CN202073605U - 超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统，包括测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器，测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器以串联方式依次连接，测温设备安装在汽轮机转子危险部位所对应的汽缸内壁上，采集汽轮机转子危险部位处的温度数据，测温设备将采集到的温度数据传输给电厂DCS系统，主机通过SIS接口直接读取DCS系统中的温度数据，计算出汽轮机转子的热应力，生成转子热应力数据报表，并通过显示器显示。本实用新型具有在线监测、自动报警、结果自动存盘、打印数据报表等功能，能够监测大型调峰运行机组汽轮机转子危险部位热应力变化，提高机组在电网调峰期间的适应能力。

Description

超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及汽轮机优化运行领域，具体是指一种超超临界汽轮机机组实心转子热应力的在线监测系统。 

背景技术

随着我国经济的迅速发展，用电量的逐年增长，电网的峰谷差也越来越大，同时又由于我国能源分布的特点，使得我国火电机组频繁的参与调峰，而随着小型火电机组逐渐被淘汰，中大型火电机组参与调峰成为必然趋势。 

由于频繁启动及大范围负荷变动，机组要经常承受大幅度的温度变化，从而使转子、汽缸等厚壁部件产生交变应力，导致部件产生低周疲劳损耗，缩短整个机组的使用寿命。现代机组的高压缸由于普遍采用了双缸、分立式蒸汽室，使汽缸的应力水平显著下降，但汽轮机转子的直径却随着机组额定功率的增加而增大，热应力水平也随之提高。在同样的条件下，一股来讲转子承受的热应力最大，所以对汽轮机转子热应力进行监测是非常必要的。 

研究热应力常用的方法是解析法和数值法。数值算法一股是将转子视为轴对称二维模型，将几何形状离散化，这种方法在理论上可获得精确值。但其算法复杂、计算量大，不适用于在线监测。解析法是将转子视为光轴、一维模型，通用性好，计算量小，速度快，虽然有误差，但可满足工程需要。但是传统的解析法是以第三类边界条件为基础的，而放热系数和调节级或中压第一级后的蒸汽温度等参数比较难确定。 

而本申请中的热应力计算主程序的算法属于解析法，是以现场可以测出的内缸壁温度模拟转子表面温度为依据，即属于转子表面温度为已知的第一类边界条件，同时根据递推思想计算热应力，这种算法避免确定放热系数和调节级或中压第一级后的蒸汽温度的难题。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系 统，该在线监测系统能够监测大型调峰运行机组汽轮机转子危险部位热应力变化，把基于递推算法和第一类边界条件的热应力监测装置应用于特定机组上，以提高机组在电网调峰期间的适应能力。 

本实用新型的上述目的通过如下技术方案来实现的：超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统，其特征在于：该在线监测系统包括测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器，所述的测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器以串联方式依次连接，所述的测温设备安装在汽轮机转子危险部位所对应的汽缸内壁上，采集汽轮机转子危险部位处的温度数据，测温设备将采集到的温度数据传输给电厂DCS系统，主机通过SIS接口直接读取DCS系统中的温度数据，计算出汽轮机转子的热应力，生成转子热应力数据报表，并通过显示器显示。 

本实用新型的理论依据是：对于适用于本在线监测系统的机组，由于调节级和中压第一级的焓降比较大，蒸汽做功最多，调节汽室蒸汽的压力、温度随负荷变动而变化最大，并根据ansys有限元软件计算得知高压缸调节级后叶轮根部、高中压缸之间的轴肩表面的温度梯度较大，所以这些部位应作为监测部位。 

本实用新型中，所述的测温设备为WRNK铠式热电偶。 

本实用新型中，所述汽轮机转子危险部位指高压缸调节级后叶轮根部和高中压缸之间的轴肩表面处。 

本实用新型的主机具有数据采集模块和热应力计算模块，数据采集模块与SIS接口相连，通过SIS接口采集DCS系统中的温度数据，并且将采集到的温度数据传送给与之相连的热应力计算模块，热应力计算模块用于计算汽轮机转子的热应力，生成转子热应力数据报表，热应力计算模块的计算模型如下： 

当转子表面温度以温度变化率η₁，经时间τ₁转化为η₂时，所列转子导热微分方程及边界条件如下： 

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=a(\frac{{\∂}^{2}t}{{\∂r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂t}{\∂r})$

t|_r＝R＝t₀+η₁τ                (0＜τ＜τ₁) 

t|_r＝R＝t₀+η₁τ+η₂(τ-τ₁)    (τ＞τ₁) 

式中：t——转子温度； 

r——转子半径； 

τ——时间； 

R——转子外表面半径。 

求出转子温度场分布后，根据计算式δ_th＝E*β*(t-t_m)/(1-γ)计算转子热应力。 

其中：δ_th——转子热应力(MPa)； 

E——转子的弹性模量(MPa)； 

γ——泊松比； 

t_m——转子的体积平均温度； 

t——计算点的温度。 

当转子表面温度非线性变化时，根据转子温度场的分布、热应力的叠加规律、递推思想可得实心转子光轴表面处以及对应的转子中心部位热应力公式分别为： 

SS＝η_iC₁C₂+4C₁(X₇X₃+X₄X₈) 

SS′＝-η_iC₁C₂+2C₁(X₇X₅+X₆X₈) 

$M_{1i}=\left\{\begin{array}{c}0,i=\mathrm{0,1}\\ {\mathrm{\η}}_{i-1}(e^{-{{\mathrm{\β}}_{1i}}^{2}2\mathrm{aI}/R^2}-e^{{{-\mathrm{\β}}_{1i}}^2\mathrm{aI}/R^2}),i\≥2\end{array}\right.$

$M_{2i}=\left\{\begin{array}{c}0,i=\mathrm{0,1}\\ {\mathrm{\η}}_{i-1}(e^{-{{\mathrm{\β}}_{2i}}^{2}2\mathrm{aI}/R^2}-e^{{{-\mathrm{\β}}_{2i}}^2\mathrm{aI}/R^2}),i\≥2\end{array}\right.$

$M_{3i}=\left\{\begin{array}{c}0,i=0,1\\ {M_{3_{i-1}}e}^{-{{\mathrm{\β}}_{1i}}^{2}2\mathrm{aI}/R^2}+M_{1_i},i\≥2\end{array}\right.$

$M_{4i}=\left\{\begin{array}{c}0,i=0,1\\ {M_{4_{i-1}}e}^{-{{\mathrm{\β}}_{2i}}^{2}2\mathrm{aI}/R^2}+M_{2_i},i\≥2\end{array}\right.$

$C_1=\frac{{\mathrm{\β}}_1{E}_i{R}^2}{a_i(1-\mathrm{\γ})},$ $C_2=\frac{-1}{8}$

$X_1=\frac{1}{J_1\left({\mathrm{\β}}_{1i}\right)},$ $X_2=\frac{1}{J_1\left({\mathrm{\β}}_{2i}\right)}$

$X_3=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_{1i}},$ $X_4=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_{2i}}$

X₅＝2X₃-X₁，X₆＝2X₄-X₂

$X_7=\frac{{\mathrm{\η}}_i{e}^{-\frac{{\mathrm{\β}}_{1i}^2\mathrm{aI}}{R^2}}+M_{3_i}}{{\mathrm{\β}}_{1i}^3},$ $X_8=\frac{{\mathrm{\η}}_i{e}^{-\frac{{\mathrm{\β}}_{2i}^2\mathrm{aI}}{R^2}}+M_{4_i}}{{\mathrm{\β}}_{2i}^3}$

其中： 

a——转子的导温系数(λ/ρc)； 

c——转子的比热(kJ/(kg·℃))； 

ρ——转子的密度(kg/m³)； 

λ——转子的导热率(kJ/m·h·℃)； 

R——危险部位处转子半径； 

E——转子的弹性模量(MPa)； 

β——转子的线膨胀系数(1/℃)； 

γ——泊松比； 

J₀——零阶第一类贝塞尔函数； 

η_i、η_i-1——是转子表面在i、i-1时刻的温度变化率(℃/h)； 

β_1i、β_2i——分别为方程J₀(β)＝0的第1、2个正根； 

I——为数据的采样频率。 

温升率是指监测部位处温度的变化率；根据公式 

算出。 

根据转子材料的物性参数与温度的关系曲线拟合出物性参数与温度的函数关系式，用SIS接口程序采集到的温度数据算出材料的物性参数，其中物性参数包括： 

a——转子的导温系数(＝λ/ρc)； 

c——转子的比热(kJ/(kg·℃))； 

ρ——转子的密度(kg/m³)； 

λ——转子的导热率(kJ/m·h·℃)； 

E——转子的弹性模量(MPa)； 

β——转子的线膨胀系数(1/℃)； 

γ——泊松比； 

监测部位处的离心力S₀＝(n/3000)²*δ₀； 

其中：n——转速，δ₀——额定转速下的离心力。 

热应力SS₁＝K*SS和＝K*SS’； 

其中：K——监测部位应力集中系数，可由有限元数值计算求出。 

当量应力 

本实用新型中，所述显示器为12864LCD，显示器把主机的计算结果显示出来， 供运行人员参考。 

本实用新型可以做如下改进：该在线监测系统还包括打印机，所述打印机与主机相连，通过打印机打印主机所生成的转子热应力数据报表。 

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是，避免了确定放热系数的难题，所需采集的数据较少，可以快速监测汽轮机转子在启动、停机、变负荷等工况下热应力的变化，从而保证汽轮机转子的安全运行，减少转子的寿命损耗；同时在考虑振动、胀差等因素的情况下，适当的参照汽轮机转子热应力的变化，可缩短启动、停机时间，提高电厂的经济性。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细描述。 

图1是本实用新型的整体结构图； 

图2是本实用新型中监测汽轮机转子危险部位示意图； 

图3是本实用新型的file path.txt文件图； 

图4是本实用新型中电厂DCS系统的测点设置对话框； 

图5是本实用新型应用实例的主界面图。 

具体实施方式

如图1、图2所示的超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统，该在线监测系统应用于广东汕尾电厂的660MW超超临界机组中，该在线监测系统包括测温设备、电厂DCS系统2、SIS接口3、主机4和显示器5，所述的测温设备、电厂DCS系统2、SIS接口3、主机4和显示器5以串联方式依次连接，所述的测温设备安装在汽轮机转子7中危险部位所对应的汽缸内壁上，采集汽轮机转子危险部位处的温度数据，测温设备将采集到的温度数据传输给电厂DCS系统2，主机4通过SIS接口3直接读取DCS系统中的温度数据，基于递推算法计算转子当量热应力，再乘以修正系数，从而计算出汽轮机转子的热应力，生成转子热应力数据报表，并通过显示器5显示。SIS接口3用于电厂DCS系统2与主机4之间的数据转换和传输。 

主机4具有硬盘、CPU、数据采集模块和热应力计算模块，数据采集模块与SIS接口3相连，通过SIS接口3采集DCS系统中的温度数据，并且将采集到的 温度数据传送给与之相连的热应力计算模块，热应力计算模块用于计算汽轮机转子的热应力。主机4是监测装置的核心，其通过SIS接口3从电厂DCS系统2中采集数据，基于递推算法计算当量应力，通过打印机6打印转子热应力数据报表，根据设置的热应力上限进行报警，给工作人员以提示。历史数据报表也可储存到主机4的硬盘上。 

本实用新型中，所述的测温设备为WRNK铠式热电偶1；所述汽轮机转子危险部位指高压缸调节级后叶轮根部a和高中压缸之间的轴肩表面处b；所述显示器5为12864LCD，显示器5把主机4的计算结果显示出来，供运行人员参考。 

该在线监测系统还包括打印机6，所述打印机6与主机4相连，通过打印机6打印主机4所生成的转子热应力数据报表。 

本实用新型在线监测系统的运行过程如下： 

首先在如图2所示的汽轮机转子危险部位，即高压缸调节级后叶轮根部a和高中压缸之间的轴肩表面处b所对应的汽缸内壁上安装WRNK铠式热电偶探针，把采集到的温度数据以及其他所需测点数据送至电厂DCS系统2，如附图1所示，主机4通过SIS接口程序直接读取电厂DCS系统2中的数据。主机4中的数据是在历史站中outfile.dat文件中读取数据，并不对电厂DCS系统2构成任何的反馈和操作，通过这些数据进行计算和迭代和计算，其中数据的采样频率为1次/min。 

附图1中主机4的当量热应力计算主程序是用delphi语言编程的，实现了快速计算的功能，通过SIS接口层直接从电厂DCS系统2采集的数据如下： 

(1)主蒸汽的压力、温度； 

(2)再热蒸汽的压力、温度； 

(3)高压缸调节级处内缸壁温； 

(4)高中压缸之间轴肩处内缸壁温； 

(5)转速； 

(6)负荷。 

其中，(3)、(4)是指WRNK铠式热电偶所测得的温度数据，用于后续当量热应力的计算，(1)、(2)、(5)、(6)是指通过其他测量设备所采集到的其他所需测点数据，这些所有的数据均送至送至电厂DCS系统2，(1)、(2)、(5)、(6)所测得的数据通过电厂DCS系统2显示。 

图3是file_path.txt文件；主机系统在运行前需要在d:\电厂热应力\file_path.txt 文件中设置历史站数据文件的路径，第一行为DCS数据文件的路径，第二行为测点名称路径。 

执行Tbonline.exe程序，就进入了转子热应力在线监测系统，在运行前首先设置DCS测点。 

点击“系统”菜单下的“测点设置”命令，则打开密码对话框，输入正确的密码后，即进入电厂DCS系统测点设置对话框(见图4所示)，只要用鼠标在本系统要用的测点名称前的选项框中单击即可，设置完所有测点后点击“确定”按钮后进入DCS测点与本系统变量绑定对话框将DCS测点与系统变量一一进行绑定后单击“确定”按钮后，则设置完本系统的数据环境。如果历史站中的数据不变，再次运行时不需要重新设置。 

设置完主机系统的所有运行环境后，在线监测就可以开始了。 

显示器把计算结果以图形形式连续的显示出来，当计算的当量应力超过规定的许用应力值(材料屈服极限值的80％)时，主机报警，提示工作人员调整运行。 

如图5所示，显示器屏幕分成上下两个部分。上半部分显示实时数据，″主汽温度″、″调节级汽温″、″再热蒸汽温度″、″主汽压力″、″再热蒸汽压力″、″负荷″、″转速″及各参数随着时间的变化曲线。下半部分显示经过计算后得到的″调节级中心部位应力″和″调节级叶轮根部应力″随着时间的变化曲线。其中最大应力的报警线为350MPa，这里的最大应力是指两个部位中最大的应力，并不是只针对某个部位。根据有限元优化分析的结果可知，启动过程中，运行人员可以根据监测的结果进行启动优化。当然在启动优化过程中，不能仅以热应力作为启动的约束条件，还应考虑其他因素的制约。 

当鼠标在图形上滑动时将显示一移动标尺。当按下鼠标左键后则弹出一数据表，在该数据表中给出了标尺所在时间上的所有参数的精确函数值。当鼠标左键抬起时数据表消失。如图5。 

计算结果可储存在主机硬盘中，同时客户端也可以从数据库中调取历史数据并通过打印机打印数据报表。历史数据记录了机组运行的全部实时数据。点击“数据库”菜单下的“历史数据”命令，则查询历史数。查询历史数据的方式，第一种方式：在“启停时间”下拉列表中记录了所有汽轮机启动、停机、异常时的数据，利用它可以实现快速查询；第二种方式：选择“起始日期”和“起始时间”后，单击“查询”按钮后，系统显示该事件后12小时的运行曲线及数据。 

适用于本监测装置的机组为中压缸启动方式，中间有切缸操作，所以对高中压转子热应力执行监控的时间并不一致，中压转子热应力监控投入运行以机组冲转为标准，高压转子热应力监控投入运行以高压缸调节阀门开始打开为标准。对于机组热应力水平超标进行的暖机，以及暖机所需的时间以本监测系统为依据。 

Claims (5)

1.超超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统，其特征在于：该在线监测系统包括测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器，所述的测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、主机和显示器以串联方式依次连接，所述的测温设备安装在汽轮机转子危险部位所对应的汽缸内壁上，采集汽轮机转子危险部位处的温度数据，测温设备将采集到的温度数据传输给电厂DCS系统，主机通过SIS接口直接读取DCS系统中的温度数据，计算出汽轮机转子的热应力，生成转子热应力数据报表，并通过显示器显示。

2.如权利1所述的在线监测系统，其特征在于：所述的测温设备为WRNK铠式热电偶。

3.如权利1所述的在线监测系统，其特征在于：所述汽轮机转子危险部位指高压缸调节级后叶轮根部和高中压缸之间的轴肩表面处。

4.如权利1所述的在线监测系统，其特征在于：所述显示器为12864LCD，显示器把主机的计算结果显示出来，供运行人员参考。

5.如权利1所述的在线监测系统，其特征在于：该在线监测系统还包括打印机，所述打印机与主机相连，通过打印机打印主机所生成的转子热应力数据报表。

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