CN104564180A - 汽轮机转子应力在线实时监测系统 - Google Patents

Abstract

汽轮机转子应力在线实时监测系统，属于汽轮机数字电液调节系统技术领域。本发明解决了现有的方法依赖硬件平台，维护困难的问题。本发明的技术要点为：转子的实时状态信息由通讯卡件从DEH控制柜通过modbus通讯模件传送到操作员站上的应力计算系统，操作员站上的应力计算系统根据转子的实时状态信息与转子本身特性参数计算出转子的应力，并得出符合要求的升速率或升负荷率，通过modbus通讯模件经过通讯卡件传送给DEH控制柜，为DEH提供参考信息。本发明可应用于电站汽轮机启动运行的监视与控制中。

Description

汽轮机转子应力在线实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种汽轮机转子应力监测系统，特别涉及一种汽轮机转子应力在线实时监测系统，属于汽轮机数字电液调节系统技术领域。

背景技术

现代大型汽轮发电机组，转子处于高温高压环境下，受力情况复杂，转子的寿命损耗直接和转子所受应力有关，尤其转子热应力更加影响转子寿命。对于这种高速旋转的转子无法直接测得转子的各点温度，因此应力一般用数学模型进行计算。目前国内汽轮发电机组对汽轮机转子应力的计算方法，普遍采用在DEH控制柜DPU中的逻辑算法块进行计算，这种方法存在依赖硬件平台，计算误差较大，维护困难的问题，且绝大多数逻辑算法是处于未调通或无法应用状态，因此电站汽轮机在运行过程中，普遍存在对于升速率和升负荷率的设定存在一定的盲目性。而且DEH控制柜所用控制硬件不同时，对应的控制逻辑无法通用。

发明内容

本发明的目的是提出汽轮机转子应力在线实时监测系统，以解决针对现有方法依赖硬件平台，维护困难的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，所述系统包括：

用于从DEH控制柜(2)读取转子实时状态信息，并经过通讯卡件(3)向DEH控制柜(2)传送数据的modbus通讯模块；

用于显示转子实时状态信息及转子本身特性参数的参数显示模块；

用于计算转子每一层的层温及平均温度、有效温差，并以棒状图和曲线形式显示在相应窗口的转子温度计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力，并将每个时刻的转子应力曲线显示在相应窗口的转子应力计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力裕度，并将每个时刻的转子应力裕度曲线显示在相应窗口的转子应力裕度计算显示模块；

用于计算转子的升速率和升负荷率的推荐值，并把推荐值通过modbus通讯(4)反馈给DEH控制柜(2)的运行指导模块；

用于存储应力曲线、应力裕度曲线的历史数据的历史数据模块；

通讯模块从DEH控制柜读取的转子实时状态信息传送到转子温度计算显示模块，转子温度计算显示模块计算的数据传送到转子应力计算显示模块，转子应力计算显示模块计算的数据传送到转子应力裕度计算显示模块，转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到运行指导模块，运行指导模块计算的数据传送到通讯模块，转子应力计算显示模块和转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到历史数据模块进行存储。

本发明的有益效果是：

1、该系统不依赖于DEH硬件型号，方便操作员使用，能够实现对汽轮机转子应力进行实时监测计算，并通过转子应力和许用应力的比较得出推荐的升速率或升负荷率。

2、本发明提出一种汽轮机转子应力在线实时监测系统，在电厂的操作员工作站上用电脑对汽轮机转子应力进行实时监测计算，并通过转子应力和许用应力的比较得出推荐的升速率或升负荷率，解决了传统方法依赖硬件平台，维护困难等问题，实现了转子应力在线实时监测的通用性。

附图说明

图1为本发明在线实时监测系统的数据流向的示意图，其中1为应力计算系统，2为DEH控制柜，3为通讯卡件，4为modbus通讯模件；

图2为本发明的分层方法示意图，其中，R₀为转子半径，△r为层间距；

图3为本发明方法步骤的流程图；

图4为本发实施例中的用户应用界面示意图；

图5为本发明实施例中操作员站上的应力计算系统模块示意图。

具体实施方式

结合附图进一步详细说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式一：结合图1、图5本实施方式所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统包括：用于从DEH控制柜(2)读取转子实时状态信息，并经过通讯卡件(3)向DEH控制柜(2)传送数据的modbus通讯模块；

用于显示转子实时状态信息及转子本身特性参数的参数显示模块；

用于计算转子每一层的层温及平均温度、有效温差，并以棒状图和曲线形式显示在相应窗口的转子温度计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力，并将每个时刻的转子应力曲线显示在相应窗口的转子应力计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力裕度，并将每个时刻的转子应力裕度曲线显示在相应窗口的转子应力裕度计算显示模块；

用于计算转子的升速率和升负荷率的推荐值，并把推荐值通过modbus通讯(4)反馈给DEH控制柜(2)的运行指导模块；

用于存储应力曲线、应力裕度曲线的历史数据的历史数据模块；

通讯模块从DEH控制柜读取的转子实时状态信息传送到转子温度计算显示模块，转子温度计算显示模块计算的数据传送到转子应力计算显示模块，转子应力计算显示模块计算的数据传送到转子应力裕度计算显示模块，转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到运行指导模块，运行指导模块计算的数据传送到通讯模块，转子应力计算显示模块和转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到历史数据模块进行存储。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述实时状态信息包括转速N₁，调节级后金属温度θ₀，调节级后蒸汽温度θ_∞，调节级压力P。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述转子本身特性参数包括泊桑比u，转子半径R₀，转子热传导率λ，线膨胀系数β，弹性模量E，应力集中系数K_th，转子比热c，许用应力σ_许用，转子密度ρ。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述升速率或升负荷率按照以下条件给出：

当应力裕度大于20％时，汽轮机冷态启动升速率为150RPM/min，稳态启动升速率为300RPM/min，热态启动为400RPM/min；升负荷率为30MW/min；

当应力裕度小于等于0％时，升速率为0RPM/min，升负荷率为0MW/min；

当应力裕度大于0小于等于20时，升速率和升负荷率与应力裕度成线性比例关系。

具体实施方式五：结合图2、图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述转子分层温度显示模块中计算转子每一层的层温的过程为：

将转子截面在径向平均分成N层，最内层为第1层，最外层为第N层，中间层为第n层；

步骤一、计算转子t时刻表面温度

θ_N ^(t+1)＝θ_N ^t+G×(θ_N-1 ^t-θ_N ^t)+H×(θ_∞ ^t-θ_N ^t)

$G=\frac{R_0-\frac{\mathrm{\Δr}}{2}}{R_0-\frac{\mathrm{\Δr}}{4}}\×{2\mathrm{\φ}}_1$

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}$

h＝k₁N+k₂P，其中，G、H、φ₁、a、h：中间变量，K₁、K₂为常数，转子最外层温度，t：时间，△t：迭代步长为1秒，R₀：转子半径，△r：层间距△r＝R₀/nΔr＝R₀/n，λ：转子热传导率，ρ：转子密度，c：转子比热，P：调节级压力，θ_∞：调节级后蒸汽温度，程序迭代初始值的各层温度为调节级后金属温度θ₀；

步骤二、计算中间各层温度；

θ_n ^(t+1)＝C_n×θ_n+1 ^t+D_n×θ_n-1 ^t+E×θ_n ^t

C_n＝φ₁+φ₀

D_n＝φ₁-φ₀

E＝1-2φ₁

${\mathrm{\φ}}_0=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{2r\·\mathrm{\Δr}}$

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2},$

其中，C_n、D_n、E₁、φ₀、φ₁：中间变量，中间各层t+1时刻温度，

n：为中间层层数，r：为所在层半径，程序迭代初始值的各层温度为调节级后金属温度θ₀；

步骤三、计算最内层温度θ₁；

θ₁ ^t+1＝(4θ₂ ^t-θ₃ ^t)/3

第一层t+1时刻温度

第二层t时刻温度

第三层t时刻温度；

步骤一、二、三按照步长1秒进行互相迭代计算。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述转子平均温度实时监测模块中计算转子每一时刻的平均温度的具体方式为：

${{\mathrm{\θ}}_a}^t=\frac{2}{R_0^2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δr}}{2}({\mathrm{\θ}}_n\·r_n+{\mathrm{\θ}}_{n+1}\·r_{n+1})$

R₀：转子外半径。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述转子应力实时监测模块中转子每一时刻的应力的计算过程为：

步骤一、计算有效温差；

$T^t={\mathrm{\θ}}_a^t-{\mathrm{\θ}}_N^t;$

步骤二、计算热应力；

K_th：应力集中系数，β：线膨胀系数，EE：弹性模量，u：泊桑比；

步骤三、计算离心应力；

其中，K：为常数，N₁：为转速，N₀：为额定转速；

步骤四、计算转子应力；

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述转子应力裕度实时监测模块中每一时刻的应力裕度的计算过程为：

其中，σ_许用：为许用应力。

本发明的原理为：如图1所示，转子的实时状态信息由通讯卡件(3)从DEH控制柜(2)通过modbus通讯模件(4)传送到操作员站上的应力计算系统(1)，操作员站上的应力计算系统(1)根据转子的实时状态信息与转子本身特性参数计算出转子的应力，并得出符合要求的升速率或升负荷率，通过modbus通讯模件(4)经过通讯卡件(3)传送给DEH控制柜(2)，为DEH提供参考信息。

本发明的实施例：

如图4、图5所示，本实施例为利用本发明开发的应力计算系统用户应用界面。

对转子应力的计算不考虑转子的轴向传热，把转子径向分为10层。点击系统画面的初始化按钮后，参数读取显示模块工作，将计算时所需的温度、压力、转速等实时状态信息通过MODBUS从DEH控制柜实时读取，并显示在窗口左上部的显示区域内，其他转子本身特性参数与转子的材料特性有关，这些值也显示在窗口显示区域内。

如图5所示，转子分层温度显示模块应用实施例一中的公式计算出转子各层实时温度，并在主窗口中的棒状图为显示，窗口左下角的分层饼状图根据每层温度的变化每层颜色也发生变化。

窗口右侧为转子平均温度实时监测模块，转子应力实时监测模块，转子应力裕度实时监测模块，这三个模块分别应用实施例一中的公式计算出转子的平均温度，转子应力与转子应力裕度并将实施数据显示在相应窗口内。

运行参数指导模块应用实施例一中的公式得到转子升速率和升负荷率的推荐值，并把推荐升速率和升负荷率的推荐值通过MODBUS通讯反馈给DEH系统。

Claims (8)

1.一种汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述系统包括：

用于从DEH控制柜(2)读取转子实时状态信息，并经过通讯卡件(3)向DEH控制柜(2)传送数据的modbus通讯模块；

用于显示转子实时状态信息及转子本身特性参数的参数显示模块；

用于计算转子每一层的层温及平均温度、有效温差，并以棒状图和曲线形式显示在相应窗口的转子温度计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力，并将每个时刻的转子应力曲线显示在相应窗口的转子应力计算显示模块；

用于计算转子每一时刻的应力裕度，并将每个时刻的转子应力裕度曲线显示在相应窗口的转子应力裕度计算显示模块；

用于计算转子的升速率和升负荷率的推荐值，并把推荐值通过modbus通讯(4)反馈给DEH控制柜(2)的运行指导模块；

用于存储应力曲线、应力裕度曲线的历史数据的历史数据模块；

通讯模块从DEH控制柜读取的转子实时状态信息传送到转子温度计算显示模块，转子温度计算显示模块计算的数据传送到转子应力计算显示模块，转子应力计算显示模块计算的数据传送到转子应力裕度计算显示模块，转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到运行指导模块，运行指导模块计算的数据传送到通讯模块，转子应力计算显示模块和转子应力裕度计算显示模块计算的数据传送到历史数据模块进行存储。

2.根据权利要求1所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述实时状态信息包括转速N₁，调节级后金属温度θ₀，调节级后蒸汽温度θ_∞，调节级压力P。

3.根据权利要求2所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述转子本身特性参数包括泊桑比u，转子半径R₀，转子热传导率λ，线膨胀系数β，弹性模量E，应力集中系数K_th，转子比热c，许用应力σ_许用，转子密度ρ。

4.根据权利要求3所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述升速率或升负荷率按照以下条件给出：

当应力裕度大于20％时，汽轮机冷态启动升速率为150RPM/min，稳态启动升速率为300RPM/min，热态启动为400RPM/min；升负荷率为30MW/min；

当应力裕度小于等于0％时，升速率为0RPM/min，升负荷率为0MW/min；

当应力裕度大于0小于等于20时，升速率和升负荷率与应力裕度成线性比例关系。

5.根据权利要求4所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述转子分层温度显示模块中计算转子每一层的层温的过程为：

将转子截面在径向平均分成N层，最内层为第1层，最外层为第N层，中间层为第n层；

步骤一、计算转子t时刻表面温度

θ_N ^(t+1)＝θ_N ^t+G×(θ_N-1 ^t-θ_N ^t)+H×(θ_∞ ^t-θ_N ^t)

$G=\frac{R_0-\frac{\mathrm{\Δr}}{2}}{R_0-\frac{\mathrm{\Δr}}{4}}\×{2\mathrm{\φ}}_1$

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2}$

$a=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρc}}$

h＝k₁N+k₂P，其中，G、H、φ₁、a、h：中间变量，K₁、K₂为常数，转子最外层温度，t：时间，△t：迭代步长为1秒，R₀：转子半径，△r：层间距△r＝R₀/nΔr＝R₀/n，λ：转子热传导率，ρ：转子密度，c：转子比热，P：调节级压力，θ_∞：调节级后蒸汽温度，程序迭代初始值的各层温度为调节级后金属温度θ₀；

步骤二、计算中间各层温度；

θ_n ^(t+1)＝C_n×θ_n+1 ^t+D_n×θ_n-1 ^t+E₁×θ_n ^t

C_n＝φ₁+φ₀

D_n＝φ₁-φ₀

E＝1-2φ₁

${\mathrm{\φ}}_0=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{2r\·\mathrm{\Δr}}$

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{a\·\mathrm{\Δt}}{{\left(\mathrm{\Δr}\right)}^2},$

其中，C_n、D_n、E₁、φ₀、φ₁：中间变量，中间各层t+1时刻温度，

n：为中间层层数，r：为所在层半径，程序迭代初始值的各层温度为调节级后金属温度θ₀；

步骤三、计算最内层温度θ₁；

θ₁ ^t+1＝(4θ₂ ^t-θ₃ ^t)/3

第一层t+1时刻温度

θ₂ ^t：第二层t时刻温度

θ₃ ^t：第三层t时刻温度；

步骤一、二、三按照步长1秒进行互相迭代计算。

6.根据权利要求5所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述转子平均温度实时监测模块中计算转子每一时刻的平均温度的具体方式为：

${{\mathrm{\θ}}_a}^t=\frac{2}{R_0^2}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δr}}{2}({\mathrm{\θ}}_n\·r_n+{\mathrm{\θ}}_{n+1}\·r_{n+1})$

R₀：转子半径。

7.根据权利要求6所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述转子应力实时监测模块中转子每一时刻的应力的计算过程为：

步骤一、计算有效温差；

$T^t={\mathrm{\θ}}_a^t-{\mathrm{\θ}}_N^t;$

步骤二、计算热应力；

其中，K_th：应力集中系数，β：线膨胀系数，EE：弹性模量，u：泊桑比；

步骤三、计算离心应力；

其中，K：为常数，N₁：为转速，N₀：为额定转速；

步骤四、计算转子应力；

8.根据权利要求7所述的汽轮机转子应力在线实时监测系统，其特征在于所述转子应力裕度实时监测模块中每一时刻的应力裕度的计算过程为：

其中，σ_许用：为许用应力。