CN101832542B - 炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置及方法。所述装置包括瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器，瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器通过厂级监控信息装置与电站锅炉分散控制装置连接。所述方法为读取电站锅炉在线测点数据：计算电站锅炉炉外承压部件的热应力和机械应力；计算电站锅炉炉外承压部件的应力强度；计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳应变幅；计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳寿命；确定电站锅炉炉外承压部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗；确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值；控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗。本发明实现了电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。

Description

炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置及方法，属于电站锅炉技术领域。

背景技术

电站锅炉的汽包或汽水分离器、集箱、汽水管道、减温器等炉外承压部件的结构特点是圆筒形状，承受的工作压力高、尺寸大，造价昂贵。在电站锅炉的启动、停炉和负荷变动过程中，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，若控制不当，将会缩短电站锅炉炉外承压部件的使用寿命。现有技术，还不能实现电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监控。

发明内容

本发明的目的是提供一种电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置及方法，实现电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监控。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置，其特征在于，包括瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器，瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器通过厂级监控信息装置(SIS)与电站锅炉分散控制装置(DCS)连接。

本发明还提供了一种炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控方法，采用炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置，所述的炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置包括瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器，瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器通过厂级监控信息装置与电站锅炉分散控制装置连接，其特征在于，采用C语言编写电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器上，应用于电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控，具体步骤为：

第一步：读取电站锅炉在线测点数据：

瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器每隔Δτ＝1秒钟至300秒钟，从厂级监控信息装置读取来自电站锅炉分散控制装置的电站锅炉汽水系统的工质的压力和温度，以及炉外承压部件的壁温的数据；

第二步：计算电站锅炉炉外承压部件的热应力和由工质压力引起的机械应力：

针对电站锅炉汽水系统的工质的压力和温度，以及炉外承压部件的壁温的数据变化，采用现有技术中的厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件的内外壁温差，以及炉外承压部件的切向热应力σ_θth、径向热应力σ_rth和轴向热应力σ_zth，针对电站锅炉汽水系统工质压力和炉外承压部件壁温的数据变化，采用现有技术中的的厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件由工质压力引起的切向机械应力σ_θp、径向机械应力σ_rp和轴向机械应力σ_zp；

第三步：计算电站锅炉炉外承压部件的应力强度的监视值：

炉外承压部件的应力强度的监视值的计算公式为：

S＝max{|(σ_θth+σ_θp)-(σ_rth+σ_rp)|；|(σ_rth+σ_rp)-(σ_zth+σ_zp)|；|(σ_zth+σ_zp)-(σ_θth+σ_θp)|}；

第四步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

${\mathrm{\ϵ}}_a=\frac{{\mathrm{SE}}_0}{2E_t}$

式中，E_t为工作壁温下炉外承压部件材料的弹性模量，E₀为炉外承压部件材料的低周疲劳曲线试验温度下的弹性模量；

第五步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用电站锅炉炉外承压部件材料的低周疲劳曲线ε_a＝F(N_f)，每隔Δτ计算1次，得出电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳寿命N_f；

第六步：计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗d(t)：

d(t)＝(2N_f)^-1×100％；

第七步：确定电站锅炉炉外承压部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外n个承压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}；

第八步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：

若为调峰电站锅炉，[d]＝0.030％；若为带基本负荷电站锅炉，[d]＝0.020％；

第九步：通过电站锅炉分散控制装置来控制装置控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：

若d_m≤0.005％，按电站锅炉运行规程的规定数值改变电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小电站锅炉炉外承压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]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以进一步降低电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若[d]≤d_m＜2[d]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机；若d_m≥2[d]，立即停机。

本发明具有以下特点：

(1)在计算服务器上安装使用C语言编写的电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗监视值的计算机软件，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)中读取在线监视的电站锅炉的在线测点数据，在线实时计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗的监视值；

(2)厂级监控信息装置(SIS装置)在炉外承压部件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提供电站锅炉的在线测点数据，二是把电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗控制措施传输给电站锅炉的分散控制装置(DCS)，用来指导电站锅炉的运行和控制。

本发明的优点是提供了电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监控装置，实现了电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。如果电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗偏大时，通过在线实时控制电站锅炉的负荷变化率来减少电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，达到了通过在线监控电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗来保障电站锅炉炉外承压部件长周期安全运行的技术效果。

附图说明

图1为本发明炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置的方框图；

图2为本发明炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控方法的流程图；

图3为本发明计算服务器采用的计算机软件框图；

图4为炉外承压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，为本发明炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置的方框图，所述炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置，由瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器及运行于其上的计算机软件、厂级监控信息装置以及电站锅炉分散控制装置组成。瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器通过厂级监控信息装置与电站锅炉分散控制装置连接。

如图2所示，为本发明炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控方法的流程图，如图3所示，为本发明计算服务器采用的计算机软件框图，该软件安装在电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算服务器上，应用于电站锅炉炉外承压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300MW电站锅炉，对炉外承压部件，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所示的炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗计算结果的示意图。

第一步：读取电站锅炉在线测点数据：

瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器每隔Δτ＝60秒钟，从厂级监控信息装置读取来自电站锅炉的分散控制装置的电站锅炉汽水系统工质的压力和温度，炉外承压部件的壁温的数据；

第二步：计算电站锅炉炉外承压部件的热应力和由工质压力引起的机械应力：

针对汽水系统的工质的压力和温度，以及炉外承压部件的壁温的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件的内外壁温差，以及炉外承压部件切向热应力σ_θth、径向热应力σ_rth和轴向热应力σ_zth，针对电站锅炉汽水系统工质压力和炉外承压部件壁温的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件由工质压力引起的切向机械应力σ_θp、径向机械应力σ_rp和轴向机械应力σ_zp；

第三步：计算电站锅炉炉外承压部件的应力强度

炉外承压部件的应力强度的监视值的计算公式为：

S＝max{|(σ_θth+σ_θp)-(σ_rth+σ_rp)|；|(σ_rth+σ_rp)-(σ_zth+σ_zp)|；|(σ_zth+σ_zp)-(σ_θth+σ_θp)|}

第四步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

${\mathrm{\ϵ}}_a=\frac{{\mathrm{SE}}_0}{2E_t}$

式中，E_t为工作壁温下炉外承压部件材料的弹性模量，E₀为炉外承压部件材料的低周疲劳曲线试验温度下弹性模量；

第五步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用电站锅炉炉外承压部件材料的低周疲劳曲线ε_a＝F(N_f)，每隔Δτ计算1次，得出电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳寿命N_f；

第六步：计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗d(t)：

d(t)＝(2N_f)^-1×100％；

计算得出的该型号300MW电站锅炉在负荷变动的升负荷过程中，负荷从270MW下降至250MW时，电站锅炉4个炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗的计算结果如下：

a.锅炉汽包的瞬态低周疲劳寿命损耗d₁＝0.0087％

b.末级过热器出口集箱的瞬态低周疲劳寿命损耗d₂＝0.0078％

c.末级再热器出口集箱的瞬态低周疲劳寿命损耗d₃＝0.0072％

d.冷再热蒸汽管道的瞬态低周疲劳寿命损耗d₄＝0.0041％

第七步：确定电站锅炉炉外承压部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉4个炉外承压部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗R_m：

d_m＝max{d₁，d₂，d₃，d₄}；

在该型号电站锅炉4个炉外承压部件的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＝0.0087％；

第八步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：

若为调峰电站锅炉，[d]＝0.030％；若为带基本负荷电站锅炉，[d]＝0.020％；该型号300MW电站锅炉带基本负荷，取瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值为[d]＝0.020％

第九步：控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗

若d_m≤0.005％，按电站锅炉运行规程的规定数值改变电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小电站锅炉炉外承压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]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以进一步降低电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若[d]≤d_m＜2[d]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机；若d_m≥2[d]，立即停机。

在该型号电站锅炉4个炉外承压部件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％，该型号300MW电站锅炉的瞬态低周疲劳寿命损耗控制措施为：减小电站锅炉的负荷变化率，减小幅度为原数值的0.4倍，以减小该型号电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗。

采用本发明提供的电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的在线监控装置，实现了在线定量计算该型号300MW电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗的监视值，根据最大瞬态低周疲劳寿命损耗来控制该型号300MW电站锅炉在启动、停机和负荷变动过程的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，使该型号电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗处于受控状态，达到了采用瞬态低周疲劳寿命损耗控制装置来监视与控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗、指导运行操作以及保障炉外承压部件长周期安全运行的技术效果。

Claims (1)

1.一种炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控方法，采用炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置，所述的炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控装置包括瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器，瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器通过厂级监控信息装置与电站锅炉分散控制装置连接，其特征在于，采用C语言编写电站锅炉炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器上，应用于电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗在线监控，具体步骤为：

第一步：读取电站锅炉在线测点数据：

瞬态低周疲劳寿命损耗计算服务器每隔Δτ＝1秒钟至300秒钟，从厂级监控信息装置读取来自电站锅炉分散控制装置的电站锅炉汽水系统的工质的压力和温度，以及炉外承压部件的壁温的数据；

第二步：计算电站锅炉炉外承压部件的热应力和由工质压力引起的机械应力：

针对电站锅炉汽水系统的工质的压力和温度，以及炉外承压部件的壁温的数据变化，采用厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件的内外壁温差，以及炉外承压部件的切向热应力σ_θth、径向热应力σ_rth和轴向热应力σ_zth；针对电站锅炉汽水系统工质压力和炉外承压部件壁温的数据变化，采用厚壁圆筒模型，在线计算电站锅炉炉外承压部件由工质压力引起的切向机械应力σ_θp、径向机械应力σ_rp和轴向机械应力σ_zp；

第三步：计算电站锅炉炉外承压部件的应力强度的监视值：

炉外承压部件的应力强度的监视值的计算公式为：

S＝max{|(σ_θth+σ_θp)-(σ_rth+σ_rp)|；|(σ_rth+σ_rp)-(σ_zth+σ_zp)|；|(σ_zth+σ_zp)-(σ_θth+σ_θp)|}；

第四步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳应变幅ε_a：

${\mathrm{\ϵ}}_a=\frac{{\mathrm{SE}}_0}{{2E}_t}$

式中，E_t为工作壁温下炉外承压部件材料的弹性模量，E₀为炉外承压部件材料的低周疲劳曲线试验温度下的弹性模量；

第五步：计算电站锅炉炉外承压部件的低周疲劳寿命：

使用电站锅炉炉外承压部件材料的低周疲劳曲线ε_a＝F(N_f)，每隔Δτ计算1次，得出电站锅炉炉外承压部件对称循环的低周疲劳寿命N_f；

第六步：计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗d(t)：

d(t)＝(2N_f)^-1×100％；

第七步：确定电站锅炉炉外承压部件的最大瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，计算电站锅炉炉外n个承压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}；

第八步：确定瞬态低周疲劳寿命损耗的界限值[d]：

若为调峰电站锅炉，[d]＝0.030％；若为带基本负荷电站锅炉，[d]＝0.020％；

第九步：通过电站锅炉分散控制装置来控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗：

若d_m≤0.005％，按电站锅炉运行规程的规定数值改变电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，并返回第一步；若0.005％＜d_m＜0.010％，减小电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小电站锅炉炉外承压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]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以进一步降低电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并返回第一步；若[d]≤d_m＜2[d]，控制电站锅炉的负荷变化率和主蒸汽温度的变化率为0，以控制电站锅炉炉外承压部件的瞬态低周疲劳寿命损耗，并发出报警，一分钟后停机；若d_m≥2[d]，立即停机。

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