CN1908974A - 一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线预测及评定方法，可以实现汽轮机高温耐用件日历寿命累积损耗的在线计算、日历寿命的在线评定和剩余寿命的在线预测。如果汽轮机高温耐用件的日历寿命剩余损耗预测值E_R大于日历寿命剩余损耗的安全余量E_A，建议汽轮机运行人员调整汽轮机自动控制的设定值，降低汽轮机启动过程主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程的负荷变化率，重新确定汽轮机耐用件的低周疲劳寿命，重新在线计算年均日历寿命损耗和日历寿命剩余损耗的预测值，重新在线评定日历寿命，直到汽轮机高温部件的日历寿命处于受控的安全状态为止，本发明的优点是在汽轮机的使用阶段实现汽轮机高温耐用件日历寿命的在线评定、在线预测与合理使用。

Description

一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测方法，应用于汽轮机的在线日历寿命管理，属于汽轮机技术领域。

背景技术

汽轮机高温耐用件指的是汽轮机高中压的转子、汽缸、喷嘴室、主汽阀阀壳、调节阀阀壳和蒸汽管道，评价汽轮机高温耐用件寿命的主要损伤机理为蠕变和低周疲劳。汽轮机高温耐用件蠕变寿命的单位是运行小时，汽轮机高温耐用件低周疲劳寿命的单位是启停次数。汽轮机高温耐用件的日历寿命包括以运行小时数表示的蠕变寿命和以启停次数表示的低周疲劳寿命，以使用年数表示的日历寿命。现有的汽轮机部件的寿命评定技术和寿命管理系统，可以离线评定或在线管理汽轮机高温耐用件的蠕变寿命和低周疲劳寿命。但在汽轮机的使用阶段还不能实现在线评定或预测汽轮机高温耐用件日历寿命，还没有适合的方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线评定及预测的方法，实现汽轮机高温耐用件日历寿命的在线评定和在线预测。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮机高温耐用件日历寿命的在线评定及预测方法，其方法由两个流程组成：

第一流程：确定高温耐用件的蠕变寿命和低周疲劳寿命

第一步：确定高温耐用件的寿命薄弱部位

汽轮机高温耐用件的寿命薄弱部位是高中压汽轮机转子的外表面和高中压汽轮机汽缸、阀壳、喷嘴室与蒸汽管道的内表面的蒸汽温度在500℃以上的部位、表面有圆角的应力集中部位、直径或壁厚突变的部位、蒸汽管道与壁厚交界处的部位；

第二步：确定蠕变寿命τ_R

采用有限元分析技术计算汽轮机高温耐用件带额定负荷的蠕变应力，利用寿命薄弱部位的蠕变等效应力和材料的持久强度试验曲线，采用现有技术确定汽轮机高温部件的蠕变寿命τ_R，蠕变寿命τ_R的单位为小时；

第三步：确定启停低周疲劳寿命和负荷变动低周疲劳寿命

采用现有技术技术计算汽轮机高温耐用件的启动过程、停机过程和负荷变动过程的瞬态等效应力，把一次冷态启动和一次滑参数停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次温态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次热态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次极热态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环，把一次30％～100％的大升负荷和100％～30％的大降负荷构成一个大负荷变动的低周疲劳寿命循环、把一次50％～100％的中升负荷和100％～50％的中降负荷构成一个中负荷变动的低周疲劳寿命循环，把一次75％～100％的小升负荷和100％～75％的小降负荷构成一个小负荷变动的低周疲劳寿命循环，采用非对称循环法计算汽轮机高温耐用件的冷态启停低周疲劳寿命N_fc、温态启停低周疲劳寿命N_fw、热态启停低周疲劳寿命N_fh、极热态启停低周疲劳寿命N_fr、大负荷变动的低周疲劳寿命N_f1、中负荷变动低周疲劳寿命N_f2、小负荷变动低周疲劳寿命N_f3；

第二流程：日历寿命的在线评定及预测

第四步：运行历史数据统计

根据运行历史数据，使用现有技术统计汽轮机从首次并网至当前时刻的累计运行小时数S_h、累计冷态启动次数n_c、累计温态启动次数n_w、累计热态启动次数n_h、累计极热态启动次数n_r和累计日历年数y₁；

其特征在于，

采用第五步：在线估计小负荷变动次数n₃

n₃＝[S_h/24]

第六步：在线估计中负荷变动次数n₂

n₂＝[n₃/2]

第七步：在线估计大负荷变动次数n₁

n₁＝[n₃/2]；

第八步：采用C语言编写计算软件，运行在汽轮机参数监视与控制的计算机上，在线计算日历寿命累积损耗E

E＝(S_h/τ_R+n_c/N_fc+n_w/N_fw+n_h/N_fh+n_r/N_fr+n₁/N_f1+n₂/N_f2+n₃/N_f3)×100％

第九步：在线计算年均日历寿命损耗E_y

综合考虑汽轮机国际标准和国内技术规程的要求，在汽轮机工作y₀＝30年的服役期内，汽轮机的冷态启动总次数n_c0＝100次，温态启动总次数n_w0＝700次，热态启动总次数n_h0＝3000次，极热态启动总次数n_r0＝150次，大负荷变动总次数n₁₀＝6000次，中负荷变动总次数n₂₀＝6000次，小负荷变动总次数n₃₀＝9000次，累计运行总时间S_h0＝7000×30小时，在汽轮机服役期内年均日历寿命损耗E_y为

$E_y=(\frac{100}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{700}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{3000}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{1500}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{6000}{N_{f1}}+\frac{6000}{N_{f2}}+\frac{9000}{N_{f3}}+\frac{7000\×30}{{\mathrm{\τ}}_R})\×\frac{1}{30}\×100\%$

第十步：在线计算日历寿命剩余损耗的预测值E_R

E_R＝E_y(y₀-y₁)    (％)

第十一步：在线计算日历寿命剩余损耗的安全余量E_A

E_A＝100-E        (％)

第十二步：在线评定日历寿命安全状态

把汽轮机耐用件的日历寿命剩余损耗的预测值E_R与日历寿命剩余损耗的安全余量E_A作比较，如果E_R＜E_A，表明汽轮机高温耐用件的日历寿命处于受控的安全状态，汽轮机运行人员在启动过程采用的主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程采用的负荷变化率是合适的；

第十三步：延长日历寿命的改进技术措施

当E_R≥E_A时，表明汽轮机高温耐用件日历寿命累积损耗偏大，汽轮机启动过程采用的主蒸汽温度的变化率偏大，或汽轮机负荷变动过程中采用的汽轮机负荷变化率偏大。建议汽轮机运行人员调整汽轮机自动控制的设定值，降低汽轮机启动过程主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程的负荷变化率，重新计算汽轮机高温耐用件的低周疲劳寿命和年均日历寿命损耗E_y，直到E_R＜E_A，日历寿命处于安全状态为止；

第十四步：在线预测剩余日历寿命R_L

计算汽轮机高温耐用件的剩余寿命R_L＝(100-E)/E_y，输出并打印汽轮机高温耐用件日历寿命的评定和预测的计算结果。

本发明给出一种汽轮机高温耐用件日历寿命在线预测及评定方法，可以实现汽轮机高温耐用件日历寿命累积损耗的在线计算、日历寿命的在线评定和剩余寿命的在线预测。如果汽轮机高温耐用件的日历寿命剩余损耗预测值E_R大于日历寿命剩余损耗的安全余量E_A，建议汽轮机运行人员调整汽轮机自动控制的设定值，降低汽轮机启动过程主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程的负荷变化率。针对调整后新的主蒸汽温度的变化率和新的负荷变化率，重新确定汽轮机耐用件的低周疲劳寿命，重新在线计算年均日历寿命损耗和日历寿命剩余损耗的预测值，重新在线评定日历寿命，直到汽轮机高温部件的日历寿命处于受控的安全状态为止，以达到延长汽轮机高温耐用件日历寿命的技术效果。

本发明的优点是在汽轮机的使用阶段实现汽轮机高温耐用件日历寿命的在线评定、在线预测与合理使用。

附图说明

图1为本发明所采用方法的流程图；

图2为本发明所采用的计算机软件框图；

图3为高压转子日历寿命累积损耗评定结果的饼形图；

图4为高压转子剩余日历寿命预测结果的柱形图。

具体实施方式

如图1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三步构成第一个流程，确定汽轮机高温耐用件的蠕变寿命和低周疲劳寿命；本发明技术方案的第四步至第十四步构成第二流程，在线计算评定和预测汽轮机高温耐用件的日历寿命，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

对于某型号主蒸汽温度和再热蒸汽温度为566℃的超临界600MW汽轮机的高压转子，采用图1所示的本发明提供方法的流程图，采用C语言编写计算软件，运行在汽轮机参数监视与控制的计算机上，如图2所示本发明方法的计算机软件框图，在线评定和预测该汽轮机高压转子日历寿命。

第一步：该汽轮机高压转子调节级叶轮后外表面圆角部位的工作温度为514.7℃，超过了500℃，圆角部位有应力集中，该部位是该汽轮机高压转子寿命的薄弱部位；

第二步：采用现有技术确定的该汽轮机高压转子寿命薄弱部位的蠕变寿命为τ_R＝1.4839×10⁹小时。

第三步：采用现有技术确定的该汽轮机高压转子寿命薄弱部位的启停低周疲劳寿命和负荷变动低周疲劳寿命为

N_fc＝3930次

N_fw＝1560次

N_fh＝9210次

N_fr＝143800次

N_f1＝51190次

N_f2＝76490次

N_f3＝80931270次；

第四步至第七步：该型号汽轮机从首次并网运行至y₁＝10.67年，历史数据统计得出的累计运行小时数S_h＝80688小时、累计冷态启动n_c＝31次、累计温态启动n_w＝41次、累计热态启动n_h＝91次、累计极热态启动n_r＝15次。把这些数据输入图2所示的计算软件，计算得出大负荷变动次数n₁＝1681，中负荷变动次数n₂＝1681，小负荷变动次数n₃＝3362；

第八步：在线计算日历寿命累积损耗E

$E=(S_h/{\mathrm{\τ}}_R+n_c/N_{\mathrm{fc}}+n_w/N_{\mathrm{fw}}+n_h/N_{\mathrm{fh}}+n_r/N_{\mathrm{fr}}+n_1/N_{f1}+n_2/N_{f2}+n_3/N_{f3})\×100\%$

$=(\frac{80688}{1.4839\×{10}^9}+\frac{34}{3930}+\frac{41}{1560}+\frac{91}{9210}+\frac{15}{143800}+\frac{1681}{51190}+\frac{1681}{76490}+\frac{3362}{80931270})\×100\%$

$=9.99\%$

第九步：在线计算年均日历寿命损耗E_y

$E_y=(\frac{100}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{700}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{3000}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{1500}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{6000}{N_{f1}}+\frac{6000}{N_{f2}}+\frac{9000}{N_{f3}}+\frac{7000\×30}{{\mathrm{\τ}}_R})\×\frac{1}{30}\×100\%$

$=(\frac{100}{3930}+\frac{700}{1560}+\frac{3000}{9210}+\frac{150}{143800}+\frac{6000}{51190}+\frac{6000}{76490}+\frac{9000}{80931270}+\frac{30\×7000}{1.4839\×{10}^9})$

$\×\frac{1}{30}\×100\%=3.33\%$

第十步：在线计算日历寿命损耗的预测值ER

E_R＝E_y(y₀-y₁)＝3.33％(30-10.67)＝64.37％

第十一步：在线计算日历寿命剩余损耗得安全余量E_A

E_A＝(100-E)＝(100-9.99)＝90.01％

第十二和第十三步：在线评定日历寿命安全状态，由于E_R＜E_A，表明该汽轮机高压转子日历寿命处于受控安全状态，汽轮机运行人员所采用的汽轮机主蒸汽温度得变化率和负荷变化率是合适的。不需要调整汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率的控制设定值；

第十四步：在线计算剩余日历寿命R_L

R_L＝(100-E)/E_y＝(100-9.99)/3.33＝27.03年，输出的该汽轮机运行日历年数为y＝10.67年时，高中压转子寿命薄弱部位的日历寿命的评定结果如图3所示，剩余日历寿命的预测结果如图4所示。

使用本发明提供的汽轮机高温耐用件日历寿命的评定及预测方法，在汽轮机的运行阶段达到了定量评价汽轮机高温耐用件日历寿命累积损耗、定量预测剩余日历寿命和指导运行人员合理使用剩余日历寿命的技术效果，为汽轮机高温耐用件的日历寿命管理和安全运行提供了技术依据。

Claims (1)

1.一种汽轮机高温耐用件日历寿命的在线评定及预测方法，其方法由两个流程组成：

第一流程：确定高温耐用件的蠕变寿命和低周疲劳寿命

第一步：确定高温耐用件的寿命薄弱部位

汽轮机高温耐用件的寿命薄弱部位是高中压汽轮机转子的外表面和高中压汽轮机汽缸、阀壳、喷嘴室与蒸汽管道的内表面的蒸汽温度在500℃以上的部位、表面有圆角的应力集中部位、直径或壁厚突变的部位、蒸汽管道与壁厚交界处的部位；

第二步：确定蠕变寿命τ_R

采用有限元分析技术计算汽轮机高温耐用件带额定负荷的蠕变应力，利用寿命薄弱部位的蠕变等效应力和材料的持久强度试验曲线，采用现有技术确定汽轮机高温部件的蠕变寿命τ_R，蠕变寿命τ_R的单位为小时；

第三步：确定启停低周疲劳寿命和负荷变动低周疲劳寿命

采用现有技术技术计算汽轮机高温耐用件的启动过程、停机过程和负荷变动过程的瞬态等效应力，把一次冷态启动和一次滑参数停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次温态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次热态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环、把一次极热态启动和一次事故停机构成一个非对称低周疲劳寿命循环，把一次30％～100％的大升负荷和100％～30％的大降负荷构成一个大负荷变动的低周疲劳寿命循环、把一次50％～100％的中升负荷和100％～50％的中降负荷构成一个中负荷变动的低周疲劳寿命循环，把一次75％～100％的小升负荷和100％～75％的小降负荷构成一个小负荷变动的低周疲劳寿命循环，采用非对称循环法计算汽轮机高温耐用件的冷态启停低周疲劳寿命N_fc、温态启停低周疲劳寿命N_fw、热态启停低周疲劳寿命N_fh、极热态启停低周疲劳寿命N_fr、大负荷变动的低周疲劳寿命N_f1、中负荷变动低周疲劳寿命N_f2、小负荷变动低周疲劳寿命N_f3；

第二流程：日历寿命的在线评定及预测

第四步：运行历史数据统计

根据运行历史数据，使用现有技术统计汽轮机从首次并网至当前时刻的累计运行小时数S_h、累计冷态启动次数n_c、累计温态启动次数n_w、累计热态启动次数n_h、累计极热态启动次数n_r和累计日历年数y₁；

其特征在于，

第五步：在线估计小负荷变动次数n₃

n₃＝[S_h/24]

第六步：在线估计中负荷变动次数n₂

n₂＝[n₃/2]

第七步：在线估计大负荷变动次数n₁

n₁＝[n₃/2]；

第八步：采用C语言编写计算软件，运行在汽轮机参数监视与控制的计算机上，在线计算日历寿命累积损耗E

E＝(S_h/τ_R+n_c/N_fc+n_w/N_fw+n_h/N_fh+n_r/N_fr+n₁/N_f1+n₂/N_f2+n₃/N_f3)×100％

第九步：在线计算年均日历寿命损耗E_y

综合考虑汽轮机国际标准和国内技术规程的要求，在汽轮机工作y₀＝30年的服役期内，汽轮机的冷态启动总次数n_c0＝100次，温态启动总次数n_w0＝700次，热态启动总次数n_h0＝3000次，极热态启动总次数n_r0＝150次，大负荷变动总次数n₁₀＝6000次，中负荷变动总次数n₂₀＝6000次，小负荷变动总次数n₃₀＝9000次，累计运行总时间S_h0＝7000×30小时，在汽轮机服役期内年均日历寿命损耗E_y为

$E_y=(\frac{100}{N_{\mathrm{fc}}}+\frac{700}{N_{\mathrm{fw}}}+\frac{3000}{N_{\mathrm{fh}}}+\frac{1500}{N_{\mathrm{fr}}}+\frac{6000}{N_{f1}}+\frac{6000}{N_{f2}}+\frac{9000}{N_{f3}}+\frac{7000\×30}{{\mathrm{\τ}}_R})\×\frac{1}{30}\×100\%$

第十步：在线计算日历寿命剩余损耗的预测值E_R

E_R＝E_y(y₀-y₁)    (％)

第十一步：在线计算日历寿命剩余损耗的安全余量E_A

E_A＝100-E        (％)

第十二步：在线评定日历寿命安全状态

把汽轮机耐用件的日历寿命剩余损耗的预测值E_R与日历寿命剩余损耗的安全余量E_A作比较，如果E_R＜E_A，表明汽轮机高温耐用件的日历寿命处于受控的安全状态，汽轮机运行人员在启动过程采用的主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程采用的负荷变化率是合适的；

第十三步：延长日历寿命的改进技术措施

当E_R≥E_A时，表明汽轮机高温耐用件日历寿命累积损耗偏大，汽轮机启动过程采用的主蒸汽温度的变化率偏大，或汽轮机负荷变动过程中采用的汽轮机负荷变化率偏大。建议汽轮机运行人员调整汽轮机自动控制的设定值，降低汽轮机启动过程主蒸汽温度的变化率和汽轮机负荷变动过程的负荷变化率，重新计算汽轮机高温耐用件的低周疲劳寿命和年均日历寿命损耗E_y，直到E_R＜E_A，日历寿命处于安全状态为止；

第十四步：在线预测剩余日历寿命R_L

计算汽轮机高温耐用件的剩余寿命R_L＝(100-E)/E_y，输出并打印汽轮机高温耐用件日历寿命的评定和预测的计算结果。

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