CN115758726A

CN115758726A - 一种汽轮机转子多维多场反演方法、电子设备及存储介质

Info

Publication number: CN115758726A
Application number: CN202211440859.5A
Authority: CN
Inventors: 张亦宁; 初世明; 张春秀; 王鑫雨; 卢洪涛; 郑宏伟; 尉坤; 程学亮; 李洪亮; 邵崇晖
Original assignee: Harbin Turbine Co Ltd; Hadian Power Equipment National Engineering Research Center Co Ltd
Current assignee: Harbin Turbine Co Ltd; Hadian Power Equipment National Engineering Research Center Co Ltd
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2023-03-07
Also published as: WO2024103685A1

Abstract

本发明提出一种汽轮机转子多维多场反演方法、电子设备及存储介质，属于汽轮机转子反演技术领域。包括S1.计算转子在一个模拟启停周期内的瞬态温度场和应力场变化；S2.将瞬态温度场和应力场变化结果拆分为若干个时间层的数据文件；S3.选择每个时间层的数据文件中符合特定特征的参数作为标签；S4.获取不同标签的参数值；S5.计算转子当前运行状态与每个时间层数据文件的瞬态特征之间的相似性测度值；S6.选择相似性最高的时间层数据文件，针对转子全域中的每一个点，以相似性测度值为权重，进行加权求和，得到温度场和应力场中每个节点上的参数值。解决现有技术中存在的运行中的汽轮机转子内部细节无法监测的技术问题。

Description

一种汽轮机转子多维多场反演方法、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及一种汽轮机转子监测方法，尤其涉及一种汽轮机转子多维多场反演方法、电子设备及存储介质，属于汽轮机转子反演技术领域。

背景技术

汽轮机转子是汽轮机内由轴承支撑的旋转体，是一种典型的转动部件，监测并折算其在运行时的内部温度、应力，对于评估其运行状态有重要意义。在转子本体上，难以直接布置温度、应力传感器，对于汽轮机转子运行状态的实时监测，目前主要将汽轮机转子作为一个整体，分析其平均的体积温度和应力。对于汽轮机转子温度场、应力场的全域实时监测和反演分析，尚处于空白。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为解决现有技术中存在的运行中的汽轮机转子内部细节无法监测的技术问题，本发明提供一种汽轮机转子多维多场反演方法、电子设备及存储介质

方案一：一种汽轮机转子多维多场反演方法，包括以下步骤：

S1.计算转子在一个模拟启停周期内的瞬态温度场和应力场变化；

S2.将转子在一个模拟启停周期内的瞬态温度场和应力场变化结果拆分为若干个时间层的数据文件；

S3.选择每个时间层的数据文件中符合特定特征的参数作为标签，并将标签用参数进行标定；

S4.获取不同标签的参数值；

S5.计算转子当前运行状态与每个时间层数据文件的瞬态特征之间的相似性测度值；

S6.选择相似性最高的时间层数据文件，针对转子全域中的每一个点，以相似性测度值为权重，进行加权求和，得到温度场和应力场中每个节点上的参数值。

优选的，S1具体为；

S11.将转子在R-Z坐标系下进行网格划分；

S12.将启动曲线中的参数作为瞬态计算的边界条件，启动曲线中包含了主蒸汽、再热蒸汽温度、压力和流量的瞬态变化；

S13.进行额定工况下的稳态计算，并以额定工况下的稳态温度场、应力场计算结果为初始条件，计算转子冷却H小时后的温度场和应力场，作为启机过程瞬态计算的初始条件；

S14.运用有限元方法开展启机过程中转子内部温度场和应力场的瞬态过程计算；

S15.将温度场和应力场瞬态过程结果进行输出。

优选的，符合特定特征的参数包括：由DCS引入的热工参数、瞬态过程的初始状态和由初始状态到当前时刻经历的时间TD。

优选的，S4具体是：

由DCS引入的热工参数标签的参数值包括：

进汽区域R6温度T1和压力P1；

连通区域R4和R4’温度T2和压力T2；

排汽区域R2温度T3和压力T3；

瞬态过程的初始状态标签的参数值包括：

初始时刻的转速N0在100r/min以下时，机组处于冷态FI＝1；

初始时刻的转速N0在3000r/min时，机组处于热态FI＝2；

初始时刻的转速N0在100r/min-3000r/min之间时，采集DertT时间段范围内的转速变化，若在DertT时间段内转速上升，判断机组处于冷态FI＝1，否则判断机组处于热态FI＝2；

由初始状态到当前时刻经历的时间TD标签的参数值包括：将当前时间层的模拟总时间与启/停时刻的时间作差值。

优选的，S5具体是：

S51.将引入的测点信号和经过初步分析得到的标签信号进行合并，得到当前时刻的所有标签参数的组合；

S52.对每一个标签参数，根据影响温度场参数的比重设置权重；

S53.计算相似性测度值

式中s⁽ⁿ⁾为当前转子的状态相对于时间层(n)所标定的状态之间的相似性测度；V_i为第i个实测标签参数的数值；

为时间层(n)中的第i个标签参数的数值；w_i为第i个标签参数的权重。

优选的，S6具体是：

式中θ_j为转子全域中第j个节点的温度值；N为参与温度场反演的时间层数目；

为时间层(n)上第j个节点的温度值；σ_j为转子全域中第j个节点的应力值；

为时间层(n)上第j个节点的应力值。

方案二：一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述一种汽轮机转子多维多场反演方法的步骤。

方案三：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种汽轮机转子多维多场反演方法。

本发明的有益效果如下：在现有的转子监测技术中，以转子不同分段截面上一维径向温度、应力的实时监测为主，缺乏对转子二维全域温度场、应力场的实时监测技术；二维全域温度场、应力场的反演求解，受限于计算机运算效率，主要依靠非实时计算获得。

本发明能够安装于电厂现场，实时反演出二维转子全域的温度场和应力场，监测反演具备实时性，反演和显示区域覆盖全面，用户观察转子运行状态方便直观。有益于电厂现场运行人员建立起汽轮机启动、运行、停机、变负荷等过程中转子全域的温度场和应力场变化规律的概念，能够指导运行维护人员全面了解转子在不同工况下各处的温度、应力的高低，加深对转子运行时温度、应力状态的认识，及时发现转子运行时温度场、应力场的异常状态。解决了现有技术中存在的运行中的汽轮机转子内部细节无法监测的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种汽轮机转子多维多场反演方法流程示意图；

图2为一种汽轮机转子多维多场监测系统结构示意图；

图3为示例转子结构及边界条件示意图；

图4为示例转子温度场反演结果示意图；

图5为示例转子云图在UI设备上的显示效果示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1、参照图1-图5说明本实施方式，一种汽轮机转子多维多场反演方法，包括用于采集电厂DCS系统的实时DCS信号的信号采集器，用于对转子多维多场监测的服务器和用于显示监测到的转子二维温度场和应力场云图在UI交互设备，所述信号采集器、服务器和UI交互设备依次连接；实时DCS信号主要包括蒸汽旁流转子前、后的蒸汽压力、温度信号，转子转速信号，一种汽轮机转子多维多场反演方法具体包括以下步骤：

S11.将转子在R-Z坐标系下进行网格划分；

具体的，启动曲线由汽轮机设计单位给出；

S13.进行额定工况下的稳态计算，并以额定工况下的稳态温度场、应力场计算结果为初始条件，计算转子冷却H小时后的温度场和应力场，作为启机过程瞬态计算的初始条件，计算转子冷却H小时后的温度场和应力场，作为启机过程瞬态计算的初始条件；

例如，H＝72小时，为冷态启动；H＝10小时，为温态启动；H＝6小时，为热态启动；H＝2小时，为极热态启动；

S14.依据上述步骤中确定的初始条件和边界条件，运用有限元方法开展启机过程中转子内部温度场和应力场的瞬态过程计算；

S15.将温度场和应力场瞬态过程结果进行输出。

所需计算的启动方式包含冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动等四种方式，至少需要上述四种启动方式中的一种。

例如，瞬态温度场的有限元计算结果输出文件为temperature.fem，拆分为1000个不同时刻下的时间层数据文件t_timestep1.data-t_timestep1000.data。

S3.选择每个时间层的数据文件中符合特定特征的参数作为标签，并将标签用参数进行标定；符合特定特征的参数包括：由DCS引入的热工参数、瞬态过程的初始状态和由初始状态到当前时刻经历的时间TD。

S4.获取不同标签的参数值；得到的参数值为这个时间层数据文件的瞬态特征；

由DCS引入的热工参数标签的参数值包括：

进汽区域R6温度T1和压力P1；

连通区域R4和R4’温度T2和压力T2；

排汽区域R2温度T3和压力T3；

各区域在转子上的位置，如图3所示。对于无连通区域的常规转子，主要考虑进汽、排汽区域的热工参数，不需要考虑连通区域参数。

作为瞬态有限元计算的边界条件，边界上的热工参数是不断随时间变化的，随时间变化的边界条件的示例如表1边界条件数据表所示，存储在边界条件文件中。

表1边界条件数据表

序号	时间	R6压力	R6温度	R4压力	R4温度	R2压力	R2温度
								1	0	7.84	519.9	4.14	412.2	0.97	239.4
2	900	7.84	519.9	4.14	412.2	0.97	239.4
								3	1080	9.99	519.8	5.27	411.6	1.23	238.3
4	1320	13.8	568.8	7.27	455	1.69	272.3
								...	...	...	...	...	...	...	...
34	172800	0	150.5	0	150.5	0	150.5

有限元计算的输出结果，也是依时间序列进行排列的，由初始时刻到时间序列上每一个时刻所经历的时间，示例如表2时间序列数据表所示，存储于时间序列文件中。

表2时间序列数据表

序号	时间
		1	0.
2	1.E-03
		3	2.E-03
4	3.E-03
		...	...
1000	172.8E+03

通常情况下，边界条件文件中参数变化的时间间隔较大，只需描述清楚外部输入参数的变化即可，例如示例中边界条件的变化次数为34。

而时间序列文件中参数变化的时间间隔，为有限元计算的时间步长。通常情况下，为了平衡计算效率和计算精度，有限元计算采用变时间步长的方式进行计算。为了保证计算效率，时间步长需要在满足收敛条件下，尽可能设置得大。同时为了保证瞬态有限元计算在时间维度上的收敛性，时间步长不能够设置太大，并且在外部参数剧烈变化时时间步长需要设置更小，这就导致了时间序列文件中的时间层数远多于边界条件文件中的描述性设置，示例中瞬态有限元计算的时间层数为1000。为了使二者匹配，需要运用插值的方式，例如线性差分方法，将每个时间层标签上的边界条件补充完整。

瞬态过程的初始状态标签的参数值包括：

标签参数FI依据当前的时间层为启动过程还是停机过程进行标定。启动过程中，机组初始状态为冷态FI＝1；停机过程中，机组初始状态为热态FI＝2。TD通过将当前时间层的模拟总时间与启(停)时刻的时间作差值进行计算，并在标签中标定。

瞬态过程的初始状态，由初始时刻的转速N0进行判断：

初始时刻的转速N0在100r/min以下时，机组处于冷态FI＝1；

初始时刻的转速N0在3000r/min时，机组处于热态FI＝2；

S5.在系统实际运行中计算转子当前运行状态与每个时间层数据文件的瞬态特征之间的相似性测度值；

S51.将引入的T1、P1、T2、P2、T3和P3测点信号和经过初步分析得到的FI、TD标签信号进行合并，得到当前时刻的所有标签参数的组合；

每一个标签参数，均需要设置权重，用来表征单一参数对总体的影响。一组标签参数示例，在表3标签参数权重表中列出。其中FI参数的比重需要设置得较大，用来区分当前机组的动作是启机还是停机。

标签权重用来表征单一参数对总体的影响。权重以1.0为基准，并可由用户依据实际情况进行调整。例如，经分析认为当前机组的动作是启机还是停机对当前时间层的瞬态特征影响较大，则FI参数的权重需要设置得较大，权重调整为100.0；分析认为当前经历时间TD和转子每段进、排汽的温度和压力T1、P1、T2、P2、T3、P3，对于转子的温度场、应力场瞬态状态的影响相同，则上述参数的权重均设置为1.0。

表3标签参数权重表

S53.计算相似性测度值

S6.按照相似性测度的分析结果，将不同时间层以相似性测度由大到小的顺序进行排序。选择相似性最高的时间层数据文件，针对转子全域中的每一个点，以相似性测度值为权重，进行加权求和，得到温度场和应力场中每个节点上的参数值。

为时间层(n)上第j个节点的应力值。一个示例中的温度场计算结果如图4所示。

具体的，将温度场和应力场中每个节点上的参数值绘制为云图，云图可以在UI交互设备上进行显示，如图5所示。

实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的推荐数据的推荐方法的步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

实施例3、计算机可读存储介质实施例

本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的基于CREO软件的可修改由关系驱动的建模数据的建模方法的步骤。

所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。