CN109899120B - 一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统及工作方法，通过流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块和最优运行边界调整模块采集数据，互通后在安全评估模块和最优运行边界调整模块内生成目标机组安全边界数据和优选安全运行边界，从而进行提示机组进行安全性、经济性调整。本方法适用于深度调峰机组部分负荷工况运行时的汽轮机低压通流区安全监测及预警，可以能够准确全面地可有效地预测深度调峰时低压通流区长叶片鼓风临界进汽流量及鼓风高温区位置，可以精细地监测长叶片振动应力峰值大小，可以前瞻预警末级叶片水蚀状态，进一步优化并给出机组安全运行边界。
Description
技术领域
本发明属于汽轮机发电领域，具体涉及一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统及工作方法。
背景技术
目前受电力调峰等因素的影响，火电汽轮机组常运行于部分负荷工况。随着机组负荷率降低，汽轮机低压缸进汽参数随之降低，容积流量大大减少。研究表明，机组在小容积流量条件下运行时，主要存在有低压通流区鼓风、末级叶片颤振、出汽侧以及进汽侧水蚀损伤等的安全性问题。
因此，精准评估监测不同工况下汽轮机低压通流区，低压通流鼓风运行状态、长叶片振动应力，末级叶片水蚀状态，确定安全运行流量边界，对发电汽轮机组的常态化深度调峰运行的安全性保障具有十分重大的意义。
现有的机组运行监视及预警系统中，主要针对机组50％THA及以上运行工况，仅在局部位置设置监测仪、传感器进行监视测量，监测位置及变量不全面，在机组非设计工况，尤其以小容积流量运行时，该系统不能全面的反映出低压通流区的安全状况并进行预警提示，使机组存在运行安全隐患，而且智能化程度较低，不满足智慧电厂的发展方向。因此亟需开发补充智能化新型汽轮机低压通流区安全监测预警系统，这对促进机组部分负荷工况下的安全可靠性运行具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统及工作方法，旨在解决汽轮机非设计工况下，尤其是小容积流量运行状态时的安全监测及预警问题。
为了达到上述目的，一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统，包括通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块以及最优运行边界调整模块，通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块和最优运行边界调整模块间数据互通，并同时连接安全评估模块；
通流区鼓风监测模块用于评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征；
长叶片颤振监测模块用于监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态；
叶片水蚀水刷预警模块用于分析预警处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况；
安全评估模块接收通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块预处理后的检测数据；通过数据分析，寻优计算获取的目标机组安全边界数据，最终进行机组运行安全性评价，并将目标机组安全边界数据发送至最优运行边界调整模块；
最优运行边界调整模块与厂级实时及历史监控信息系统相关联，并结合安全评估模块发送的目标机组安全边界数据，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示调整。
通流区鼓风监测模块包括鼓风高温区温度传感器、鼓风区流速传感器、鼓风区流向监测器和低压缸体变形监测器，鼓风高温区温度传感器、鼓风区流速传感器、鼓风区流向监测器连接低压缸体变形监测器；
鼓风高温区温度传感器置于长叶片鼓风温度场最高的区域；鼓风区流速传感器置于末级长叶片叶顶区域以及次末级与末级间区域；鼓风区流向监测器置于末级长叶片叶顶区域；低压缸体变形监测器持续接收高温区温度传感器、鼓风区流速传感器和鼓风区流向监测器的数据，用以监视低压内缸在鼓风态流场结构影响下的热变形量。
长叶片颤振监测模块包括置于长叶片顶部、根部及中叶展处的长叶片位移测量传感器，置于中叶展处的频率监测示波器，以及置于低压内缸缸体的低压缸缸体振幅监测器，长叶片位移测量传感器、频率监测示波器和低压缸缸体振幅监测器均与安全评估模块通信。
叶片水蚀水刷预警模块包括末级工作区湿度预分析单元、后缸喷水控制单元以及低压通流去湿装置运行监测单元，末级工作区湿度预分析单元连接后缸喷水控制单元以及低压通流去湿装置运行监测单元；
后缸喷水控制单元用于控制后缸的喷水参数；
低压通流去湿装置运行监测单元用于实时监测低压通流去湿装置的工作状态；
末级工作区湿度预分析单元结合后缸喷水控制单元和低压通流去湿装置运行监测单元的数据，根据低压缸进汽边界条件，采用反距离加权法进行差值，获取末级工作区湿度。
一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，通流区鼓风监测模块评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征；长叶片颤振监测模块监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态；叶片水蚀水刷预警模块分析处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况，并预警；通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块将预处理后的数据相互流通，并发送至安全评估模块；
步骤二，安全评估模块根据目标机组热力特性参数，建立目标机组的热力平衡数学计算模型，计算获取了多负荷工况下热力系统汽水参数分布特性的基础数据；再通过建立热-流-固耦合全三维非定常数值仿真模型，计算获取鼓风临界流量及长叶片安全性流量边界范围，作为目标机组安全边界数据嵌入安全评估模块，并发送至最优运行边界调整模块；
步骤三，最优运行边界调整模块结合安全评估模块发送的目标机组安全边界数据，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示机组进行安全性、经济性调整。
步骤一中，通流区鼓风监测模块中关键物理量的定量表征包括鼓风态流场的时速度极值、鼓风态流场作用下降产生的回流涡结构以及末级长叶片叶顶区域的流体流向转换时的低压缸进汽处热力参数，并从热力参数获取鼓风态临界流量值。
步骤一中，长叶片颤振监测模块的工作方法如下：
第一步，将根据目标机组的末级及次末级叶片结构，建立叶片的振动方程，并采用直接积分方法对振动响应进行求解，以获取目标机组长叶片的振动特性；
求解过程中施加多物理场边界条件有：由计算流体动力学计算结果传递的叶片表面温度载荷；由CFD计算结果传递的叶片表面各个节点施加多个时刻的汽流力载荷；离心载荷，通过定义旋转角速度来进行加载；约束叉型叶根销钉孔；约束叶片凸肩接触面；约束围带接触面；
第二步，拟合建立目标机组计算模型下的基础物理量及通流区鼓风监测模块中传递鼓风区流速，并与叶片振动应力间的动态非线性耦合方程式；
第三步，绘制不同负荷下的叶片节点频响图；
第四步，根据将预处理后的实测值迭代入拟合好的动态非线性耦合方程式得到实际工况下叶片振动应力并与理论计算值进行综合对比。
叶片水蚀水刷预警模块分析预警采用欧拉-欧拉多相流模型；在考虑非平衡凝结过程的基础上，根据低压缸进汽边界条件，采用反距离加权法进行差值，获取末级工作区湿度；建立末级工作区湿度、鼓风温度以及后缸喷水水量之间的非线性关系，并根据特征值设置了保护逻辑。
与现有技术相比，本发明的系统将流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块和最优运行边界调整模块间数据互通，并同时连接安全评估模块，通流区鼓风监测模块用于评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征。长叶片颤振监测模块用于监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态。叶片水蚀水刷预警模块用于分析预警处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况。安全评估模块分别接收通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块所传递的预处理检测数据，并与多维度寻优计算所获取的目标机组安全边界数据进行综合对比，最终进行机组运行安全性评价，最优运行边界调整模块将通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，找出并提示机组目标负荷下的最优运行边界值。本发明能够显著提高汽轮机低压末级安全稳定性，对提高整机安全经济性具有重要的工程应用价值。
本发明的方法通过流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块和最优运行边界调整模块采集数据，互通后在安全评估模块和最优运行边界调整模块内生成目标机组安全边界数据和优选安全运行边界，从而进行提示机组进行安全性、经济性调整。本方法适用于深度调峰机组部分负荷工况运行时的汽轮机低压通流区安全监测及预警，可以能够准确全面地可有效地预测深度调峰时低压通流区长叶片鼓风临界进汽流量及鼓风高温区位置，可以精细地监测长叶片振动应力峰值大小，可以前瞻预警末级叶片水蚀状态，进一步优化并给出机组安全运行边界。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中通流区鼓风监测模块的系统框图；
图3为本发明中长叶片颤振监测模块的系统框图；
图4为本发明中叶片水蚀水刷预警模块的系统框图；
图5为本发明中安全评估模块的系统框图；
图6为本发明中最优运行边界调整模块的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块、安全评估模块以及最优运行边界调整模。
参见图2，通流区鼓风监测模块用于评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征。具体包括有鼓风高温区温度传感器、鼓风区流速传感器、鼓风区流向监测器、低压缸体变形监测器。
鼓风高温区温度传感器应置于长叶片鼓风温度场最高区域，该区域可通过全三维非定常流动计算获取，也可通过同类型机组相关性数据参考获取。该传感器测量值应反馈至控制系统，与叶片及缸体极限温度值进行比对，并设置保护参考值。
鼓风区流速传感器应首先安置于末级长叶片叶顶区域，该区域为鼓风态流场出现时速度极值区域。其次，在次末级与末级间区域也安置鼓风区流速传感器，该区域在鼓风态流场作用下降产生较为复杂的回流涡结构，是叶片颤振的诱导因素之一。鼓风区流速传感器获取的数据应传递至长叶片颤振监测模，用以后续分析。
鼓风区流向监测器应安置于末级长叶片叶顶区域，通过分析该区域流体流向转换时的低压缸进汽处热力参数，可以获取鼓风态临界流量值。
低压缸体变形监测器用以监视低压内缸在鼓风态流场结构影响下的热变形量，应设置保护参考值，防止发生转静碰磨。
参见图3，长叶片颤振监测模块用于监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态。主要由长叶片位移测量传感器、长叶片频率监测示波器以及低压缸缸体振幅监测器构成。
长叶片位移测量传感器分布安置于长叶片顶部、根部及中叶展处，采用无线测量装置发出位移信号。长叶片频率监测示波器置于中叶展处，低压缸缸体振幅监测器置于低压内缸缸体，均采用无线装置进行非接触信号传递。
该模块中，首先，将根据目标机组的末级及次末级叶片结构，建立叶片的振动方程，并采用直接积分方法对振动响应进行求解，以获取目标机组长叶片的振动特性。求解过程中施加多物理场边界条件有：由计算流体动力学计算结果传递的叶片表面温度载荷；由CFD计算结果传递的叶片表面各个节点施加多个时刻的汽流力载荷；离心载荷，通过定义旋转角速度来进行加载，汽轮机转速为3000转/分；约束叉型叶根销钉孔；约束叶片凸肩接触面；约束围带接触面；接着，拟合建立目标机组计算模型下的基础物理量如位移(包括叶顶、叶根及中叶展)，及通流区鼓风监测模块中传递鼓风区流速等，与叶片振动应力间的动态非线性耦合方程式。其次，绘制不同负荷下的叶片节点频响图。最后，根据将预处理后的实测值迭代入拟合好的动态非线性耦合方程式得到实际工况下叶片振动应力并与理论计算值进行综合对比。
参见图4，叶片水蚀水刷预警模块用于分析预警处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况。主体由末级工作区湿度预分析单元、后缸喷水智能控制单元以及低压通流去湿装置运行监测单元构成。
末级工作区湿度预分析单元首先精确考虑了蒸汽实际情况下的非平衡凝结过程，即在过饱和现象的影响下，蒸汽在跨越饱和线后并不立即凝结，而是继续按照过热蒸汽的性质膨胀，蒸汽因此偏离了饱和的平衡态。随着蒸汽继续膨胀，这种热力不平衡状态也发展到极点，即Wilson点，这时蒸汽中才将开始突然凝结出大量微小水滴。与水蒸汽平衡态凝结流动模型不同，水蒸汽非平衡态凝结流动模型是一种欧拉-欧拉多相流模型，汽、液两相分别有各自的控制方程组，相间作用以源项的形式附加在控制方程组中。
在考虑非平衡凝结过程的基础上，末级工作区湿度预分析单元将根据低压缸进汽边界条件，采用反距离加权法进行差值，获取末级工作区湿度。
同时叶片水蚀水刷预警模块中将在低压通流去湿装置如去湿槽等位置加装监测单元，实时监测低压通流去湿装置的工作状态，保证疏水流畅。由于机组负荷降低时，鼓风现象明显，或需后缸喷水开启以降低排汽温度，但喷水过多将影响排汽湿度。因此本模块中进一步建立了末级湿度、鼓风温度以及后缸喷水水量之间的非线性关系，并根据特征值设置了保护逻辑，智能化的控制后缸喷水保证机组安全。
参见图5，安全评估模块分别接收通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块预处理后的检测数据。
另外根据目标机组热力特性参数，在该模块中预先建立目标机组的热力平衡数学计算模型，计算获取了多负荷工况下热力系统汽水参数分布特性的基础数据。其次，通过建立热-流-固耦合全三维非定常数值仿真模型，计算获取鼓风临界流量及长叶片安全性流量边界范围，并将其数据库嵌入安全评估模块。
通过数据分析，将监测模块传递来的检测数据与多维度计算获取的目标机组安全边界数据进行全面对比，最终进行机组运行安全性评价。
参见图6，最优运行边界调整模块与厂级实时及历史监控信息系统相关联，并结合寻优计算获取的安全边界数据库，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示机组进行安全性、经济性调整。
一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一，通流区鼓风监测模块评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征；长叶片颤振监测模块监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态；叶片水蚀水刷预警模块分析处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况，并预警；通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块将预处理后的数据相互流通，并发送至安全评估模块；
步骤二，安全评估模块根据目标机组热力特性参数，建立目标机组的热力平衡数学计算模型，计算获取了多负荷工况下热力系统汽水参数分布特性的基础数据；再通过建立热-流-固耦合全三维非定常数值仿真模型，计算获取鼓风临界流量及长叶片安全性流量边界范围，作为目标机组安全边界数据嵌入安全评估模块，并发送至最优运行边界调整模块；
步骤三，最优运行边界调整模块结合安全评估模块发送的目标机组安全边界数据，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示机组进行安全性、经济性调整。
Claims (7)
1.一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，预警系统包括通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块以及最优运行边界调整模块，通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块、叶片水蚀水刷预警模块和最优运行边界调整模块间数据互通，并同时连接安全评估模块；
通流区鼓风监测模块用于评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征；
长叶片颤振监测模块用于监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态；
叶片水蚀水刷预警模块用于分析预警处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况；
安全评估模块接收通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块预处理后的检测数据；通过数据分析，寻优计算获取的目标机组安全边界数据，最终进行机组运行安全性评价，并将目标机组安全边界数据发送至最优运行边界调整模块；
最优运行边界调整模块与厂级实时及历史监控信息系统相关联，并结合安全评估模块发送的目标机组安全边界数据，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示调整；
工作方法包括以下步骤：
步骤一，通流区鼓风监测模块评估监视低压通流区鼓风流动状态并给出关键物理量的定量表征；长叶片颤振监测模块监测评估由叶栅通道内负攻角脱落回流涡引起的长叶片颤振状态；叶片水蚀水刷预警模块分析处于湿蒸汽区工作环境下的低压末级叶片所承受的水蚀水刷情况，并预警；通流区鼓风监测模块、长叶片颤振监测模块以及叶片水蚀水刷预警模块将预处理后的数据相互流通，并发送至安全评估模块；
步骤二，安全评估模块根据目标机组热力特性参数，建立目标机组的热力平衡数学计算模型，计算获取了多负荷工况下热力系统汽水参数分布特性的基础数据；再通过建立热-流-固耦合全三维非定常数值仿真模型，计算获取鼓风临界流量及长叶片安全性流量边界范围，作为目标机组安全边界数据嵌入安全评估模块，并发送至最优运行边界调整模块；
步骤三，最优运行边界调整模块结合安全评估模块发送的目标机组安全边界数据，通过多目标数据挖掘，采用自适应差分算法，确立最终的目标负荷下的优选安全运行边界，并进行提示机组进行安全性、经济性调整。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，通流区鼓风监测模块包括鼓风高温区温度传感器、鼓风区流速传感器、鼓风区流向监测器和低压缸体变形监测器，鼓风高温区温度传感器、鼓风区流速传感器、鼓风区流向监测器连接低压缸体变形监测器；
鼓风高温区温度传感器置于长叶片鼓风温度场最高的区域；鼓风区流速传感器置于末级长叶片叶顶区域以及次末级与末级间区域；鼓风区流向监测器置于末级长叶片叶顶区域；低压缸体变形监测器持续接收高温区温度传感器、鼓风区流速传感器和鼓风区流向监测器的数据，用以监视低压内缸在鼓风态流场结构影响下的热变形量。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，长叶片颤振监测模块包括置于长叶片顶部、根部及中叶展处的长叶片位移测量传感器，置于中叶展处的频率监测示波器，以及置于低压内缸缸体的低压缸缸体振幅监测器，长叶片位移测量传感器、频率监测示波器和低压缸缸体振幅监测器均与安全评估模块通信。
4.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，叶片水蚀水刷预警模块包括末级工作区湿度预分析单元、后缸喷水控制单元以及低压通流去湿装置运行监测单元，末级工作区湿度预分析单元连接后缸喷水控制单元以及低压通流去湿装置运行监测单元；
后缸喷水控制单元用于控制后缸的喷水参数；
低压通流去湿装置运行监测单元用于实时监测低压通流去湿装置的工作状态；
末级工作区湿度预分析单元结合后缸喷水控制单元和低压通流去湿装置运行监测单元的数据，根据低压缸进汽边界条件，采用反距离加权法进行差值，获取末级工作区湿度。
5.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，步骤一中，通流区鼓风监测模块中关键物理量的定量表征包括鼓风态流场的时速度极值、鼓风态流场作用下降产生的回流涡结构以及末级长叶片叶顶区域的流体流向转换时的低压缸进汽处热力参数，并从热力参数获取鼓风态临界流量值。
6.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，步骤一中，长叶片颤振监测模块的工作方法如下：
第一步，将根据目标机组的末级及次末级叶片结构，建立叶片的振动方程，并采用直接积分方法对振动响应进行求解，以获取目标机组长叶片的振动特性；
求解过程中施加多物理场边界条件有：由计算流体动力学计算结果传递的叶片表面温度载荷；由CFD计算结果传递的叶片表面各个节点施加多个时刻的汽流力载荷；离心载荷，通过定义旋转角速度来进行加载；约束叉型叶根销钉孔；约束叶片凸肩接触面；约束围带接触面；
第二步，拟合建立目标机组计算模型下的基础物理量及通流区鼓风监测模块中传递鼓风区流速，并与叶片振动应力间的动态非线性耦合方程式；
第三步，绘制不同负荷下的叶片节点频响图；
第四步，根据将预处理后的实测值迭代入拟合好的动态非线性耦合方程式得到实际工况下叶片振动应力并与理论计算值进行综合对比。
7.根据权利要求1所述的一种汽轮机低压通流区安全监测预警系统的工作方法，其特征在于，叶片水蚀水刷预警模块分析预警采用欧拉-欧拉多相流模型；在考虑非平衡凝结过程的基础上，根据低压缸进汽边界条件，采用反距离加权法进行差值，获取末级工作区湿度；建立末级工作区湿度、鼓风温度以及后缸喷水水量之间的非线性关系，并根据特征值设置了保护逻辑。
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| CN109899120A (zh) | 2019-06-18 |
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