CN113312730B - 一种双驱汽轮机转子应力监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双驱汽轮机转子应力监测方法,本方法通过利用构建虚拟传感器对测点获得的实时数据进行优化处理,使获得的测量数据更为准确真实;通过汽轮机通流部分变工况计算获得的边界条件计算转子的温度场和应力场,从而使得数值计算的结果与转子的真实情况更为吻合;最后得到的转子应力监测模型具有更高的精度,能够准确地反映双驱汽轮机转子的受力情况,也可反映出转子的实际寿命损耗,对转子寿命进行评估监测。
Description
技术领域
本发明属于汽轮机转子应力监测技术领域,涉及一种双驱汽轮机转子应力监测方法。
背景技术
火电机组的汽轮机转子在运转过程中,其工作环境非常恶劣,不仅要承受自身、叶片的离心力、蒸汽汽流力以及交变应力的共同作用,还受到高温给材料带来的蠕变作用。高温和大应力载荷对转子材料的损伤会导致汽轮机寿命损耗增加,缩短汽轮机的使用年限,严重时甚至引起大轴断裂的严重事故发生。针对汽轮机转子的受力分析是一个很复杂的问题,尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手段,一般需要通过理论计算来解决。但由于汽轮机转子的结构、边界条件极其复杂,采用解析方法一般很难得到其准确的温度、应力分布。尤其是针对目前新出现的双驱汽轮机,由于转子上的载荷分布更为复杂,如何准确了解转子热应力的变化规律以及这些变化对汽轮机的寿命的影响有极重要的意义。
由于目前转子的温度和应力尚不能直接进行测量,只能通过间接的方法,例如建立相应的数学模型,测量相关参数,求出转子金属温度和应力的变化及其寿命损耗。无论国内或国外的转子应力监视器或转子应力监控器,其转子应力的数学模型均是直接采用一维温度场理论解的简化式,其计算精度较低,只能反映应力变化趋势,而不能得到应力的精确值。若在此基础上计算转子在启动、停机和变负荷过程的寿命损耗,将会产生较大的误差。随着计算机技术及数值计算技术的发展,有限元方法由于能够模拟几何形状复杂的结构并且可以方便地处理各种边界条件,己经成为解决复杂物理场问题的有效方法。在转子热应力分析中大多采用有限元法进行分析研究。只要边界条件符合实际情况,离散网格足够小,通过有限单元法就可以获得较精确的转子应力场。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明公布了一种双驱汽轮机转子应力监测方法,本方法通过利用构建虚拟传感器对测点获得的实时数据进行优化处理,使获得的测量数据更为准确真实;通过汽轮机通流部分变工况计算获得的边界条件计算转子的温度场和应力场,从而使得数值计算的结果与转子的真实情况更为吻合;最后得到的转子应力监测模型具有更高的精度,能够准确地反映双驱汽轮机转子的受力情况,也可反映出转子的实际寿命损耗,对转子寿命进行评估监测。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种双驱汽轮机转子应力监测方法,包括如下步骤:
S100.实时数据采集:
设置汽轮机的测点,实时获取汽轮机运行过程中各测点的蒸汽参数;
S200.实时数值修正:
利用汽轮机的设计工况和实际测量的抽汽测点蒸汽参数对实际测量的蒸汽参数进行处理,修正不合理的测量值:通过构建模拟汽轮机的设计工况,并利用各回热抽汽蒸汽参数的强相关性来构建虚拟传感器,当汽轮机中某时刻的测点值发生损坏或者异常时,利用虚拟传感器的计算数值进行替代。
S300.利用有限元方法计算转子的热应力场:
S310.首先进行汽轮机通流部分变工况计算:利用变工况计算方法求得汽轮机不同时刻各级的蒸汽参数;
S320.根据每个时刻的蒸汽参数值,计算出转子不同部位处的放热系数值,通过变化的放热系数计算出整体转子的温度场,进而获得转子温度场的三类边界条件;
S330.利用有限元方法,计算转子温度场和热应力场;
S400.计算转子的理论热应力场:
根据步骤S200修正的蒸汽参数,间接计算出汽轮机转子从蒸汽进口处至蒸汽出口处的温度分布情况;根据得到的汽轮机转子的温度分布情况,计算汽轮机整个转子的热应力分布;
S500.根据获得的转速值,计算出汽轮机转子的离心应力分布;
S600.对转子应力进行叠加:
S610.将步骤S300中计算获得的转子热应力与离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子合成应力;
S620.将步骤S400中计算获得的转子热应力和离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子的理论合成应力;
S700.建立转子的应力数学模型:
S710.根据步骤S600获得的转子合成应力和理论合成应力计算转子应力数学模型中的修正系数;
S720.根据获得的修正系数以及计算得到的理论合成应力构建转子数学模型;
S800.根据获得的转子应力数学模型结合汽轮机转子实时测得的蒸汽参数,获得转子的实时应力值,对转子的寿命损耗情况进行监测。
进一步的,所述S100步骤中蒸汽参数包括汽缸温度值以及回热抽汽温度值,针对每个测点在不同时刻获取的汽缸温度值以及回热抽汽温度值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测温度值Ti′、T′i+1、...、T′n-1、T′n;
计算每个测点在时刻ti的温度值为:
Ti=(T‘i+1+T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的温度值:
Ti+1=(T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5+T′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的温度值。
进一步的,所述S100步骤中蒸汽参数包括转速值,针对每个测点在不同时刻获取的转速值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测转速值N′i、N′i+1、...、N′n-1、N′n;
计算每个测点在时刻ti的转速值为:
Ni=(N‘i+1+N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的转速值:
Ni+1=(N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5+N′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的转速值。
进一步的,步骤S200中虚拟传感器利用汽轮机回热系统中的各蒸汽参数的相关性以及神经网络性质进行构建,该虚拟传感器的具体构建步骤为:
S210.构建各回热系统中蒸汽参数的虚拟传感器:首先选取回热系统内各蒸汽参数中的强相关参数,采用径向基函数神经网络原理对强相关性参数的历史数据进行训练,分析数据的规律性,并构建出对应蒸汽参数的虚拟传感器;
S220.对虚拟传感器的输入参数进行优选:虚拟传感器的输入参数由汽轮机热力系统中各测点数值提供,通过选择与被虚拟参数具有相关性的测点数值,采用遗传算法选取与被虚拟参数具有强相关性的参数。
进一步的,步骤S310中所述变工况计算方法的具体步骤为:
S311.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级组效率、各级前压力以及温度;
S312.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级的反动度,叶根反动度;
S313.利用修正后的实测蒸汽参数,求动叶前侧叶栅根部的压力、温度;
S314.利用修正后的实测蒸汽参数结合级内漏汽平衡方程,求出叶轮前侧压力、温度;
S315.判断计算误差,如果计算误差超过设定值,返回步骤S311开始重新计算;如果计算误差在设定范围内,则表明计算结果准确,可进行下一步的计算;
S316.根据各轴封汽室的汽流情况,求轴封各处蒸汽的压力、温度;
S317.变工况计算过程结束,得到汽轮机转子表面各处的蒸汽压力及温度值。
进一步的,所述S400步骤中根据汽轮机转子的温度分布情况,计算转子热应力分布的具体方法为:
首先计算当前时刻转子的温差:
Δti=cηi-e-kΔτ(cηi-Δti-1);
其次根据获得的转子温差计算当前时刻转子的理论热应力:
其中,E为弹性模量;β为线性膨胀系数;υ为泊松比,υ=0.3;k为热应力系数;
再次利用上述步骤计算获得整个转子的温度分布和热应力分布。
进一步的,所述S600步骤中在汽轮机转子上进行应力叠加的具体方法为:
其中σeq为转子的合成应力;σz为转子轴向应力,主要是热应力σth;σθ为转子切向应力,主要为热应力σth与离心力引起的切向机械应力σt之和;
对转子的合成应力简化后为:
进一步的,所述步骤S720中根据获得的修正系数以及计算得到的理论合成应力构建转子数学模型的具体方法为:
σ′eq=Km·σeq;
其中,Km为修正系数,σ'eq为修正后的合成当量应力值。
本发明同现有技术相比,具有如下优点:
1)本发明中的双驱汽轮机转子应力监测方法通过利用构建虚拟传感器对测点获得的实时数据进行优化处理,使获得的测量数据更为准确真实;通过汽轮机通流部分变工况计算获得的边界条件计算转子的温度场和应力场,从而使得数值计算的结果与转子的真实情况更为吻合;最后得到的转子应力监测模型具有更高的精度,能够准确地反映双驱汽轮机转子的受力情况,也可反映出转子的实际寿命损耗,对转子寿命进行评估监测。
2)本发明中的双驱汽轮机转子应力监测方法能够获得机组运行中汽轮机转子的实时应力值,获得整个转子的应力分布情况,从而构建汽轮机转子应力实时监测系统,可进行汽轮机转子寿命评估,获得整个转子的寿命损耗,并根据转子的寿命损耗情况,为机组启停操作控制机组启停速度提供指导,缩短机组的启停时间,延长转子寿命。
附图说明
图1是本实施例中一种双驱汽轮机转子应力监测方法的流程图;
图2是本实施例中变工况计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例:
一种双驱汽轮机转子应力监测方法,包括如下步骤:
S100.实时数据采集:设置汽轮机的测点,实时获取汽轮机运行过程中各测点的蒸汽参数;
考虑到机组运行中,实测数据会产生的实时波动,为了获取更为准确的实时测量数据,本实施例中对每个测点处获取的蒸汽数值进行预处理。
具体的,所述S100步骤中蒸汽参数包括汽缸温度值以及回热抽汽温度值,针对每个测点在不同时刻获取的汽缸温度值以及回热抽汽温度值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测温度值T′i、T′i+1、...、T′n-1、T′n;
计算每个测点在时刻ti的温度值为:
Ti=(T‘i+1+T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的温度值:
Ti+1=(T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5+T′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的温度值。
更具体的是,所述S100步骤中蒸汽参数包括转速值,针对每个测点在不同时刻获取的转速值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测转速值N′i、N′i+1、...、N′n-1、N′n;
计算每个测点在时刻ti的转速值为:
Ni=(N‘i+1+N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的转速值:
Ni+1=(N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5+N′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的转速值。
S200.实时数值修正:
利用汽轮机的设计工况和实际测量的抽汽测点蒸汽参数对实际测量的蒸汽参数进行处理,修正不合理的测量值:通过构建模拟汽轮机的设计工况,并利用各回热抽汽蒸汽参数的强相关性来构建虚拟传感器,当汽轮机中某时刻的测点值发生损坏或者异常时,利用虚拟传感器的计算数值进行替代。
更详细的是,步骤S200中虚拟传感器利用汽轮机回热系统中的各蒸汽参数的相关性以及神经网络性质进行构建,该虚拟传感器的具体构建步骤为:
S210.构建各回热系统中蒸汽参数的虚拟传感器:首先选取回热系统内各蒸汽参数中的强相关参数,采用径向基函数神经网络原理对强相关性参数的历史数据进行训练,分析数据的规律性,并构建出对应蒸汽参数的虚拟传感器;
S220.对虚拟传感器的输入参数进行优选:虚拟传感器的输入参数由汽轮机热力系统中各测点数值提供,通过选择与被虚拟参数具有相关性的测点数值,采用遗传算法选取与被虚拟参数具有强相关性的参数。
S300.利用有限元方法计算转子的热应力场:
S310.首先进行汽轮机通流部分变工况计算:利用变工况计算方法求得汽轮机不同时刻各级的蒸汽参数;
具体的,步骤S310中所述变工况计算方法的具体步骤为:
S311.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级组效率、各级前压力以及温度;
S312.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级的反动度,叶根反动度;
S313.利用修正后的实测蒸汽参数,求动叶前侧叶栅根部的压力、温度;
S314.利用修正后的实测蒸汽参数结合级内漏汽平衡方程,求出叶轮前侧压力、温度;
S315.判断计算误差,如果计算误差超过设定值,返回步骤S311开始重新计算;如果计算误差在设定范围内,则表明计算结果准确,可进行下一步的计算;
S316.根据各轴封汽室的汽流情况,求轴封各处蒸汽的压力、温度;
S317.变工况计算过程结束,得到汽轮机转子表面各处的蒸汽压力及温度值。
S320.根据每个时刻的蒸汽参数值,计算出转子不同部位处的放热系数值,通过变化的放热系数计算出整体转子的温度场,进而获得转子温度场的三类边界条件;
S330.利用有限元方法,计算转子温度场和热应力场;
S400.计算转子的理论热应力场:
根据步骤S200修正的蒸汽参数,间接计算出汽轮机转子从蒸汽进口处至蒸汽出口处的温度分布情况;根据得到的汽轮机转子的温度分布情况,计算汽轮机整个转子的热应力分布;
具体的,所述S400步骤中根据汽轮机转子的温度分布情况,计算转子热应力分布的具体方法为:
首先计算当前时刻转子的温差:
Δti=cηi-e-kΔτ(cηi-Δti-1);
其次根据获得的转子温差计算当前时刻转子的理论热应力:
再次利用上述步骤计算获得整个转子的温度分布和热应力分布。
S500.根据获得的转速值,计算出汽轮机转子的离心应力分布;
S600.对转子应力进行叠加:由于转子应力场包括有温差引起的热应力场和有转速引起的离心力场,二者又可分为切向和轴向应力场。因此在进行转子应力合成时,须分别对热应力场和离心力场的切向、轴向应力进行叠加,最终才可获得转子的应力。
S610.将步骤S300中计算获得的转子热应力与离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子合成应力;
S620.将步骤S400中计算获得的转子热应力和离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子的理论合成应力;
具体的,所述S600步骤中在汽轮机转子上进行应力叠加的具体方法为:
其中σeq为转子的合成应力;σz为转子轴向应力,主要是热应力σth;σθ为转子切向应力,主要为热应力σth与离心力引起的切向机械应力σt之和;
对转子的合成应力简化后为:
S700.建立转子的应力数学模型:
S710.根据步骤S600获得的转子合成应力和理论合成应力计算转子应力数学模型中的修正系数;首先修正系数是在数据计算、公式表达等由于理想和现实产生偏差时,为了使其尽可能的体现真实性能,对计算公式进行处理而加的系数,本实施例中通过采用理论公式计算获得的理论合成应力运算快速,但与实际情况具有一定偏差;而通过有限元计算获得转子合成应力虽较为贴近实际情况,但由于进行网格细化叠加计算,运算速度较慢,不适用于实时监控转子应力。通过计算两者之间的偏差,或得一个较为规律的修正系数,通过修正系数可对理论值进行修正,使结果更贴近于真实情况。
S720.根据获得的修正系数以及计算得到的理论合成应力构建转子数学模型,构建转子数学模型的具体方法为:
σ′eq=Km·σeq;
其中,Km为修正系数,σ'eq为修正后的合成当量应力值。
S800.根据获得的转子应力数学模型结合汽轮机转子实时测得的蒸汽参数,获得转子的实时应力值,对转子的寿命损耗情况进行监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S100.实时数据采集:
设置汽轮机的测点,实时获取汽轮机运行过程中各测点的蒸汽参数;
S200.实时数值修正:
利用汽轮机的设计工况和实际测量的抽汽测点蒸汽参数对实际测量的蒸汽参数进行处理,修正不合理的测量值:通过构建模拟汽轮机的设计工况,并利用各回热抽汽蒸汽参数的强相关性来构建虚拟传感器,当汽轮机中某时刻的测点值发生损坏或者异常时,利用虚拟传感器的计算数值进行替代;
S300.利用有限元方法计算转子的热应力场:
S310.首先进行汽轮机通流部分变工况计算:利用变工况计算方法求得汽轮机不同时刻各级的蒸汽参数;
S320.根据每个时刻的蒸汽参数值,计算出转子不同部位处的放热系数值,通过变化的放热系数计算出整体转子的温度场,进而获得转子温度场的三类边界条件;
S330.利用有限元方法,计算转子温度场和热应力场;
S400.计算转子的理论热应力场:
根据步骤S200修正的蒸汽参数,间接计算出汽轮机转子从蒸汽进口处至蒸汽出口处的温度分布情况;根据得到的汽轮机转子的温度分布情况,计算汽轮机整个转子的热应力分布;
S500.根据获得的转速值,计算出汽轮机转子的离心应力分布;
S600.对转子应力进行叠加:
S610.将步骤S300中计算获得的转子热应力与离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子合成应力;
S620.将步骤S400中计算获得的转子热应力和离心应力进行叠加,计算两者的合力,获得转子的理论合成应力;
S700.建立转子的应力数学模型:
S710.根据步骤S600获得的转子合成应力和理论合成应力计算转子应力数学模型中的修正系数;
S720.根据获得的修正系数以及计算得到的理论合成应力构建转子数学模型;
S800.根据获得的转子应力数学模型结合汽轮机转子实时测得的蒸汽参数,获得转子的实时应力值,对转子的寿命损耗情况进行监测。
2.根据权利要求1所述的双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,所述S100步骤中蒸汽参数包括汽缸温度值以及回热抽汽温度值,针对每个测点在不同时刻获取的汽缸温度值以及回热抽汽温度值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测温度值T′i、T′i+1、...、T′n-1、T′n;
计算每个测点在时刻ti的温度值为:
Ti=(T′i+1+T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的温度值:
Ti+1=(T′i+2+T′i+3+T′i+4+T′i+5+T′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的温度值。
3.根据权利要求1所述的双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,所述S100步骤中蒸汽参数包括转速值,针对每个测点在不同时刻获取的转速值进行数据预处理:
首先针对每个测点分别选取n个时刻点ti、ti+1、...、tn-1、tn对应的实测转速值N′i、N′i+1、...、N′n-1、N′n;
计算每个测点在时刻ti的转速值为:
Ni=(N′i+1+N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5)/5;
计算每个测点在下一时刻ti+1的转速值:
Ni+1=(N′i+2+N′i+3+N′i+4+N′i+5+N′i+6)/5;
根据上述步骤方法依次计算每个测点在不同时刻对应的转速值。
4.根据权利要求1所述的双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,步骤S200中虚拟传感器利用汽轮机回热系统中的各蒸汽参数的相关性以及神经网络性质进行构建,该虚拟传感器的具体构建步骤为:
S210.构建各回热系统中蒸汽参数的虚拟传感器:首先选取回热系统内各蒸汽参数中的强相关参数,采用径向基函数神经网络原理对强相关性参数的历史数据进行训练,分析数据的规律性,并构建出对应蒸汽参数的虚拟传感器;
S220.对虚拟传感器的输入参数进行优选:虚拟传感器的输入参数由汽轮机热力系统中各测点数值提供,通过选择与被虚拟参数具有相关性的测点数值,采用遗传算法选取与被虚拟参数具有强相关性的参数。
5.根据权利要求1所述的双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,步骤S310中所述变工况计算方法的具体步骤为:
S311.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级组效率、各级前压力以及温度;
S312.利用修正后的实测蒸汽参数,求汽轮机各级的反动度,叶根反动度;
S313.利用修正后的实测蒸汽参数,求动叶前侧叶栅根部的压力、温度;
S314.利用修正后的实测蒸汽参数结合级内漏汽平衡方程,求出叶轮前侧压力、温度;
S315.判断计算误差,如果计算误差超过设定值,返回步骤S311开始重新计算;如果计算误差在设定范围内,则表明计算结果准确,可进行下一步的计算;
S316.根据各轴封汽室的汽流情况,求轴封各处蒸汽的压力、温度;
S317.变工况计算过程结束,得到汽轮机转子表面各处的蒸汽压力及温度值。
8.根据权利要求1所述的双驱汽轮机转子应力监测方法,其特征在于,所述步骤S720中根据获得的修正系数以及计算得到的理论合成应力构建转子数学模型的具体方法为:
σ′eq=Km·σeq;
其中,Km为修正系数,σ′eq为修正后的合成当量应力值,σeq为转子的合成应力。
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