CN103233787B - 节流调节型汽轮机转子热应力预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，步骤为：第一步、识别汽轮机当前状态；第二步、制定汽轮机功率和关键蒸汽参数变化曲线；第三步、制定汽轮机热应力监测部位蒸汽参数变化曲线；第四步、制定汽轮机转子外表面温度变化曲线；第五步、制定汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线；第六步、制定汽轮机转子温差或热应力变化曲线；第七步：验证各个关键参数变化曲线并显示输出。本发明的优点是：可利用现有的汽轮机转子热应力实时监控系统，对热应力预估的精度进行验证，可根据要求，动态学习和调整有关系数和常数，提高热应力的预估精度。

Description

节流调节型汽轮机转子热应力预估方法

技术领域

本发明涉及一种用于节流调节型汽轮机功率变动前对转子的热应力变化趋势进行预估的方法，应用于节流调节型汽轮机转子安全性的控制，属于汽轮机的技术领域。

背景技术

汽轮机在启动、停机、功率变动时，转子的表面的蒸汽温度变化剧烈，由于热阻的存在，转子内部的温度变化相对较慢，转子的外表面和转子体积平均温度之间的温差较大。转子的外表面和转子体积平均温度之间的温差越大，外表面的热应力就越大，转子的寿命损耗也越大。如果把转子的外表面和转子体积平均温度之间的温差控制到一定范围内，就把外表面的热应力控制到一定的程度内，就可以减少对转子的寿命损耗。在电网调度和电厂进行功率调节前，需要结合汽轮机的调峰能力、运行特性和热应力特性，预先制定出合理的运行方式和运行参数，特别是功率、主蒸汽温度、主蒸汽压力、再热蒸汽温度、再热蒸汽压力等的变化曲线，用以指导运行操作人员合理操作预防失误。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，可根据预定的功率要求和运行方式，针对预估的关键参数等的变化曲线计算出预估的热应力变化曲线，用以提示运行操作人员预知操作后果，提前改变运行参数，提高运行水平。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，步骤为：

第一步、识别汽轮机当前状态：

根据采集到的当前及前一时间段内的汽轮机的关键参数，识别出当前汽轮机的状态；

第二步、制定汽轮机功率和关键蒸汽参数变化曲线：

运行操作人员根据电网调度的要求制定出预估的汽轮机功率、汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的变化曲线；

第三步、制定汽轮机热应力监测部位蒸汽参数变化曲线：

根据预估的汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的变化曲线，计算出汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽参数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线；

第四步、制定汽轮机转子外表面温度变化曲线：

根据预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线，计算出汽轮机转子热应力监测部位蒸汽对转子外表面的传热系数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度变化曲线；

第五步、制定汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线：

采用惯性环节法，计算出汽轮机转子的温度场分布，绘制出预估的汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线；

第六步、制定汽轮机转子温差或热应力变化曲线：

根据预估的汽轮机转子体积平均温度、内表面温度、外表面温度的变化曲线，计算出汽轮机转子温差或热应力，绘制出预估的汽轮机转子温差或热应力的变化曲线；

第七步：验证各个关键参数变化曲线并显示输出：

将预估的汽轮机转子温差或热应力变化曲线与汽轮机寿命损耗相关准则的温差裕度值和热应力允许值进行比较，验证是否超限，对超限区段进行报警提示，若某些区段温差裕度偏大和热应力水平比较低，也可提示运行操作人员适当调整进行优化。

优选地，第一步中所述汽轮机的关键参数为汽轮机转子监测部位外表面温度、汽轮机转子监测部位体积平均温度、汽轮机转子监测部位内表面或中心的温度、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、凝汽器压力、汽轮机转速、发电机功率。

优选地，第一步中所述汽轮机的状态是指停运、启动、稳定运行、功率增大、功率变小、或停机中的一种。

优选地，第五步所述的惯性环节法采用n个并列的惯性环节，k₁+k₂+......+k_n＝1，k₁为第1个惯性环节的权重系数，k₂为第2个惯性环节的权重系数，k_n为第n个惯性环节的权重系数，则第i个惯性环节采用的迭代计算公式为：

其中，y_i为第i个惯性环节的响应，x_i为第i个惯性环节的激励，y_i-1为第i-1个惯性环节的响应，τ_a为计算时间步长，T为惯性环节的时间常数。

本发明使用以上给定的方法，根据运行操作人员制定的汽轮机功率和关键蒸汽参数的变化曲线，基于节流调节型汽轮机的相关热力参数变化规律，预估出汽轮机转子的热应力变化曲线，指导运行操作人员预知性合理安全地运行汽轮机。

本发明的优点是：可利用现有的汽轮机转子热应力实时监控系统，对热应力预估的精度进行验证，可根据要求，动态学习和调整有关系数和常数，提高热应力的预估精度。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为节流调节型汽轮机转子热应力预估方法的流程图；

图3为主蒸汽流量与功率关系曲线图；

图4为滑压运行工况主蒸汽压力与主蒸汽流量关系曲线图；

图5为滑压运行工况主蒸汽温度与主蒸汽流量关系曲线图；

图6为滑压运行工况高压缸第一级后压力与主蒸汽流量关系曲线图；

图7为滑压运行工况高压缸第一级后温度与主蒸汽流量关系曲线图；

图8为转子体积平均温度惯性环节计算结构图；

图9为预设的功率随时间变化曲线；

图10为预估的主蒸汽流量随时间变化曲线；

图11为预估的主蒸汽压力随时间变化曲线；

图12为预估的主蒸汽温度随时间变化曲线；

图13为预估的监测部位蒸汽压力随时间变化曲线；

图14为预估的监测部位蒸汽温度随时间变化曲线；

图15为预估的监测部位转子温度随时间变化曲线；

图16为预估的监测部位转子温差随时间变化曲线；

图17为预估的监测部位转子热应力随时间变化曲线。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1及图2，本发明提供的一种用于节流调节型汽轮机转子热应力预估的方法，其步骤为：

第一步、识别汽轮机当前状态：

根据采集到的当前及前1小时的汽轮机的关键参数，如：汽轮机转子监测部位外表面温度、汽轮机转子监测部位体积平均温度、汽轮机转子监测部位内表面(或中心)温度、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、凝汽器压力、汽轮机转速、发电机功率等参数，识别出当前汽轮机的状态是处在停运、启动、稳定运行、功率增大、功率变小、停机中的那一种；

第二步、制定汽轮机功率和关键蒸汽参数变化曲线：

运行操作人员根据电网调度的要求制定出预设定的汽轮机功率、汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度等变化曲线；

通常可利用热力特性数据和曲线完成有关计算；对功率随时间变化的曲线上的每个功率，可根据主蒸汽流量与功率关系曲线图计算出主蒸汽流量，得到主蒸汽流量随时间变化的曲线；对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据主蒸汽压力与主蒸汽流量关系曲线图计算出主蒸汽压力，得到主蒸汽压力随时间变化的曲线；采用同样的方式，可得到主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度等变化曲线；

热力特性数据和曲线可以采用汽轮机制造厂提供的设计数据和曲线，也可以根据电站积累的汽轮机运行数据和试验数据，整理出对应的主蒸汽流量与功率关系曲线图、主蒸汽压力与主蒸汽流量关系曲线图、主蒸汽温度与主蒸汽流量关系曲线图、再热蒸汽温度与主蒸汽流量关系曲线图等；相对而言，采用汽轮机运行数据和试验数据，更能符合实际，精度更高。

第三步、制定汽轮机热应力监测部位蒸汽参数变化曲线：

根据预估的汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度等变化曲线，可采用现有技术(热力特性数据法、变工况计算法)计算出汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽参数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线；

可利用热力特性数据和曲线完成有关计算；对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据高压缸第一级后压力与主蒸汽流量关系曲线图计算出高压缸第一级后压力，得到高压缸第一级后压力随时间变化的曲线；采用同样的方式，可得到高压缸第一级后温度变化曲线；

热力特性数据和曲线可利用汽轮机制造厂提供的热力特性数据和曲线，也可以根据积累的汽轮机运行数据和试验数据，整理出对应的高压缸第一级后压力与主蒸汽流量关系曲线图、高压缸第一级后温度与主蒸汽流量关系曲线图等。

第四步、制定汽轮机转子外表面温度变化曲线：

根据预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线，计算出汽轮机转子热应力监测部位蒸汽对转子外表面的传热系数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度变化曲线；

根据积累的汽轮机运行数据和试验数据，拟合出转子外表面的传热系数与蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度等参数的函数关系，用以计算汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度。

第五步、制定汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线：

采用惯性环节法，计算出汽轮机转子的温度场分布，绘制出预估的汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线；

惯性环节法采用n个并列的惯性环节，k₁+k₂+......+k_n＝1，k₁为第1个惯性环节的权重系数，k₂为第2个惯性环节的权重系数，k_n为第n个惯性环节的权重系数，则第i个惯性环节采用的迭代计算公式为：

其中，y_i为第i个惯性环节的响应，x_i为第i个惯性环节的激励，y_i-1为第i-1个惯性环节的响应，τ_a为计算时间步长，T为惯性环节的时间常数。

第六步、制定汽轮机转子温差或热应力变化曲线：

根据预估的汽轮机转子体积平均温度、内表面温度、外表面温度变化曲线，计算出汽轮机转子温差或热应力，绘制出预估的汽轮机转子温差或热应力变化曲线。

第七步、验证各个关键参数变化曲线并显示输出：

将预估的汽轮机转子温差或热应力变化曲线与汽轮机寿命损耗相关准则的温差裕度值和热应力允许值进行比较，验证是否超限，对超限区段进行报警提示。如某些区段温差裕度偏大和热应力水平比较低，也可提示运行操作人员适当调整进行优化。

某型号650MW节流调节型汽轮机，主蒸汽压力25MPa，主蒸汽温度600℃，再热蒸汽温度600℃。采用图3～图7所示的汽轮机特性曲线、图8所示惯性环节法(在图中，k1、k2、k3、E2、E3为常数，PT1为惯性环节)和图2所示方法，针对图9所示的预设的汽轮机功率变化曲线，绘制出图17所示预估的汽轮机转子热应力变化曲线。对于汽轮机转子的热应力优化控制和汽轮机变负荷运行的安全性提供了技术保障。

第一步、根据采集到的当前及前1小时的汽轮机的关键参数，尤其是功率曲线，识别出当前汽轮机的状态是处在稳定运行状态。

第二步、运行操作人员根据电网调度的要求制定出图9所示的预设的汽轮机功率变化曲线。

利用热力特性数据和曲线如图3，对功率随时间变化的曲线上的每个功率，可根据主蒸汽流量与功率关系曲线图计算出主蒸汽流量，得到主蒸汽流量随时间变化的曲线如图10。

利用热力特性数据和曲线如图4，对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据主蒸汽压力与主蒸汽流量关系曲线图计算出主蒸汽压力，得到主蒸汽压力随时间变化的曲线如图11。

利用热力特性数据和曲线如图5，对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据主蒸汽温度与主蒸汽流量关系曲线图计算出主蒸汽压力，得到主蒸汽温度随时间变化的曲线如图12。

采用同样的方式，可得到再热蒸汽压力、再热蒸汽温度等变化曲线。

第三步、根据预估的汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度等变化曲线，制定汽轮机热应力监测部位蒸汽参数变化曲线；

利用汽轮机热力特性数据和曲线图6，对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据高压缸第一级后压力与主蒸汽流量关系曲线图计算出高压缸第一级后压力，得到高压缸第一级后压力随时间变化的曲线如图13；

利用汽轮机热力特性数据和曲线图7，对于主蒸汽流量随时间变化的曲线上的每个主蒸汽流量，可根据高压缸第一级后温度与主蒸汽流量关系曲线图计算出高压缸第一级后温度，得到高压缸第一级后温度随时间变化的曲线如图14。

第四步、制定汽轮机转子外表面温度变化曲线：

根据预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线，采用经验公式计算出汽轮机转子热应力监测部位蒸汽对转子外表面的传热系数，由于传热系数足够大，可以认为汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度等于该部位蒸汽温度，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度变化曲线如图15。

第五步、制定汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线：

采用惯性环节法，计算出汽轮机转子的温度场分布，绘制出预估的汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线如图15；

采用图8所示的惯性环节法，采用了3个并列的惯性环节，其中第一惯性环节的权重系数为k1、第二惯性环节的权重系数为k2、第三惯性环节的权重系数为k3，3个惯性环节的权重系数之和等于1。

第六步、制定汽轮机转子温差或热应力变化曲线：

根据预估的汽轮机转子体积平均温度、内表面温度、外表面温度变化曲线，计算出汽轮机转子温差或热应力，绘制出预估的汽轮机转子温差变化曲线如图16，预估的热应力变化曲线如图17。

第七步、验证各个关键参数变化曲线并显示输出：

将预估的汽轮机转子温差或热应力变化曲线与汽轮机寿命损耗相关准则的温差裕度值和热应力允许值进行比较，验证是否超限，对超限区段进行报警提示。如某些区段温差裕度偏大和热应力水平比较低，也可提示运行操作人员适当调整进行优化。

Claims (4)

1.一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，步骤为：

第一步、识别汽轮机当前状态：

根据采集到的当前及前一时间段内的汽轮机的关键参数，识别出当前汽轮机的状态；

第二步、制定汽轮机功率和关键蒸汽参数变化曲线：

运行操作人员根据电网调度的要求制定出预估的汽轮机功率、汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的变化曲线；

第三步、制定汽轮机转子热应力监测部位蒸汽参数变化曲线：

根据预估的汽轮机流量、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度的变化曲线，计算出汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽参数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线；

第四步、制定汽轮机转子外表面温度变化曲线：

根据预估的汽轮机转子热应力监测部位的蒸汽流量、蒸汽压力、蒸汽温度的变化曲线，计算出汽轮机转子热应力监测部位蒸汽对转子外表面的传热系数，绘制出预估的汽轮机转子热应力监测部位转子外表面温度变化曲线；

第五步、制定汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线：

采用惯性环节法，计算出汽轮机转子的温度场分布，绘制出预估的汽轮机转子体积平均温度和内表面温度变化曲线；

第六步、制定汽轮机转子温差或热应力变化曲线：

根据预估的汽轮机转子体积平均温度、内表面温度、外表面温度的变化曲线，计算出汽轮机转子温差或热应力，绘制出预估的汽轮机转子温差或热应力的变化曲线；

第七步：验证各个关键参数变化曲线并显示输出：

将预估的汽轮机转子温差或热应力变化曲线与汽轮机寿命损耗相关准则的温差裕度值和热应力允许值进行比较，验证是否超限，对超限区段进行报警提示，若某些区段温差裕度偏大和热应力水平比较低，提示运行操作人员适当调整进行优化。

2.如权利要求1所述的一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，第一步中所述汽轮机的关键参数为汽轮机转子监测部位外表面温度、汽轮机转子监测部位体积平均温度、汽轮机转子监测部位内表面或中心的温度、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、凝汽器压力、汽轮机转速、发电机功率。

3.如权利要求1所述的一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，第一步中所述汽轮机的状态是指停运、启动、稳定运行、功率增大、功率变小或停机中的一种。

4.如权利要求1所述的一种节流调节型汽轮机转子热应力预估方法，其特征在于，第五步所述的惯性环节法采用n个并列的惯性环节，k₁+k₂+......+k_n＝1，k₁为第1个惯性环节的权重系数，k₂为第2个惯性环节的权重系数，k_n为第n个惯性环节的权重系数，则第i个惯性环节采用的迭代计算公式为：

其中，y_i为第i个惯性环节的响应，x_i为第i个惯性环节的激励，y_i-1为第i-1个惯性环节的响应，τ_a为计算时间步长，T为惯性环节的时间常数。