CN1908382A - 一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法，其特征在于，采用人工神经网络技术可实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线实时计算及在线实时监视与控制，如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数小于给定值，通过在线实时控制汽轮机主蒸汽的温度变化率、汽轮机的负荷变化率来增大汽轮机转子等效应力安全裕度系数，以减小汽轮机转子的低周疲劳寿命损伤，如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数达到报警值时，发出报警，并在设定的时间内停机，本发明的优点是实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的快速、高准确性的在线实时计算和在线监视与控制。

Description

一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法

技术领域

本发明涉及一种采用人工神经网络技术实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线实时计算及在线监视与控制的方法，应用于汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线控制和汽轮机转子寿命在线管理，属于汽轮机技术领域。

背景技术

在汽轮机启动、停机和负荷变动的过程中，汽轮机转子不均匀加热或冷却，汽轮机转子沿径向温度分布不均匀产生比较大的热应力，导致汽轮机转子等效应力增大，等效应力的安全裕度系数降低。比较小的等效应力安全裕度系数对汽轮机转子产生比较大的低周疲劳损伤，缩短了汽轮机转子的使用寿命。为了延长汽轮机转子的使用寿命，需要在线计算、监视和控制汽轮机转子的等效应力的安全裕度系数。现有技术使用等厚壁圆筒模型在线计算汽轮机转子的等效应力，其特点是计算速度快，可以在几秒钟内完成一次计算，主要不足是等效应力计算结果的误差大，同实际汽轮机转子结构有限元数值计算得出的等效应力相比较，计算相对误差的绝对值高达35％，影响汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监视和控制的准确性。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用人工神经网络技术实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线计算及在线监视与控制的方法，实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的快速、高准确性的在线实时计算和在线监视与控制。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法，其特征在于，采用人工神经网络技术，其方法由两个流程组成：

第一流程：基于人工神经网络确定汽轮机转子等效应力修正系数

第一步：采用现有技术的简化模型计算转子外表面名义等效应力σ_ne

采用现有技术的简化模型离线计算汽轮机转子的温度场，把有中心孔的汽轮机转子简化为等厚壁圆筒模型，把无中心孔的汽轮机转子简化为等直径圆柱模型，采用差分法计算该简化模型的温度场；采用现有技术的解析公式计算转子外表面的名义离心应力、名义蒸汽压应力和名义热应力，汽轮机转子外表面名义等效应力σ_ne的计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ne}}=\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θt}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θp}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θth}})}^2+{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zth}}\right)}^2-({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θt}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θp}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θth}})\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zth}}\right)}$

式中：

σ_θt—转子外表面名义切向离心应力

σ_θp—转子外表面名义蒸汽压应力

σ_θth—转子外表面名义切向热应力

σ_zth—转子外表面名义轴向热应力

第二步：确定瞬态等效应力修正系数y_i

对于同型号汽轮机的同一根转子，按照实际结构尺寸建立两维或三维有限元模型，给定与步骤一相同的汽轮机的蒸汽温度、压力、转速和功率等的变化条件，采用现有技术的有限元模型离线计算，得出汽轮机转子外表面相同部位的等效应力σ_eqa，对于汽轮机启动过程、停机过程或负荷变动过程的瞬态时刻t_i，有限元模型计算得出的转子外表面等效应力σ_eqa除以简化模型计算得出的转子表面名义等效应力σ_ne，计算得出转子外表面的等效应力修正系数y_i：

y_i＝σ_eqa/σ_ne

第三步：建立计算等效应力修正系数y的人工神经网络

建立三层人工神经网络模型，包括输入层、隐层和输出层，输入层由5个节点组成，5个输入层节点对应的5个物理量是：汽轮机主蒸汽压力P₀、汽轮机主蒸汽温度t₀、汽轮机工作转速n、汽轮机转子体积平均温度θ_m和汽轮机非稳态过程即启动过程、停机过程和负荷变动过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ₀；隐层由10至20个节点组成；输出层只有一个节点，表示汽轮机转子等效应力的修正系数y；

第四步：确定人工神经网络的连接权值及阈值

每一个汽轮机转子瞬态等效应力的修正系数y_i，都对应有一组汽轮机主蒸汽压力P_0i、汽轮机主蒸汽温度t_0i、汽轮机工作转速n_i、汽轮机转子体积平均温度θ_mi和汽轮机非稳态过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ_0i，对于大量的启动过程、停机过程和负荷变动过程计算得出的Q个汽轮机转子等效应力的修正系数y_i和Q组输入值，构成Q组训练样本，对Q组输入样本数据P_0i，t_0i，n_i，θ_mi，θ_0i和Q个输出值y_i，采用批处理算法，以网络输出目标值和实际值输出的相对误差平方和作为性能函数进行训练，训练到网络的性能函数达到给定的0.025％，实现输入输出间的非线性映射，就可结束训练，可以得出该人工神经网络输入层节点与隐层节点间的连接权值、隐层节点与输出层节点间的连接权值、隐层节点的阈值和输出层节点的阈值；

第五步：编写计算等效应力修正系数的人工神经网络软件

由计算汽轮机转子等效应力修正系数y的人工神经网络模型与其节点之间的连接权值与节点的阈值，采用C语言编写计算等效应力修正系数y的计算软件，运行在汽轮机的参数监视与控制的计算机上；

第二流程：汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线计算、监视与控制

第六步：采用简化模型在线实时计算名义等效应力

采用现有技术的等厚壁圆筒或等直径圆柱的简化模型，在线实时计算汽轮机转子外表面名义等效应力σ_ne；

第七步：使用人工神经网络技术在线实时计算等效应力修正系数y

输入在线监测的汽轮机主蒸汽压力P₀、汽轮机主蒸汽温度t₀、汽轮机工作转速n汽轮机非稳态过程起始时刻内缸金属监测温度θ₀及在线计算得出的汽轮机转子体积平均温度θ_m，使用计算等效应力修正系数y的人工神经网络专用软件，实时计算得出汽轮机转子等效应力修正系数y；

第八步：在线实时计算等效应力监视值σ_eq

使用计算机人工神经网络专用软件，在线实时计算汽轮机转子外表面等效应力的监视值σ_eq：

σ_eq＝y×σ_ne

第九步：在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σ_u

在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σ_u，汽轮机转子材料的极限应力σ_u取转子工作温度下材料的屈服强度σ_0.2和材料工作1000小时的断裂强度σ_fr的最小值：

σ_u＝min{σ_0.2；σ_fr}

第十步：在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数S_SA

在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数，汽轮机转子等效应力安全裕度系数S_SA为转子材料的极限应力σ_u与转子外表面等效应力监视值σ_eq的差同转子材料的极限应力σ_u之比：

S_SA＝(σ_u-σ_eq)/σ_u

第十一步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线监视与控制

在线实时计算汽轮机转子的等效应力安全裕度系数S_SA并与设定值比较，汽轮机转子等效应力安全裕度系数的监视与控制分为以下三种情况：若S_SA≥20％，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定数值操作；若0＜S_SA＜20％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；若-5％＜S_SA≤0％，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变动率为0，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；

第十二步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线报警和打闸停机在线实时计算汽轮机转子的应力安全裕度系数S_SA，若-25％＜S_SA≤-5％，发出报警，30分钟后跳闸停机；若S_SA≤-25％，发出警报，1分钟后跳闸停机。

本发明给出一种采用人工神经网络技术在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数的方法及等效应力安全裕度系数在线实时监视与控制的方法，可实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线实时计算及在线实时监视与控制。如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数小于给定值，通过在线实时控制汽轮机主蒸汽的温度变化率、汽轮机的负荷变化率来增大汽轮机转子等效应力安全裕度系数，以减小汽轮机转子的低周疲劳寿命损伤。如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数达到报警值时，发出报警，并在设定的时间内停机，以减小汽轮机转子的低周疲劳寿命损伤，达到监视和控制汽轮机转子等效应力安全裕度系数并延长高中压转子使用寿命的技术效果。

本发明的优点是实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的快速、高准确性的在线实时计算和在线监视与控制。

附图说明

图1为本发明所采用的人工神经网络模型；

图2为本发明所采用方法的流程图；

图3为本发明所采用的计算机软件框图；

图4冷态启动过程的高压转子调节级后外表面等效应力的变化规律；

图5温态启动过程的高压转子调节级后外表面等效应力的变化规律；

图6热态启动过程的高压转子调节级后外表面等效应力的变化规律；

图7极热态启动过程的高压转子调节级后外表面等效应力的变化规律；

图8冷态启动过程的高压转子调节级叶轮后外表面等效应力安全裕度系数

的变化规律。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供的方法由两个流程组成，本发明技术方案的第一步至第五步构成第一个流程，使用神经网络技术确定汽轮机转子等效应力的修正系数y；本发明技术方案的第六步至第十二步构成第二流程，在线实时计算、监视与控制汽轮机转子的等效应力安全裕度系数，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

对于某型号进汽温度为566℃的超临界600MW汽轮机高压转子，采用图1所示的本发明采用的人工神经网络模型、图2所示的本发明提供方法的流程图和图3所示本发明方法的计算软件框图，计算得出的该汽轮机高压转子在不同启动过程中等效应力的计算结果列于图4至图7。

第一步和第六步：采用现有技术的简化模型在线计算得出该汽轮机高压转子调节级叶轮外表面圆角部位在冷态启动过程、温态启动过程、热态启动过程、极热态启动过程的名义等效应力σ_ne在图4至图7中用曲线1表示。

第二步：采用现有技术的有限元模型，离线计算得出该汽轮机高压转子调节级叶轮外表面圆角部位在冷态启动过程、温态启动过程、热态启动过程、极热态启动过程的等效应力σ_eqa在图4至图7中用曲线3表示。在图4至图7中，同一横坐标对应曲线3的等效应力值σ_eqa和曲线1的名义等效应力值σ_ne相比，得出一系列等效应力修正系数y_i。

第三步：建立三层人工神经网络模型如图1所示，包括输入层、隐层和输出层。输入层由5个节点组成，5个输入层节点对应的5个物理量是：汽轮机主蒸汽压力P₀、汽轮机主蒸汽温度t₀、汽轮机工作转速n、汽轮机转子体积平均温度θ_m和汽轮机非稳态过程(启动过程、停机过程和负荷变动过程)的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ₀；隐层由10至20个节点组成；输出层只有一个节点，表示汽轮机转子等效应力的修正系数y。

第四步和第五步：对图1所示人工神经网络模型，采用批处理算法，经人工神经网络的学习和训练，确定人工神经网络的连接权值和阈值，并编写计算等效应力修正系数y的人工神经网络软件。

第七步和第八步：使用人工神经网络技术在线计算等效应力修正系数y，按公式σ_eq＝y×σ_ne在线计算得出的该汽轮机高中压转子调节级叶轮外表面圆角部位的等效应力修正值σ_eq在图4至图7中曲线2表示。

第九步：该高中压转子采用CrMoV材料，其屈服极限σ_0.2与工作温度t的关系为：σ_0.2＝544.963-0.295t(MPa)，其断裂强度σ_fr＝10^c，c＝[23×(273+t)-3.4498×10⁴]/(-6.5356×10³)

第十步：在线计算的该汽轮机高压转子调节级叶轮后外表面圆角部位在冷态启动过程中等效应力安全裕度系数S_SA的变化曲线如图8所示。

第十一步和第十二步：在该汽轮机高压转子等效应力安全裕度系数S_SA变化规律的图8中，A区S_SA≥20％，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定数值操作；B区0＜S_SA＜20％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；C区-5％＜S_SA≤0％，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变动率为0，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；D区-25％＜S_SA≤-5％，发出报警，30分钟后跳闸停机；E区S_SA≤-25％，发出警报，1分钟后跳闸停机。

从图4知，同有限元离线计算结果相比，采用本发明提供方法在线计算，汽轮机高压转子外表面冷态启动过程等效应力的相对误差的范围为0.005％至3.583％。从图5知，同有限元离线计算结果相比，采用本发明提供方法在线计算，汽轮机高压转子外表面温态启动过程等效应力的相对误差的范围为0.038％至1.360％。从图6知，同有限元离线计算结果相比，采用本发明提供方法在线计算，，汽轮机高压转子外表面热态启动过程等效应力的相对误差的范围为0.001％至1.078％。从图7知，同有限元离线计算结果相比，采用本发明提供方法在线计算，，汽轮机高压转子外表面极热态启动过程最大等效应力的相对误差的范围为0.004％至1.536％。

使用等直径圆柱简化模型在线计算汽轮机高压转子的等效应力，同有限元离线计算结果相比，汽轮机启动过程中高压转子外表面等效应力的相对误差的范围为-35％～11％。使用本发明提供的汽轮机转子等效应力的在线计算方法，同有限元离线计算结果相比，汽轮机启动过程中高压转子外表面等效应力计算相对误差的小于4％。本发明提供的汽轮机转子等效应力采用人工神经网络技术在线计算的相对误差约为使用现有技术的简化模型在线计算的相对误差的1/9，达到了提高汽轮机转子等效应力和等效应力安全裕度系数在线计算准确性的技术效果；使用本发明提供的技术在线计算的汽轮机转子等效应力安全裕度系数并控制汽轮机的启动过程、停机过程和负荷变动过程的汽轮机的主蒸汽温度变化率和汽轮机的负荷变化率，可以实现在线实时计算、监视与控制汽轮机转子的等效应力安全裕度系数，实现了增大汽轮机转子等效应力安全裕度系数，减小汽轮机转子的低周疲劳寿命损伤，达到了延长汽轮机转子使用寿命的技术效果。

Claims (1)

1.一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法，其特征在于，采用人工神经网络技术，其方法由两个流程组成：

第一流程：基于人工神经网络确定汽轮机转子等效应力修正系数

第一步：采用现有技术的简化模型计算转子外表面名义等效应力σ_ne

采用现有技术的简化模型离线计算汽轮机转子的温度场，把有中心孔的汽轮机转子简化为等厚壁圆筒模型，把无中心孔的汽轮机转子简化为等直径圆柱模型，采用差分法计算该简化模型的温度场；采用现有技术的解析公式计算转子外表面的名义离心应力、名义蒸汽压应力和名义热应力，汽轮机转子外表面名义等效应力σ_ne的计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ne}}=\sqrt{{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θt}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θp}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θth}})}^2+{\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zth}}\right)}^2-({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θt}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θp}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θth}})\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zth}}\right)}$

式中：

σ_θt-转子外表面名义切向离心应力

σ_θp-转子外表面名义蒸汽压应力

σ_θth-转子外表面名义切向热应力

σ_zth-转子外表面名义轴向热应力

第二步：确定瞬态等效应力修正系数y_i

对于同型号汽轮机的同一根转子，按照实际结构尺寸建立两维或三维有限元模型，给定与步骤一相同的汽轮机的蒸汽温度、压力、转速和功率等的变化条件，采用现有技术的有限元模型离线计算，得出汽轮机转子外表面相同部位的等效应力σ_eqa，对于汽轮机启动过程、停机过程或负荷变动过程的瞬态时刻t_i，有限元模型计算得出的转子外表面等效应力σ_eqa除以简化模型计算得出的转子表面名义等效应力σ_ne，计算得出转子外表面的等效应力修正系数y_i：

y_i＝σ_eqa/σ_ne

第三步：建立计算等效应力修正系数y的人工神经网络

建立三层人工神经网络模型，包括输入层、隐层和输出层，输入层由5个节点组成，5个输入层节点对应的5个物理量是：汽轮机主蒸汽压力P₀、汽轮机主蒸汽温度t₀、汽轮机工作转速n、汽轮机转子体积平均温度θ_m和汽轮机非稳态过程即启动过程、停机过程和负荷变动过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ₀；隐层由10至20个节点组成；输出层只有一个节点，表示汽轮机转子等效应力的修正系数y；

第四步：确定人工神经网络的连接权值及阈值

每一个汽轮机转子瞬态等效应力的修正系数y_i，都对应有一组汽轮机主蒸汽压力P_0i、汽轮机主蒸汽温度t_0i、汽轮机工作转速n_i、汽轮机转子体积平均温度θ_mi和汽轮机非稳态过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ_0i，对于大量的启动过程、停机过程和负荷变动过程计算得出的Q个汽轮机转子等效应力的修正系数y_i和Q组输入值，构成Q组训练样本，对Q组输入样本数据P_{0i，t0i，ni}，θ_mi，θ_0i和Q个输出值y_i，采用批处理算法，以网络输出目标值和实际值输出的相对误差平方和作为性能函数进行训练，训练到网络的性能函数达到给定的0.025％，实现输入输出间的非线性映射，就可结束训练，可以得出该人工神经网络输入层节点与隐层节点间的连接权值、隐层节点与输出层节点间的连接权值、隐层节点的阈值和输出层节点的阈值；

第五步：编写计算等效应力修正系数的人工神经网络软件

由计算汽轮机转子等效应力修正系数y的人工神经网络模型与其节点之间的连接权值与节点的阈值，采用C语言编写计算等效应力修正系数y的计算软件，运行在汽轮机的参数监视与控制的计算机上；

第二流程：汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线计算、监视与控制

第六步：采用简化模型在线实时计算名义等效应力

采用现有技术的等厚壁圆筒或等直径圆柱的简化模型，在线实时计算汽轮机转子外表面名义等效应力σ_ne；

第七步：使用人工神经网络技术在线实时计算等效应力修正系数y

输入在线监测的汽轮机主蒸汽压力P₀、汽轮机主蒸汽温度t₀、汽轮机工作转速n汽轮机非稳态过程起始时刻内缸金属监测温度θ₀及在线计算得出的汽轮机转子体积平均温度θ_m，使用计算等效应力修正系数y的人工神经网络专用软件，实时计算得出汽轮机转子等效应力修正系数y；

第八步：在线实时计算等效应力监视值σ_eq

使用计算机人工神经网络专用软件，在线实时计算汽轮机转子外表面等效应力的监视值σ_eq：

σ_eq＝y×σ_ne

第九步：在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σ_u

在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σ_u，汽轮机转子材料的极限应力σ_u取转子工作温度下材料的屈服强度σ_0.2和材料工作1000小时的断裂强度σ_fr的最小值：

σ_u＝min{σ_0.2；σ_fr}

第十步：在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数S_SA

在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数，汽轮机转子等效应力安全裕度系数S_SA为转子材料的极限应力σ_u与转子外表面等效应力监视值σ_eq的差同转子材料的极限应力σ_u之比：

S_SA＝(σ_u-σ_eq)/σ_u

第十一步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线监视与控制

在线实时计算汽轮机转子的等效应力安全裕度系数S_SA并与设定值比较，汽轮机转子等效应力安全裕度系数的监视与控制分为以下三种情况：若S_SA≥20％，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定数值操作；若0＜S_SA＜20％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；若-5％＜S_SA≤0％，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变动率为0，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；

第十二步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线报警和打闸停机在线实时计算汽轮机转子的应力安全裕度系数S_SA，若-25％＜S_SA≤-5％，发出报警，30分钟后跳闸停机；若S_SA≤-25％，发出警报，1分钟后跳闸停机。

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