CN108590784B - 一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法 - Google Patents

一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法 Download PDF

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Abstract

一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，属于发电厂热工技术领域。解决了传统汽轮机转子热应力监测手段难以反应出低负荷工况时，转子局部热应力存在不均匀特性；尤其是针对忽视在该工况条件下存在的转子周向热应力不均匀性的问题。步骤一、将m个蒸汽温度传感器和n个蒸汽压力传感器，均周向均匀布置在汽轮机机组调节级后的缸体上；步骤二、定义表征周向温度平均值
Figure DDA0001640981770000011
和压力平均值
Figure DDA0001640981770000017
Figure DDA0001640981770000014
步骤三、汽轮机机组控制系统根据Ti、Tj、温度平均值
Figure DDA0001640981770000015
和压力平均值
Figure DDA0001640981770000016
获得σi和τi，汽轮机机组控制系统将获得的σi和τi通过显示器进行显示，从而完成对机组转子局部热应力的监测。

Description

一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法
技术领域
本发明涉及低负荷工况汽轮机转子热应力监测方法，属于发电厂热工技术领域。
背景技术
随着电网对火电机组调峰性能要求的不断提升，火电机组调峰性能正在向深度调峰(深调)、快速调峰(快调)以及精确调节(精调)的方向发展。深调意味着机组会在低负荷状态运行，为了保证机组的经济性，低负荷状态下的运行模式更多的为顺序阀调节方式。在顺序阀模式下，一个或两个调门处于部分开启状态，其它调门处于全开(或全关)状态，这种低负荷顺序阀调节方式下的不均匀进汽方式使转子承受更频繁应力变化，加大了汽轮机转子的寿命损耗。特别是汽轮机高压缸的调节级，由于级后蒸汽变化最为剧烈；并且，汽轮机转子汽轮机中工作条件最艰苦、受力情况最复杂的部件，其寿命基本代表了整台汽轮机组的寿命。因此，如何实现汽轮机转子热应力和寿命的实时监测，确保机组安全经济运行已成为人们关注的焦点。
目前，针对汽轮机转子热应力分析和寿命管理的研究主要集中在沿转子轴向或易产生应力集中部位的热应力分布。传统的研究都是忽略周向变化，将三维结构简化为二维轴向模型，构建热应力解析递推计算模型，通过有限元理论分析获取应力变化的较频繁的部位，基于这种理论又发展出了相应的离线和在线监测系统。
传统的调节级后温度、压力测点位置一般位于高压缸的下半缸。并且，目前的转子热应力和寿命预估模型，忽略了转子周向温度差异所造成的周向应力。然而，由于汽轮机在更低负荷顺序阀调节模式时，调门开启数量达到最少，实际喷嘴部分进汽时的沿圆周方向进汽量是不均匀，由此会造成转子周向方向的温度和压力分布不均，周向压力和温度差异分布使转子产生收缩膨胀的不一致性，进而产生转子周向方向的热应力。
而传统的汽轮机调节级后蒸汽参数的数据采集实际上都是基于同一位置的采集终端，即，一个测量位置设置1个温度或压力传感器，与3个布置在汽轮机机组的下半缸的缸外仪表采集终端相连接；因此，虽然实现了多组数据的测量，但其采集的信号同属于一个采集终端，无法实现对汽轮机转子整个周向热应力变化的监测。因此，亟需提供一种能对转子周向热应力进行监测的装置和方法。
发明内容
本发明是为了解决传统汽轮机转子热应力监测手段难以反应出低负荷工况时，转子局部热应力存在不均匀特性；尤其是针对忽视在该工况条件下存在的转子周向热应力不均匀性的问题，本发明提供了一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法。
一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、将m个蒸汽温度传感器和n个蒸汽压力传感器，均周向均匀布置在汽轮机机组调节级后的缸体上；其中，m和n为整数，
步骤二、定义表征周向温度平均值
Figure BDA0001640981750000021
和压力平均值
Figure BDA0001640981750000022
Figure BDA0001640981750000023
Figure BDA0001640981750000024
Ti表示第i个蒸汽温度传感器检测的蒸汽温度，Tj表示第j个蒸汽压力传感器检测的蒸汽压力，i和j均为正数；
步骤三、汽轮机机组控制系统根据Ti、Tj、温度平均值
Figure BDA0001640981750000025
和压力平均值
Figure BDA0001640981750000026
获得σi和τi，汽轮机机组控制系统将获得的σi和τi通过显示器进行显示，从而完成对机组转子局部热应力的监测；
Figure BDA0001640981750000027
Figure BDA0001640981750000028
其中，σi表示第i个蒸汽温度传感器的热应力温度均匀度，τj表示第j个蒸汽压力传感器的热应力压力均匀度。
优选的是，n的取值范围为n≥2。
优选的是，m的取值范围为m≥2。
优选的是，所述n的最佳值为4。
优选的是，所述m的最佳值为4。
优选的是，所述汽轮机机组调节级后的缸体为汽轮机机组第一级动叶片和第二级静叶片之间所对应的缸体。
本发明带来的有益效果是，本发明的方法改变了现有汽轮机转子热应力监测手段，无法实时监视低负荷工况下蒸汽流量频繁变化造成汽轮机转子热应力周向分布不均匀的问题。本发明将所有的压力及温度传感器周向均匀布置在汽轮机机组调节级后的缸体上，通过在调节级后增加压力、温度测点，实现对调节级后压力、温度的周向蒸汽流场状态参数的监测；然后，根据实时采集的多个压力和温度信息进行实时计算，获得σi和τi，二者可表征汽轮机转子周向热应力不均匀度。
当σi和τi的值为1时，则表示调节级后温度、压力分布均匀；
当σi和τi的值偏离1时，表示调节级后温度、压力分布不均匀，且偏离越大表示热应力的不均匀度越大。
选取调节级后为监测位置是因为调节级处为汽轮机转子温度变化最剧烈的位置。以全周的参数均值作为平均值更能体现转子周向边界条件的差异性。
本发明所述一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，通过在调节级后增加压力、温度测点构建转子热应力均匀度标准。在提升汽轮机转子热应力不均匀传统监测能力的同时，引入了周向热应力的概念，更加适应于低负荷工况局部进汽引起的转子热应力不均匀特性的实时监测。
在测点位置的设计中，温度测点和压力测点能够均匀分布在360度的位置上，在达到热应力不均匀度的测量目的同时，还需尽可能降低因钻孔增加测点操作对汽轮机内外缸体刚度和安全造成的影响。
附图说明
图1为本发明所述一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的流程图；
图2为现有技术中汽轮机机组通用的调节级后蒸汽参数测点位置分布图；
图3为应用本发明所述一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的进行测点布置的分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、将m个蒸汽温度传感器和n个蒸汽压力传感器，均周向均匀布置在汽轮机机组调节级后的缸体上；其中，m和n为整数，
步骤二、定义表征周向温度平均值
Figure BDA0001640981750000041
和压力平均值
Figure BDA0001640981750000042
Figure BDA0001640981750000043
Figure BDA0001640981750000044
Ti表示第i个蒸汽温度传感器检测的蒸汽温度，Tj表示第j个蒸汽压力传感器检测的蒸汽压力，i和j均为正数；
步骤三、汽轮机机组控制系统根据Ti、Tj、温度平均值
Figure BDA0001640981750000045
和压力平均值
Figure BDA0001640981750000046
获得σi和τi，汽轮机机组控制系统将获得的σi和τi通过显示器进行显示，从而完成对机组转子局部热应力的监测；
Figure BDA0001640981750000047
Figure BDA0001640981750000048
其中，σi表示第i个蒸汽温度传感器的热应力温度均匀度，τj表示第j个蒸汽压力传感器的热应力压力均匀度。
本实施方式，选取调节级后为监测位置是因为调节级处为汽轮机转子温度变化最剧烈的位置，以全周的参数均值作为平均值更能体现转子周向边界条件的差异性。
本发明所述一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，通过在调节级后增加相应的压力、温度测点，来监测调节级后流场变化情况；从而，实现了转子热应力均匀度的实时表法。在提升汽轮机转子热应力传统监测能力的同时，引入了周向热应力的概念，更加适应于低负荷工况转子热应力监测。
在测点位置的设计中，温度测点和压力测点能够均匀分布在360度的位置上，在实现热应力均匀度测量目的同时，还尽可能降低因钻孔对汽轮机内外缸刚度造成的影响。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的区别在于，n的取值范围为n≥2。
本实施方式，图2中，测点A、C为调节后蒸汽温度测点：内外缸均钻透用套筒固定热电偶，测点B为调节级蒸汽压力测点：内外缸均钻透钻透，引出蒸汽，用管道引出，外接压力变送器。
优化后的测点位置布置图可根据现有位置，增加温度、压力测点，测点安装位置采用同种参数测点轴对称分布的原则，由原有的测点数目增加至8个，如图3所示。其中，测点D为调节级后蒸汽温度测点：汽轮机内外缸均钻透，用套筒固定热电偶，外接温度表。测点E为调节级蒸汽压力测点：汽轮机内外缸钻透，用管道引出蒸汽，外接压力表。测点F为调节级后蒸汽温度测点：汽轮机内外缸均钻透，用套筒固定热电偶，外接温度表。测点G为调节级蒸汽压力测点：位置偏下面一些，汽轮机内外缸均钻透，引出蒸汽，用管道引出，外接压力表。测点H为调节级蒸汽压力测点：位置可偏下面一些，汽轮机内外缸均钻透，用管道引出蒸汽，外接压力表。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的区别在于，m的取值范围为m≥2。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的区别在于，所述n的最佳值为4。
本实施可以提高低负荷工况下对汽轮机转子的监测水平，提升监测精度，360度全周分布的测点所获取的监测数据可构建出汽轮机转子调节级部分的三维边界模型，为后续实现转子热应力的三维监测提供有效数据。此外，压力、温度测点增加，刻画出的压力、温度分布更加精确，而且还有助于更全面的描述调节级后的蒸汽性质，对提升转子稳定性有较大的益处。将汽轮机上缸进汽下缸排汽的设计布局所存在的结构局限性造成的压力、温度差异完美的展现出来。这种设置方式可以提高机组的安全运行性能。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的区别在于，所述m的最佳值为4。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法的区别在于，所述汽轮机机组调节级后的缸体为汽轮机机组第一级动叶片和第二级静叶片之间所对应的缸体。
本实施可以提高低负荷工况下对汽轮机转子局部热应力不均匀度的监测水平，360度全周分布的测点所获取的监测数据可构建出汽轮机转子调节级部分的周向边界模型，为后续进一步实现转子热应力的三维监测提供有效数据。此外，压力、温度测点增加，刻画出的压力、温度分布更加精确，而且还有助于更全面的描述调节级后的蒸汽性质，对提升转子快速深度变负荷运行的安全性有较大益处。本发明可以实现将汽轮机低负荷上下缸局部进汽时，造成的流场分布不均匀特性完美的展现出来，对于提高机组的安全监控水平具有非常重要的实际意义。
本发明提出了一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，该方法根据低负荷工况运行时的局部进汽导致的调节级受热不均匀特点，对监测方法的结构布局进行优化设计，采用对称布置方式考虑了汽轮机缸体结构钻孔产生的应力集中现象。通过在汽轮机上增加测点装置，根据温度测点计算转子压力、温度均匀度，以此作为调节级后转子热应力均匀度的评价标准。从而，实现了调节级后转子热应力360度全周监测。该数据在提升流场不均匀性的压力和温度参数监测精度的同时，也可以作为转子周向应力监测数据。以实时压力、温度数据计算出的转子热应力温度均匀度σi和压力均匀度τi反应转子热应力随时间的变化规律。可以准确而实时的反应汽轮机转子调节级后段的压力、温度变化信息，避免应力超限，进而改善机组的安全稳定运行监控能力。

Claims (6)

1.一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一、将m个蒸汽温度传感器和n个蒸汽压力传感器，均周向均匀布置在汽轮机机组调节级后的缸体上；其中，m和n为整数，
步骤二、定义表征周向温度平均值
Figure FDA0001640981740000011
和压力平均值
Figure FDA0001640981740000012
Figure FDA0001640981740000013
Figure FDA0001640981740000014
Ti表示第i个蒸汽温度传感器检测的蒸汽温度，Tj表示第j个蒸汽压力传感器检测的蒸汽压力，i和j均为正数；
步骤三、汽轮机机组控制系统根据Ti、Tj、温度平均值
Figure FDA0001640981740000015
和压力平均值
Figure FDA0001640981740000016
获得σi和τi，汽轮机机组控制系统将获得的σi和τi通过显示器进行显示，从而完成对机组转子局部热应力的监测；
Figure FDA0001640981740000017
Figure FDA0001640981740000018
其中，σi表示第i个蒸汽温度传感器的热应力温度均匀度，τj表示第j个蒸汽压力传感器的热应力压力均匀度。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，n的取值范围为n≥2。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，m的取值范围为m≥2。
4.根据权利要求2所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，所述n的最佳值为4。
5.根据权利要求3所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，所述m的最佳值为4。
6.根据权利要求3所述的一种汽轮机低负荷工况转子局部热应力不均匀度监测方法，其特征在于，所述汽轮机机组调节级后的缸体为汽轮机机组第一级动叶片和第二级静叶片之间所对应的缸体。
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