机负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.4～0.6倍，以适应电网的负荷快速变化要求，提高汽轮发电机的运行经济性。

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