CN109870295B - 一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统及方法，包括电站锅炉、低压缸、发电机、中压缸、高压缸和计算机；可以根据需要在线进行蒸汽管道的寿命评估，丰富金属技术监督的手段，同样有利于提高机组运行的安全性；可以在不破坏现有蒸汽管道的基础上进行初步的寿命评估，进行风险预警；记录并分析大量的温度和压力数据，结合大小修正金属检测数据和显微组织检测结果，通过计算机内预制的算法，实现蠕变‑疲劳寿命评估。本发明结合实际的蒸汽管道寿命评估，实现了人力资源解放和大量的金属检测工作，同时避免了没有目的的大范围的管道取样经济损失，具有较好的经济效益和社会效益，解决了目前高温高压金属关键寿命评估存在的难题。

Description

一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统及方法
技术领域
本发明涉及一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统及方法。
背景技术
目前，国内火电机组DCS系统主要关注蒸汽管道内介质的参数及运行情况，对蒸汽温度、压力、流量等进行实时监视，这主要是停留在系统层。对于设备层，特别是基础装备的材料状态没有任何监视手段，主要依靠专业人员进行现场巡检来发现是否存在问题，这就造成材料状态反馈的不及时和不全面。同时，随着机组运行服役时间的增加，在长期的高温和高压运行环境下，蒸汽管道会产生蠕变损伤，微观组织会随着时间的延长和变化，如申请号为201610795261.6的中国专利，这些均是在平时的巡检中无法发现的。另外，随着经济环境的变化以及受电厂人员定岗定员的影响，电厂金属专业人员相对缺乏，且技能水平层次不齐，导致发现问题的能力有大有小，严重的区域或电厂甚至没有专职的金属专业人员。在这样的背景下，研发一种新型的在线的蒸汽管道寿命评估系统很有意义。
随着国家节能减排，减人增效以及大力发展智能科技的各项政策出台，近年来电厂智能化和数字化得到快速发展，且大批机组即将达到设计生命周期，火力发电厂的蒸汽管道在线寿命评估系统的研究和建设到了非常紧迫的关头。
现有各种寿命评估均存在以下问题：
(1)评估不及时。主要是对已运行20万h(含20万h)以上的带基本负荷的火电机组，对于曾经提高参数运行的机组或调峰机组评估时间可以适当提前。
(2)破坏性评估。主要是常规力学性能试验需要从蒸汽管道上取样，制样，再进行拉伸、冲击等性能试验。
(3)评估周期较长。对于高温长期性能，主要是持久强度的确定和试验点时间，如外推材料540℃、10万h的持久强度，则最长试验点时间应大于10000h。
(4)评估基础数据不全。对于累计蠕变损伤，需要大量的不同温度。不同压力下的运行数据，而实验室评估无法进行相关数据的统计。
因此，火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统的研究意义重大且很有必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理的用于火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估的系统，既能解决不能及时评估的问题，又能根据蒸汽参数变化和不同阶段所对应的的运行时间，按需求进行蒸汽管道在线寿命评估。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统，其特征在于：包括电站锅炉、低压缸、发电机、中压缸、高压缸和计算机；所述电站锅炉的主蒸汽出口和高压缸的蒸汽进口通过主蒸汽管道连接，且在主蒸汽管道上安装有主蒸汽调节门，在主蒸汽管道上设置有主蒸汽压力传感器和主蒸汽温度传感器；所述主蒸汽管道的再热蒸汽出口和中压缸的蒸汽进口通过再热蒸汽管道热段连接，且在再热蒸汽管道热段上安装有再热蒸汽调节门，在再热蒸汽管道热段上设置有再热蒸汽管道热段压力传感器和再热蒸汽管道热段温度传感器；所述电站锅炉的再热蒸汽进口和高压缸的蒸汽出口通过再热蒸汽管道冷段连接，且在再热蒸汽管道冷段上设置有再热蒸汽管道冷段温度传感器和再热蒸汽管道冷段压力传感器；所述中压缸和低压缸通过中低压连通管连接，且在中低压连通管上安装有中低压连通管调节门，在中低压连通管上设置有中低压连通管压力传感器和中低压连通管温度传感器；所述主蒸汽温度传感器、主蒸汽压力传感器、再热蒸汽管道热段温度传感器、再热蒸汽管道热段压力传感器、再热蒸汽管道冷段温度传感器、再热蒸汽管道冷段压力传感器、中低压连通管温度传感器和中低压连通管压力传感器均连接至计算机。
进一步而言，还包括凝汽器，所述凝汽器的一侧通过汽轮机乏汽管与低压缸连接，凝汽器的另一侧依次通过凝结水管道和锅炉给水管道与电站锅炉连接，且在凝结水管道上安装有凝结水泵。
一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估方法，利用所述的火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统；步骤如下：
(1)计算机系统根据公式自动计算管道直管段和弯头处的环向热应力与管道直管段内压应力，并将计算结果进行实时在线比较，选取较大值作为后续计算依据；
a)管道的环向热应力计算公式：
其中：α——材料的线性膨胀系数，1/K；
ΔT——蒸汽管道内一段时间内的温度波动幅度，℃；
v——泊松比；
f——管道壁厚、管径相关的结构系数；
b)内压应力计算公式：
其中：σn——内压折算应力，MPa；
p——管道正常运行下的压力，MPa；
Do——蒸汽管道外径，mm；
S——蒸汽管道壁厚，mm；
α——考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加壁厚，mm；
Y——温度对计算管道壁厚公式的修正系数；
(2)对于不同部位，计算机系统根据蒸汽管道模型自动计算其热应力和内压应力，最终形成以管道模型为依托的空间应力分布图；对于焊缝位置的应力按照下列公式计算：
其中：σhf——焊缝内应力；
σmax——管道热应力与内压应力之间的最大值；
μ——焊缝持久强度减弱系数(不同材料，减弱系数不同；同一材料，不同温度，不同运行时间对应的减弱系数不同)；
(3)确定蒸汽管道不同位置对应的蠕变寿命，保存历史数据；按照年度寿命计算值进行数据趋势分析，分析不同管段潜在安全风险；蠕变寿命计算公式：
其中：——材料原始性能数据中某一温度下104h对应的持久强度；
——材料原始性能数据中某一温度下105h对应的持久强度；
n——安全系数；
t——运行期间平均运行温度T0对应的蠕变寿命；
(4)由于运行期间，机组负荷变化或是调峰运行，蒸汽温度和压力会有波动情况，因此对于这种波动情况，蒸汽管道承受疲劳-蠕变交互作用，计算机系统按照蒸汽管道上增加的每一温度、压力等级分别计算温度修正值，累计之和，再修正第三步中的寿命计算结果；
ts＝-k(T-T0)t
其中：T0——计算平均温度；
T——波动期间某一温度值；
t——T相对于T0波动期时间；
ts——T相对于T0波动期时间修正值；
k——温度偏离值修正系数(不同材料，修正值不同)；
(5)经过修正后的蒸汽管道寿命，即为本次在线寿命评估的结果。
由于目前电力市场情况下，机组均大量参与电力调峰和热力调峰，因此管道蠕变-疲劳寿命评估进行；
主蒸汽温度传感器和主蒸汽压力传感器将温度、压力信号传送至计算机，计算机系统根据主蒸汽管道的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算主蒸汽管道各管段的蠕变寿命；在根据主蒸汽温度传感器和主蒸汽压力传感器的波动情况及运行时间，修正得到主蒸汽管道各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道热段温度传感器和再热蒸汽管道热段压力传感器将温度、压力信号传送至计算机，计算机系统根据再热蒸汽管道热段的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算再热蒸汽管道热段各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道热段温度传感器和再热蒸汽管道热段压力传感器的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道热段各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道冷段温度传感器和再热蒸汽管道冷段压力传感器将温度、压力信号传送至计算机，计算机系统根据再热蒸汽管道冷段的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算再热蒸汽管道冷段各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道冷段温度传感器和再热蒸汽管道冷段压力传感器的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道冷段各管段的疲劳-蠕变寿命；
中低压连通管温度传感器和中低压连通管压力传感器将温度、压力信号传送至计算机，计算机系统根据中低压连通管的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算中低压连通管各管段的蠕变寿命；在根据中低压连通管温度传感器和中低压连通管压力传感器的波动情况及运行时间，修正得到中低压连通管各管段的疲劳-蠕变寿命；
最后，系统完成在线寿命评估。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的使用可以根据需要在线进行蒸汽管道的寿命评估，丰富金属技术监督的手段，同样有利于提高机组运行的安全性；同时可以在不破坏现有蒸汽管道的基础上进行初步的寿命评估，进行风险预警；同时可以记录并分析大量的温度和压力数据，特别是波动周期及每个阶段的运行时间，结合大小修正金属检测数据和显微组织检测结果，通过计算机内预制的算法，实现蠕变-疲劳寿命评估。这样实现了灵活的短周期的，结合实际的蒸汽管道寿命评估，实现了人力资源解放和大量的金属检测工作，同时避免了没有目的的大范围的管道取样经济损失，具有较好的经济效益和社会效益，解决了目前高温高压金属关键寿命评估存在的难题；由此可见，本发明评估及时灵活、周期短、损失小、信息化程度高、符合实际、可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图中：锅炉给水管道1、电站锅炉2、主蒸汽管道3、再热蒸汽管道热段4、再热蒸汽管道热段压力传感器5、主蒸汽压力传感器6、再热蒸汽调节门7、再热蒸汽管道热段温度传感器8、主蒸汽温度传感器9、中低压连通管压力传感器10、中低压连通管温度传感器11、中低压连通管调节门12、中低压连通管13、低压缸14、发电机15、汽轮机乏汽管道16、凝汽器17、凝结水管道18、中压缸19、凝结水泵20、高压缸21、再热蒸汽管道冷段22、再热蒸汽管道冷段温度传感器23、再热蒸汽管道冷段压力传感器24、计算机25、主蒸汽调节门26。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中的火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统，包括电站锅炉2、低压缸14、发电机15、凝汽器17、中压缸19、高压缸21和计算机25。
电站锅炉2的主蒸汽出口和高压缸21的蒸汽进口通过主蒸汽管道3连接，且在主蒸汽管道3上安装有主蒸汽调节门26，在主蒸汽管道3上设置有主蒸汽压力传感器6和主蒸汽温度传感器9；主蒸汽管道3的再热蒸汽出口和中压缸19的蒸汽进口通过再热蒸汽管道热段4连接，且在再热蒸汽管道热段4上安装有再热蒸汽调节门7，在再热蒸汽管道热段4上设置有再热蒸汽管道热段压力传感器5和再热蒸汽管道热段温度传感器8；电站锅炉2的再热蒸汽进口和高压缸21的蒸汽出口通过再热蒸汽管道冷段22连接，且在再热蒸汽管道冷段22上设置有再热蒸汽管道冷段温度传感器23和再热蒸汽管道冷段压力传感器24；中压缸19和低压缸14通过中低压连通管13连接，且在中低压连通管13上安装有中低压连通管调节门12，在中低压连通管13上设置有中低压连通管压力传感器10和中低压连通管温度传感器11；主蒸汽温度传感器9、主蒸汽压力传感器6、再热蒸汽管道热段温度传感器8、再热蒸汽管道热段压力传感器5、再热蒸汽管道冷段温度传感器23、再热蒸汽管道冷段压力传感器24、中低压连通管温度传感器11和中低压连通管压力传感器10均与控制器相连，最终连接到连接至计算机25；凝汽器17的一侧通过汽轮机乏汽管道16与低压缸14连接，凝汽器17的另一侧依次通过凝结水管道18和锅炉给水管道1与电站锅炉2连接，且在凝结水管道18上安装有凝结水泵20。
本实施例中的火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估方法，利用的火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统；步骤如下：
(1)计算机系统根据公式自动计算管道直管段和弯头处的环向热应力与管道直管段内压应力，并将计算结果进行实时在线比较，选取较大值作为后续计算依据；
a)管道的环向热应力计算公式：
其中：α——材料的线性膨胀系数，1/K；
ΔT——蒸汽管道内一段时间内的温度波动幅度，℃；
v——泊松比；
f——管道壁厚、管径相关的结构系数；
b)内压应力计算公式：
其中：σn——内压折算应力，MPa；
p——管道正常运行下的压力，MPa；
Do——蒸汽管道外径，mm；
S——蒸汽管道壁厚，mm；
α——考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加壁厚，mm；
Y——温度对计算管道壁厚公式的修正系数；
(2)对于不同部位，计算机系统根据蒸汽管道模型自动计算其热应力和内压应力，最终形成以管道模型为依托的空间应力分布图；对于焊缝位置的应力按照下列公式计算：
其中：σhf——焊缝内应力；
σmax——管道热应力与内压应力之间的最大值；
μ——焊缝持久强度减弱系数(不同材料，减弱系数不同；同一材料，不同温度，不同运行时间对应的减弱系数不同)；
(3)确定蒸汽管道不同位置对应的蠕变寿命，保存历史数据；至少每年计算一次，按照年度寿命计算值进行数据趋势分析，分析不同管段潜在安全风险；蠕变寿命计算公式：
其中：——材料原始性能数据中某一温度下104h对应的持久强度；
——材料原始性能数据中某一温度下105h对应的持久强度；
n——安全系数；
t——运行期间平均运行温度T0对应的蠕变寿命；
(4)由于运行期间，机组负荷变化或是调峰运行，蒸汽温度和压力会有波动情况，因此对于这种波动情况，蒸汽管道承受疲劳-蠕变交互作用，计算机系统按照蒸汽管道上增加的每一温度、压力等级分别计算温度修正值，累计之和，再修正第三步中的寿命计算结果；
ts＝-k(T-T0)t
其中：T0——计算平均温度；
T——波动期间某一温度值；
t——T相对于T0波动期时间；
ts——T相对于T0波动期时间修正值；
k——温度偏离值修正系数(不同材料，修正值不同)；
(5)经过修正后的蒸汽管道寿命，即为本次在线寿命评估的结果。
由于目前电力市场情况下，机组均大量参与电力调峰和热力调峰，因此管道蠕变-疲劳寿命评估进行；
主蒸汽温度传感器9和主蒸汽压力传感器6将温度、压力信号传送至计算机25，计算机系统根据主蒸汽管道3的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算主蒸汽管道3各管段的蠕变寿命；在根据主蒸汽温度传感器9和主蒸汽压力传感器6的波动情况及运行时间，修正得到主蒸汽管道3各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道热段温度传感器8和再热蒸汽管道热段压力传感器5将温度、压力信号传送至计算机25，计算机系统根据再热蒸汽管道热段4的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算再热蒸汽管道热段4各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道热段温度传感器8和再热蒸汽管道热段压力传感器5的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道热段4各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道冷段温度传感器23和再热蒸汽管道冷段压力传感器24将温度、压力信号传送至计算机25，计算机系统根据再热蒸汽管道冷段22的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算再热蒸汽管道冷段22各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道冷段温度传感器23和再热蒸汽管道冷段压力传感器24的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道冷段22各管段的疲劳-蠕变寿命；
中低压连通管温度传感器11和中低压连通管压力传感器10将温度、压力信号传送至计算机25，计算机系统根据中低压连通管13的材料、结构特征以及机组运行时间等参数，自动计算中低压连通管13各管段的蠕变寿命；在根据中低压连通管温度传感器11和中低压连通管压力传感器10的波动情况及运行时间，修正得到中低压连通管13各管段的疲劳-蠕变寿命；
最后，系统完成在线寿命评估。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估方法，其特征在于：采用一种火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估系统，包括电站锅炉(2)、低压缸(14)、发电机(15)、凝汽器(17)、中压缸(19)、高压缸(21)和计算机(25)；所述电站锅炉(2)的主蒸汽出口和高压缸(21)的蒸汽进口通过主蒸汽管道(3)连接，且在主蒸汽管道(3)上安装有主蒸汽调节门(26)，在主蒸汽管道(3)上设置有主蒸汽压力传感器(6)和主蒸汽温度传感器(9)；所述主蒸汽管道(3)的再热蒸汽出口和中压缸(19)的蒸汽进口通过再热蒸汽管道热段(4)连接，且在再热蒸汽管道热段(4)上安装有再热蒸汽调节门(7)，在再热蒸汽管道热段(4)上设置有再热蒸汽管道热段压力传感器(5)和再热蒸汽管道热段温度传感器(8)；所述电站锅炉(2)的再热蒸汽进口和高压缸(21)的蒸汽出口通过再热蒸汽管道冷段(22)连接，且在再热蒸汽管道冷段(22)上设置有再热蒸汽管道冷段温度传感器(23)和再热蒸汽管道冷段压力传感器(24)；所述中压缸(19)和低压缸(14)通过中低压连通管(13)连接，且在中低压连通管(13)上安装有中低压连通管调节门(12)，在中低压连通管(13)上设置有中低压连通管压力传感器(10)和中低压连通管温度传感器(11)；所述主蒸汽温度传感器(9)、主蒸汽压力传感器(6)、再热蒸汽管道热段温度传感器(8)、再热蒸汽管道热段压力传感器(5)、再热蒸汽管道冷段温度传感器(23)、再热蒸汽管道冷段压力传感器(24)、中低压连通管温度传感器(11)和中低压连通管压力传感器(10)均连接至计算机(25)；所述凝汽器(17)的一侧通过汽轮机乏汽管道(16)与低压缸(14)连接，凝汽器(17)的另一侧依次通过凝结水管道(18)和锅炉给水管道(1)与电站锅炉(2)连接，且在凝结水管道(18)上安装有凝结水泵(20)；
所述火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估方法步骤如下：
1)计算机系统根据公式自动计算管道直管段和弯头处的环向热应力与管道直管段内压应力，并将计算结果进行实时在线比较，选取较大值作为后续计算依据；
a)管道的环向热应力计算公式：
ΔT——蒸汽管道内一段时间内的温度波动幅度，℃；
v——泊松比；
f——管道壁厚、管径相关的结构系数；
b)内压应力计算公式：
其中：σn——内压折算应力，MPa；
p——管道正常运行下的压力，MPa；
Do——蒸汽管道外径，mm；
S——蒸汽管道壁厚，mm；
α——考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加壁厚，mm；
Y——温度对计算管道壁厚公式的修正系数；
2)对于不同部位，计算机系统根据蒸汽管道模型自动计算其热应力和内压应力，最终形成以管道模型为依托的空间应力分布图；对于焊缝位置的应力按照下列公式计算：
其中：σhf——焊缝内应力；
σmax——管道热应力与内压应力之间的最大值；
μ——焊缝持久强度减弱系数；
3)确定蒸汽管道不同位置对应的蠕变寿命，保存历史数据；按照年度寿命计算值进行数据趋势分析，分析不同管段潜在安全风险；蠕变寿命计算公式：
其中：——材料原始性能数据中某一温度下104h对应的持久强度；
——材料原始性能数据中某一温度下105h对应的持久强度；
n——安全系数；
t——运行期间平均运行温度T0对应的蠕变寿命；
4)由于运行期间，机组负荷变化或是调峰运行，蒸汽温度和压力会有波动情况，因此对于这种波动情况，蒸汽管道承受疲劳-蠕变交互作用，计算机系统按照蒸汽管道上增加的每一温度、压力等级分别计算温度修正值，累计之和，再修正第三步中的寿命计算结果；
ts＝-k(T-T0)t
其中：T0——计算平均温度；
T——波动期间某一温度值；
t——T相对于T0波动期时间；
ts——T相对于T0波动期时间修正值；
k——温度偏离值修正系数；
5)经过修正后的蒸汽管道寿命，即为本次在线寿命评估的结果。
2.根据权利要求1中火力发电厂蒸汽管道在线寿命评估方法，其特征在于：由于目前电力市场情况下，机组均大量参与电力调峰和热力调峰，因此管道蠕变-疲劳寿命评估进行；
主蒸汽温度传感器(9)和主蒸汽压力传感器(6)将温度、压力信号传送至计算机(25)，计算机系统根据主蒸汽管道(3)的材料、结构特征以及机组运行时间参数，自动计算主蒸汽管道(3)各管段的蠕变寿命；在根据主蒸汽温度传感器(9)和主蒸汽压力传感器(6)的波动情况及运行时间，修正得到主蒸汽管道(3)各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道热段温度传感器(8)和再热蒸汽管道热段压力传感器(5)将温度、压力信号传送至计算机(25)，计算机系统根据再热蒸汽管道热段(4)的材料、结构特征以及机组运行时间参数，自动计算再热蒸汽管道热段(4)各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道热段温度传感器(8)和再热蒸汽管道热段压力传感器(5)的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道热段(4)各管段的疲劳-蠕变寿命；
再热蒸汽管道冷段温度传感器(23)和再热蒸汽管道冷段压力传感器(24)将温度、压力信号传送至计算机(25)，计算机系统根据再热蒸汽管道冷段(22)的材料、结构特征以及机组运行时间参数，自动计算再热蒸汽管道冷段(22)各管段的蠕变寿命；在根据再热蒸汽管道冷段温度传感器(23)和再热蒸汽管道冷段压力传感器(24)的波动情况及运行时间，修正得到再热蒸汽管道冷段(22)各管段的疲劳-蠕变寿命；
中低压连通管温度传感器(11)和中低压连通管压力传感器(10)将温度、压力信号传送至计算机(25)，计算机系统根据中低压连通管(13)的材料、结构特征以及机组运行时间参数，自动计算中低压连通管(13)各管段的蠕变寿命；在根据中低压连通管温度传感器(11)和中低压连通管压力传感器(10)的波动情况及运行时间，修正得到中低压连通管(13)各管段的疲劳-蠕变寿命；
最后，系统完成在线寿命评估。
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