CN104239682B - 火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法，具体步骤包括：输入高温部件的材料牌号；确定高温部件的使用年数m；确定高温部件的年均运行小时数t；计算高温部件的总运行小时数t₀；计算高温部件的主应力和最大主应变；计算高温部件的等效应力σ_eq；计算高温部件的静水应力σ_h；计算高温部件的多轴蠕变的修正系数A；确定高温部件的蠕变变形的设计监控量；识别高温部件的表面特征部位；高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的优化控制；高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的优化控制；打印输出结果。本发明实现了火力发电机组的高温部件的蠕变变形的定量预测和设计监控。

Description

火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法

技术领域

本发明涉及火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控方法，属于火力发电机组技术领域。

背景技术

以蠕变损坏为主要失效模式的火力发电机组的高温部件有：超高压转子、高压转子、中压转子，超高压内缸、高压内缸、中压内缸，超高压外缸、高压外缸、中压外缸，超高压主汽阀壳、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳，超高压调节阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳，超高压蒸汽室、高压蒸汽室、中压蒸汽室，高温集箱、减温器，主蒸汽管道、再热蒸汽管道、二次再热蒸汽管道等。这些高温部件的尺寸大、造价昂贵，蠕变损坏的后果严重。在火力发电机组的带负荷的稳态运行过程中，在高温下长期运行的高温部件必然导致其蠕变变形逐渐增大。若蠕变变形设计监控不当，会导致火力发电机组高温部件在运行中蠕变损坏，工程上急需火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控方法与系统。申请人已经申请专利《一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统》申请号为200710039899.8，是在使用阶段定量预测汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命；邬文睿在《动力工程》2009年第2期发表的论文“660MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析”、蒋浦宁在《动力工程学报》3013年第1期发表的论文“1000MW超超临界汽轮机高压外缸蠕变强度的分析”和喻超在《动力工程学报》3014年第5期发表的论文“超超临界机组高压内缸蠕变强度分析”，以及公开文献报道的火力发电机组的蠕变强度分析，都是对火力发电机组的高温部件的蠕变强度进行了计算分析，而火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控，还没有合适的方法与系统可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控方法，在设计阶段实现火力发电机组的高温部件的蠕变变形的定量预测与优化改进。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法，其特征在于，采用火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，所述的火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统包括数据服务器、计算服务器、网页服务器和用户端浏览器，数据服务器连接计算服务器，计算服务器连接网页服务器，网页服务器连接用户端浏览器，采用C语言编写火力发电机组高温部件的蠕变变形的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控，具体步骤包括：

第一步、输入高温部件的材料牌号：

输入火力发电机组的高温部件的材料牌号，由材料牌号确定高温部件的物理性能数据，所述的物理性能数据包括材料蠕变试验常数n；

第二步、确定高温部件的使用年数m：

对于火力发电机组的高温部件中的耐用件，使用年数取为m＝30年，对于高温部件中的易损件，使用年数取为m＝15年；所述的高温部件中的耐用件包括转子、汽缸、阀壳、蒸汽室、集箱、主蒸汽管道、再热蒸汽管道和二次再热蒸汽管道，所述高温部件中的易损件包括阀杆、螺栓和锅炉过热器与再热器的管子；

第三步、确定高温部件的年均运行小时数t：

取火力发电机组的高温部件的年均运行小时数t为7000h(根据火力发电机组的可靠性数据的统计结果得到)；

第四步、计算高温部件的总运行小时数t₀：

火力发电机组的高温部件的总运行小时数为年均运行小时数t与使用年数m的乘积，即：

t₀＝t×m

第五步、计算高温部件的主应力和最大主应变：

采用现有技术，计算火力发电机组以稳态额定负荷运行到高温部件的总运行小时数t₀的最大主应力σ₁、中间主应力σ₂和最小主应力σ₃以及最大主应变ε₁；

第六步、计算高温部件的等效应力σ_eq：

火力发电机组的高温部件的等效应力σ_eq按照如下公式计算：

第七步、计算高温部件的静水应力σ_h：

火力发电机组的高温部件的静水应力σ_h按照如下公式计算：

第八步、计算高温部件的多轴蠕变的修正系数A：

火力发电机组的高温部件的多轴蠕变的修正系数A按照如下公式计算：

式中，n为高温部件的材料蠕变试验常数，σ_eq为高温部件的等效应力，σ_h为高温部件的静水应力，以及满足函数

第九步、确定高温部件的蠕变变形的设计监控量：

火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控量取为最大主应变ε₁；

第十步、识别高温部件的表面特征部位：

火力发电机组的高温部件的表面特征部位分为两类：第一类表面特征部位是在高温区没有应力集中部位的光滑表面，第二类表面特征部位是在高温区有应力集中部位的表面；识别火力发电机组的高温部件的表面特征部位，对于高温部件的第一类表面特征部位按照第十一步进行蠕变变形的设计监控，对于高温部件的第二类表面特征部位按照第十二步进行蠕变变形的设计监控；

第十一步、高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，对于火力发电机组的高温部件的第一类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明火力发电机组的高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十二步；

(2)若高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对火力发电机组的高温部件的材料进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料，重新执行第一步至第十一步，直到为止；

第十二步、高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，对于火力发电机组的高温部件的第二类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明火力发电机组的高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十三步；

(2)若高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对火力发电机组的高温部件的表面应力集中部位进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料或增大结构圆角半径，重新执行第一步至第十二步，直到为止。

进一步地，所述第十步的应力集中部位为圆角和尖角中的至少一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控方法与系统，实现了火力发电机组的高温部件的蠕变变形的定量预测和设计监控。如果火力发电机组的高温部件的蠕变变形偏大时，通过高温部件采用高温长时力学性能更好的材料，或在高温部件表面增大结构圆角半径，使火力发电机组的高温部件的蠕变变形处于受控状态，达到了使用高温部件的蠕变变形的设计监控方法和系统来控制火力发电机组的高温部件的蠕变变形的技术效果。

附图说明

图1为本发明所采用的蠕变变形设计监控系统的方框图；

图2为本发明所采用蠕变变形设计监控方法的流程；

图3为本发明蠕变变形在线计算服务器所采用的计算机软件框图；

图4某型号1000MW汽轮机高压转子示意图；

图5为某型号1000MW汽轮机高压转子的蠕变变形计算结果的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为本发明所采用的力发电机组高温部件的蠕变变形的设计监控系统的方框图，所述的火力发电机组高温部件的蠕变变形设计监控系统由蠕变变形在线计算服务器、数据库服务器、网页服务器和用户端浏览器组成，计算服务器与数据库服务器和网页服务器连接，网页服务器与用户端浏览器连接，数据库服务器中贮存力发电机组高温部件的物理性能数据，包括材料蠕变试验常数n等。

如图2所示，为本发明所采用方法的流程图，如图3所示，为本发明蠕变变形计算服务器所采用的计算机软件框图，该软件安装在火力发电机组高温部件的蠕变变形的计算服务器上，应用于火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计控制。

某型号1000MW火力发电机组的汽轮机，高压缸进汽温度为620℃，高压转子的结构如图4所示，光滑表面的部位B1是该高压转子的第一类表面特征部位，有圆角的部位B2是该高压转子的第二类表面特征部位。使用图1所示的系统、图2所示的方法和图3所示的计算机软件，该汽轮机高压转子材料的原设计方案采用10％Cr钢，部位B1和部位B2的蠕变变形的设计监控不合格；优化改进方案的改进措施是该汽轮机高压转子采用高温长时力学性能更好的9％Cr钢，部位B1和部位B2的蠕变变形的设计监控合格。该火力发电机组的汽轮机高压转子的原设计方案与优化改进方案计的蠕变变形的设计监控结果分别列于表1、表2图5。所述的火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法具体为：

第一步、输入汽轮机高压转子的材料牌号：

输入汽轮机高压转子的材料牌号，由材料牌号确定汽轮机高压转子的物理性能数据，所述的物理性能数据包括材料蠕变试验常数n；

第二步、确定汽轮机高压转子的使用年数m：

确定汽轮机高压转子的使用年数m＝30年；

第三步、确定汽轮机高压转子的年均运行小时数t：

确定汽轮机高压转子的年均运行小时数t＝7000h；

第四步、计算汽轮机高压转子的总运行小时数t₀：

计算汽轮机高压转子的总运行小时数t₀＝7000×30＝210000h；该火力发电机组的汽轮机高压转子的原设计方案与优化改进方案的第一步至第四步的结果列于表1；

[表1]

序号	项目	原设计方案	优化改进方案	备注
					1	材料牌号	10％Cr钢	9％Cr钢	第一步
2	高压转子的使用年数m(年)	30	30	第二步
					3	高压转子的年均运行小时数t(h)	7000	7000	第三步
4	高压转子的总运行小时数t0(h)	210000	210000	第四步

第五步、计算汽轮机高压转子的主应力和最大主应变：

采用现有技术，计算该汽轮机高压转子以稳态额定负荷运行到高温部件的总运行小时数t₀的最大主应力σ₁、中间主应力σ₂和最小主应力σ₃以及最大主应变ε₁；

第六步、计算汽轮机高压转子的等效应力σ_eq：

汽轮机高压转子的等效应力σ_eq按照如下公式计算：

第七步、计算汽轮机高压转子的静水应力σ_h：

汽轮机高压转子的静水应力σ_h按照如下公式计算：

第八步、计算汽轮机高压转子的多轴蠕变的修正系数A：

汽轮机高压转子的多轴蠕变的修正系数A按照如下公式计算：

式中，n为汽轮机高压转子的材料蠕变试验常数，σ_eq为汽轮机高压转子的等效应力，σ_h为汽轮机高压转子的静水应力，以及满足函数

第九步、确定汽轮机高压转子的蠕变变形的设计监控量：

汽轮机高压转子的蠕变变形的设计监控量取为最大主应变ε₁；

第十步、识别汽轮机高压转子的表面特征部位：

汽轮机高压转子的表面特征部位分为两类：第一类表面特征部位是在高温区没有应力集中部位的光滑表面，第二类表面特征部位是在高温区有应力集中部位的表面；识别汽轮机高压转子的表面特征部位，对于汽轮机高压转子的第一类表面特征部位按照第十一步进行蠕变变形的设计监控，对于汽轮机高压转子的第二类表面特征部位按照第十二步进行蠕变变形的设计监控；

第十一步、汽轮机高压转子的第一类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过汽轮机高压转子蠕变变形设计监控系统，对于汽轮机高压转子的第一类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若汽轮机高压转子的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明汽轮机高压转子的第一类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，汽轮机高压转子的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十二步；

(2)若汽轮机高压转子的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对汽轮机高压转子的材料进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料，重新执行第一步至第十一步，直到为止；

第十二步、汽轮机高压转子的第二类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过汽轮机高压转子蠕变变形设计监控系统，对于汽轮机高压转子的第二类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若汽轮机高压转子的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明汽轮机高压转子的第二类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，汽轮机高压转子的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十三步；

(2)若汽轮机高压转子的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对汽轮机高压转子的表面应力集中部位进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料或增大结构圆角半径，重新执行第一步至第十二步，直到为止；

该火力发电机组的汽轮机高压转子的原设计方案与优化改进方案的第五步至第十二步的结果列于表2；

[表2]

第十三步打印输出结果：根据需要打印输出火力发电机组高温部件的蠕变变形的计算结果与优化控制措施。

使用本发明提供的火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控方法与系统，实现了该型号1000MW汽轮机高压转子的蠕变变形的定量预测和设计监控，该型号1000MW汽轮机的原设计方案采用10％Cr钢高压转子的蠕变变形偏大，蠕变变形的设计监控不合格。优化改进措施是该汽轮机高压转子采用高温长时力学性能更好的9％Cr钢，使该汽轮机高压转子的蠕变变形处于受控状态，达到了使用本发明提供的高温部件的蠕变变形的设计监控方法和系统来控制该型号1000MW汽轮机高压转子的蠕变变形的技术效果。

Claims (2)

1.一种火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法，其特征在于，采用火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，所述的火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统包括数据服务器、计算服务器、网页服务器和用户端浏览器，数据服务器连接计算服务器，计算服务器连接网页服务器，网页服务器连接用户端浏览器，采用C语言编写火力发电机组高温部件的蠕变变形的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控，具体步骤包括：

第一步、输入高温部件的材料牌号：

输入火力发电机组的高温部件的材料牌号，由材料牌号确定高温部件的物理性能数据，所述的物理性能数据包括材料蠕变试验常数n；

第二步、确定高温部件的使用年数m:

对于火力发电机组的高温部件中的耐用件，使用年数取为m＝30年，对于高温部件中的易损件，使用年数取为m＝15年；所述的高温部件中的耐用件包括转子、汽缸、阀壳、蒸汽室、集箱、主蒸汽管道、再热蒸汽管道和二次再热蒸汽管道，所述高温部件中的易损件包括阀杆、螺栓和锅炉过热器与再热器的管子；

第三步、确定高温部件的年均运行小时数t:

取火力发电机组的高温部件的年均运行小时数t为7000h(根据火力发电机组的可靠性数据的统计结果得到)；

第四步、计算高温部件的总运行小时数t₀:

火力发电机组的高温部件的总运行小时数为年均运行小时数t与使用年数m的乘积，即：

t₀＝t×m

第五步、计算高温部件的主应力和最大主应变：

采用现有技术，计算火力发电机组以稳态额定负荷运行到高温部件的总运行小时数t₀的最大主应力σ₁、中间主应力σ₂和最小主应力σ₃以及最大主应变ε₁；

第六步、计算高温部件的等效应力σ_eq：

火力发电机组的高温部件的等效应力σ_eq按照如下公式计算：

第七步、计算高温部件的静水应力σ_h：

火力发电机组的高温部件的静水应力σ_h按照如下公式计算：

第八步、计算高温部件的多轴蠕变的修正系数A：

火力发电机组的高温部件的多轴蠕变的修正系数A按照如下公式计算：

式中，n为高温部件的材料蠕变试验常数，σ_eq为高温部件的等效应力，σ_h为高温部件的静水应力，以及满足函数

第九步、确定高温部件的蠕变变形的设计监控量：

火力发电机组的高温部件的蠕变变形的设计监控量取为最大主应变ε₁；

第十步、识别高温部件的表面特征部位：

火力发电机组的高温部件的表面特征部位分为两类：第一类表面特征部位是在高温区没有应力集中部位的光滑表面，第二类表面特征部位是在高温区有应力集中部位的表面；识别火力发电机组的高温部件的表面特征部位，对于高温部件的第一类表面特征部位按照第十一步进行蠕变变形的设计监控，对于高温部件的第二类表面特征部位按照第十二步进行蠕变变形的设计监控；

第十一步、高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，对于火力发电机组的高温部件的第一类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明火力发电机组的高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十二步；

(2)若高温部件的第一类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对火力发电机组的高温部件的材料进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料，重新执行第一步至第十一步，直到为止；

第十二步、高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的优化控制：

通过火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控系统，对于火力发电机组的高温部件的第二类表面特征部位进行优化设计控制：

(1)若高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控合格，表明火力发电机组的高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形处于受控状态，高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控结束，进入第十三步；

(2)若高温部件的第二类表面特征部位的蠕变变形的设计监控不合格，表明在设计阶段需要对火力发电机组的高温部件的表面应力集中部位进行优化改进，改用高温长时力学性能更好的材料或增大结构圆角半径，重新执行第一步至第十二步，直到为止；

第十三步、打印输出结果。

2.如权利要求1所述的火力发电机组高温部件蠕变变形设计监控方法，其特征在于，所述第十步的应力集中部位为圆角和尖角中的至少一种。