CN113051800A - 一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽轮机监测领域，具体涉及一种汽轮机全周期寿命评估系统，DCS数据采集模块、应力裕度计算模块、寿命损耗计算模块、寿命显示模块、温度场计算模块、温度场显示模块、检修指示模块，本系统通过对大型汽轮发电机组转子进行各种启动运行情况下疲劳强度问题的计算、验证及仿真。定量的计算汽轮机运转过程中的运行应力、温度场、疲劳寿命，并且给出检修建议，准确的机组寿命评估和合理的检修安排就可使汽轮机寿命大大延长。

Description

一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统

技术领域

本发明属于汽轮机监测领域，具体涉及一种汽轮机全周期寿命评估系统。

背景技术

由于调峰及其它需求，汽轮机组处于启停、变负荷等运行工况的机会越来越频繁，设备部件承受的应力载荷也越来越大，寿命损耗也越来越严重。并且，汽轮机组的使用寿命一般为25～30年，但由于发电缺口的不断加大，电厂希望尽量利用现有机组超期服役等原因，机组可靠性显著降低。

汽轮机转子长期工作在高温、高压恶劣环境下，停机和启动过程中温度变化剧烈，容易出现疲劳裂纹。而转子上一旦出现裂纹，则很难进行修复，因此可以说转子的寿命就代表着整个机组的寿命。只有对它们进行较为准确的剩余疲劳寿命评价，优化启动运行曲线，并采取合理的检修安排，同时加强运行监测，及时发现转子的受损部位，采取必要的修复或更换，才能确保这些老机组的安全运行。也可以说准确的机组寿命评估和合理的检修安排就可使汽轮机寿命大大延长。

因此对汽轮机转子疲劳寿命进行实时定量监控评估，并且给出检修指示与建议非常重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，本发明通过计算转子的应力裕度、温度场、转子材料的低周疲劳曲线，综合得出汽轮机转子的寿命、允许启停次数以及检修指示。本发明是通过以下技术方案实现的：

一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，其特征在于，包括：

DCS数据采集模块：用于采集DCS系统下的设置于汽轮机转子各部位的各类传感器所传回的传感器数据，将数据库中温度

应力裕度计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机转子的应力裕度；

应力裕度显示模块：用于显示所述应力裕度计算模块的计算结果；应力裕度的计算原理如下：

热应力基本方程：

式中，T_m为物体(即转子)的平均温度，T为计算点温度。

在线监测有限差分方法将转子简化为无限长圆柱、内缸及外缸简化为空心圆环，阀门简化为圆筒，但监测部位存在热应力集中现象，需考虑应力集中系数K_th，应力集中系数由有限元计算结果修正(或由模块程序数据配置得到)。

对于转子来说，运行过程中转子不断转动，产生离心力，离心应力与转速的平方成正比，在升速过程中，任意转速下的离心应力值应为：

式中σ_n——任意转速n下的离心切向应力

σ₀——额定转速n₀下的离心切向应力

汽轮机各零部件上除了热应力外，还存在各种机械应力，包括蒸汽压力的压应力，传递扭矩引起的剪应力，自重引起的交变拉压应力，叶片叶轮以及转子自重产生的离心应力等。

在正常启动和运行中，转子传递扭矩产生的剪应力不超过9.8Mpa；由转子自重引起的弯曲应力属于高频交变应力，若不存在严重的偏心现象，该项应力只有9.8Mpa左右，这两项应力与转子材料的屈服极限相比很小，均可忽略不计。由转子自身离心力作用产生的切向应力是个较大的数量级，因此，对转子进行应力合成时，主要考虑离心应力和热应力，采用Misses原则合成等价应力。

应力裕度系数是向电厂操作人员提示应力是否在允许的范围内的参数，通过应力裕度系数可以反映温升率是否超限，抑或相反。应力裕度系数定义是应力尚小于许用应力的比例数，也就是计算应力与许用应力相比，尚有多少富裕度。计算公式如下：

式中：σ—计算出的应力值，MPa

[σ]—许用应力，由材料和工作温度确定，工作温度在530℃以下时，以0.2％变形的屈服极限σ_0.2为准，并考虑安全系数，采用：

[σ]＝C₂σ_0.2

当工作温度高于530℃时，考虑高温蠕变的影响，采用10万小时的持久极限

为准，同样也考虑了安全系数后得：

其中，C₂为安全系数。

例如，当k＝80％，表示计算应力只达到许用应力的20％，裕度还有80％，裕度很大；

当k＝20％，表示计算应力已达到许用应力的80％，裕度还有20％，裕度很小，不应再提高温升率；

当k≤0，表示计算应力已达到(或超过)许用应力，应立即调整温升率。

寿命损耗计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机启动或停机的疲劳损耗、高温蠕变寿命损耗，进而计算出汽轮机转子的剩余寿命、剩余启动次数；

寿命显示模块：用于显示所述寿命计算模块所计算出的剩余寿命、剩余启动次数；寿命损耗计算的原理如下：

低周疲劳寿命损耗根据各零部套金属的低周疲劳特性曲线计算，准确的计算应该以材料的全应变作为计算的根据，但为计算简化采用等效应力计算，得到载荷谱处理结果后，通过低周疲劳曲线便可确定寿命损耗。

机组每次启、停或负荷大幅度变动，所造成的疲劳寿命损耗，是根据该工况应力—应变循环的幅值，由材料低周疲劳曲线确定。材料的低周疲劳曲线与材料的化学物理性质、工作温度等有关，由实验数据综合得出。

启动或停机时，每个应变峰值所造成的疲劳损耗为1/2N_i，根据Palmgram—Miner法则，累计疲劳损耗为

N_i—应变幅值为Δε_i时，材料出现第一条宏观裂纹的应变循环次数，由材料疲劳特性曲线查得；

n_i—实际经历的应变幅值为Δε_i的应变循环数。

高温蠕变寿命损耗通过统计在不同温度区域运行的时间累积值来评估和计算。根据工作温度和工作应力计算其蠕变寿命损耗，在线监测时，用不同温度和应力条件下的运行时间来记录蠕变寿命损耗。

蠕变寿命损耗，按下式计算：

式中：T_i—相应于一定压力、温度、材料发生蠕变断裂时间；

t_i—材料实际承受与计算T_i相同应力、温度的时间。

依据线形累积法则，则总寿命损耗率为

φ＝φ_c+φ_f

如果寿命总损耗率达到了1，即φ＝1，则认为已达到寿终，该部套可能产生裂纹。在这以后，应加强汽轮机运行的监督，每次大修后，检查是否出现裂纹或裂纹的发展情况。

实际上，考虑腐蚀等其它因素对疲劳寿命的影响，启动、停机及变工况的允许总损耗率取为；

φ_c+φ_f<1

启动次数初始值为该新机允许启动次数，但剩余允许启动次数并非通过记录启停次数求得的，而是通过计算每次启停过程的低周疲劳损耗计算出的，这就会导致如下结果：一次自然启机过程，若对启机状态控制的较好，低于设计寿命损耗值，则此次消耗的启动次数小于1，即此次启机后允许启动次数不变；若对启机状态控制的不好，高于设计寿命损耗值，则此次消耗的启动次数将大于1，即此次启机后允许启动次数减少了多次。该方法计算的剩余启动次数更为合理，为机组的安全运行及寿命期后的延寿分析打下基础。

温度场计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机各零布套的温度分布；

温度场显示模块：用于显示所述温度场计算模块的计算结果，所述温度场显示模块分别显示高压部分温度场和低压部分温度场；温度场计算原理如下：

简化后的热传导方程为：

其中a＝λ/ρc为导温系数。

差分方程为：

式中t_i为内部节点温度，Δr为分段长度，Δτ为时间间隔，t'_i为时间间隔Δτ后的内部节点温度。

将傅立叶数

代入上式可写为：

t'_i＝C_nt_i+1+D_nt_i-1+Et_i

式中

E＝1-2Fo

为满足收敛条件，须Fo≤1/2

按绝热边界条件建立节点间温度关系，节点B代表内表面，有

t'_B＝Ft₁+(1-F)t_B

式中

按对流放热边界条件建立节点间温度关系，节点o代表外表面，节点n代表外面最近的转子分段，则有：

t'_o＝G(t_n-t_o)+H(t_f-t_o)+t_o

式中

为毕渥数，t_f为蒸汽温度。

根据上述方法可以计算出汽轮机各零部套的温度分布，通过数字孪生技术在客户端显示温度分布情况，提高业主的对于机组状态的了解程度及可视性。

检修指示模块：用于综合所述应力裕度计算模块、寿命损耗计算模块、温度场计算模块的计算结果进行二次分析，作出检修指示。

进一步地，所述温度场计算模块将汽轮机各部套简化后的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，各单元体内部通过热传导矩阵迭代，边界单元体通过换热系数确定单元条件，应用已存在的温度传感器修正迭代方程，计算出无限自由度的汽轮机零部套的温度分布情况，实现不可直接测量部位的温度的计算。

进一步地，该系统还包括纵剖截面温度显示模块，触发显示所述温度场显示模块温度场云图的一个部位的命令，所述纵剖截面温度显示模块接收所述命令，所述纵剖截面温度显示模块显示该部位的若干个不同截面的温度分布。

本发明的有益效果为：本系统通过对大型汽轮发电机组转子进行各种启动运行情况下疲劳强度问题的计算、验证及仿真。定量的计算汽轮机运转过程中的运行应力、温度场、疲劳寿命，并且给出检修建议，准确的机组寿命评估和合理的检修安排就可使汽轮机寿命大大延长。

具体实施方式

一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，其特征在于，包括：

DCS数据采集模块：用于采集DCS系统下的设置于汽轮机转子各部位的各类传感器所传回的传感器数据，将数据库中温度

应力裕度计算模块：接收传感器数据，并且计算汽轮机转子的应力裕度；

应力裕度显示模块：用于显示应力裕度计算模块的计算结果；应力裕度的计算原理如下：

热应力基本方程：

式中，T_m为物体(即转子)的平均温度，T为计算点温度。

在线监测有限差分方法将转子简化为无限长圆柱、内缸及外缸简化为空心圆环，阀门简化为圆筒，但监测部位存在热应力集中现象，需考虑应力集中系数K_th，应力集中系数由有限元计算结果修正(或由模块程序数据配置得到)。

对于转子来说，运行过程中转子不断转动，产生离心力，离心应力与转速的平方成正比，在升速过程中，任意转速下的离心应力值应为：

式中σ_n——任意转速n下的离心切向应力

σ₀——额定转速n₀下的离心切向应力

汽轮机各零部件上除了热应力外，还存在各种机械应力，包括蒸汽压力的压应力，传递扭矩引起的剪应力，自重引起的交变拉压应力，叶片叶轮以及转子自重产生的离心应力等。

在正常启动和运行中，转子传递扭矩产生的剪应力不超过9.8Mpa；由转子自重引起的弯曲应力属于高频交变应力，若不存在严重的偏心现象，该项应力只有9.8Mpa左右，这两项应力与转子材料的屈服极限相比很小，均可忽略不计。由转子自身离心力作用产生的切向应力是个较大的数量级，因此，对转子进行应力合成时，主要考虑离心应力和热应力，采用Misses原则合成等价应力。

应力裕度系数是向电厂操作人员提示应力是否在允许的范围内的参数，通过应力裕度系数可以反映温升率是否超限，抑或相反。应力裕度系数定义是应力尚小于许用应力的比例数，也就是计算应力与许用应力相比，尚有多少富裕度。计算公式如下：

式中：σ—计算出的应力值，MPa

[σ]—许用应力，由材料和工作温度确定，工作温度在530℃以下时，以0.2％变形的屈服极限σ_0.2为准，并考虑安全系数，采用：

[σ]＝C₂σ_0.2

当工作温度高于530℃时，考虑高温蠕变的影响，采用10万小时的持久极限

为准，同样也考虑了安全系数后得：

其中，C₂为安全系数。

例如，当k＝80％，表示计算应力只达到许用应力的20％，裕度还有80％，裕度很大；

当k＝20％，表示计算应力已达到许用应力的80％，裕度还有20％，裕度很小，不应再提高温升率；

当k≤0，表示计算应力已达到(或超过)许用应力，应立即调整温升率。

寿命损耗计算模块：接收传感器数据，并且计算汽轮机启动或停机的疲劳损耗、高温蠕变寿命损耗，进而计算出汽轮机转子的剩余寿命、剩余启动次数；

寿命显示模块：用于显示寿命计算模块所计算出的剩余寿命、剩余启动次数；寿命损耗计算的原理如下：

低周疲劳寿命损耗根据各零部套金属的低周疲劳特性曲线计算，准确的计算应该以材料的全应变作为计算的根据，但为计算简化采用等效应力计算，得到载荷谱处理结果后，通过低周疲劳曲线便可确定寿命损耗。

机组每次启、停或负荷大幅度变动，所造成的疲劳寿命损耗，是根据该工况应力—应变循环的幅值，由材料低周疲劳曲线确定。材料的低周疲劳曲线与材料的化学物理性质、工作温度等有关，由实验数据综合得出。

启动或停机时，每个应变峰值所造成的疲劳损耗为1/2N_i，根据Palmgram—Miner法则，累计疲劳损耗为

N_i—应变幅值为Δε_i时，材料出现第一条宏观裂纹的应变循环次数，由材料疲劳特性曲线查得；

n_i—实际经历的应变幅值为Δε_i的应变循环数。

高温蠕变寿命损耗通过统计在不同温度区域运行的时间累积值来评估和计算。根据工作温度和工作应力计算其蠕变寿命损耗，在线监测时，用不同温度和应力条件下的运行时间来记录蠕变寿命损耗。

蠕变寿命损耗，按下式计算：

式中：T_i—相应于一定压力、温度、材料发生蠕变断裂时间；

t_i—材料实际承受与计算T_i相同应力、温度的时间。

依据线形累积法则，则总寿命损耗率为

φ＝φ_c+φ_f

如果寿命总损耗率达到了1，即φ＝1，则认为已达到寿终，该部套可能产生裂纹。在这以后，应加强汽轮机运行的监督，每次大修后，检查是否出现裂纹或裂纹的发展情况。

实际上，考虑腐蚀等其它因素对疲劳寿命的影响，启动、停机及变工况的允许总损耗率取为；

φ_c+φ_f<1

启动次数初始值为该新机允许启动次数，但剩余允许启动次数并非通过记录启停次数求得的，而是通过计算每次启停过程的低周疲劳损耗计算出的，这就会导致如下结果：一次自然启机过程，若对启机状态控制的较好，低于设计寿命损耗值，则此次消耗的启动次数小于1，即此次启机后允许启动次数不变；若对启机状态控制的不好，高于设计寿命损耗值，则此次消耗的启动次数将大于1，即此次启机后允许启动次数减少了多次。该方法计算的剩余启动次数更为合理，为机组的安全运行及寿命期后的延寿分析打下基础。

温度场计算模块：接收传感器数据，并且计算汽轮机各零布套的温度分布；

温度场显示模块：用于显示温度场计算模块的计算结果，温度场显示模块分别显示高压部分温度场和低压部分温度场；温度场计算原理如下：

简化后的热传导方程为：

其中a＝λ/ρc为导温系数。

差分方程为：

式中t_i为内部节点温度，Δr为分段长度，Δτ为时间间隔，t'_i为时间间隔Δτ后的内部节点温度。

将傅立叶数

代入上式可写为：

t'_i＝C_nt_i+1+D_nt_i-1+Et_i

式中

E＝1-2Fo

为满足收敛条件，须Fo≤1/2

按绝热边界条件建立节点间温度关系，节点B代表内表面，有

t'_B＝Ft₁+(1-F)t_B

式中

按对流放热边界条件建立节点间温度关系，节点o代表外表面，节点n代表外面最近的转子分段，则有：

t'_o＝G(t_n-t_o)+H(t_f-t_o)+t_o

式中

为毕渥数，t_f为蒸汽温度。

根据上述方法可以计算出汽轮机各零部套的温度分布，通过数字孪生技术在客户端显示温度分布情况，提高业主的对于机组状态的了解程度及可视性。

温度场计算模块将汽轮机各部套简化后的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，各单元体内部通过热传导矩阵迭代，边界单元体通过换热系数确定单元条件，应用已存在的温度传感器修正迭代方程，计算出无限自由度的汽轮机零部套的温度分布情况，实现不可直接测量部位的温度的计算。

该系统还包括纵剖截面温度显示模块，触发显示温度场显示模块温度场云图的一个部位的命令，纵剖截面温度显示模块接收命令，纵剖截面温度显示模块显示该部位的若干个不同截面的温度分布。

检修指示模块：用于综合应力裕度计算模块、寿命损耗计算模块、温度场计算模块的计算结果进行二次分析，作出检修指示。

Claims (3)

1.一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，其特征在于，包括：

DCS数据采集模块：用于采集DCS系统下的设置于汽轮机转子各部位的各类传感器所传回的传感器数据，

应力裕度计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机转子的应力裕度；

应力裕度显示模块：用于显示所述应力裕度计算模块的计算结果；

寿命损耗计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机启动或停机的疲劳损耗、高温蠕变寿命损耗，进而计算出汽轮机转子的剩余寿命、剩余启动次数；

寿命显示模块：用于显示所述寿命计算模块所计算出的剩余寿命、剩余启动次数；

温度场计算模块：接收所述传感器数据，并且计算汽轮机各零布套的温度分布；

温度场显示模块：用于显示所述温度场计算模块的计算结果，所述温度场显示模块分别显示高压部分温度场和低压部分温度场；

检修指示模块：用于综合所述应力裕度计算模块、寿命损耗计算模块、温度场计算模块的计算结果进行二次分析，作出检修指示。

2.如权利要求1所述的一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，其特征在于，所述温度场计算模块将汽轮机各部套简化后的求解区域离散为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，各单元体内部通过热传导矩阵迭代，边界单元体通过换热系数确定单元条件，应用已存在的温度传感器修正迭代方程，计算出无限自由度的汽轮机零部套的温度分布情况，实现不可直接测量部位的温度的计算。

3.如权利要求2所述的一种汽轮机转子寿命评估及检修指示系统，其特征在于，包括纵剖截面温度显示模块，触发显示所述温度场显示模块温度场云图的一个部位的命令，所述纵剖截面温度显示模块接收所述命令，所述纵剖截面温度显示模块显示该部位的若干个不同截面的温度分布。