两种汽轮机转子热应力计算方法的比较分析

日茎墙差日DOI1039690ISSN16711041201302033两种汽轮机转子热应力计算方法的比较分析陈顺青。谷俊杰华北电力大学能源与动力工程学院，保定071003墨麦旦摘要本文分别对汽轮机自启停转子热应力在线计算的一维差分法和惯性环节法进行了详细的描述。对这两种方法的通用性、筒捷性、计算精度等方面进行对比分析，得出一种更适合我国现阶段转子热应力的在线计算的方法。从而更好地实现单元机组启停自动化，提高机组的运行安全性和经济性。关键词转子热应力在线计算；一维差分法；惯性环节法；机组启停自动化中图分类号TM315文献标志码BCOMPARATIVEANALYSISOFTWOSTEAMTURBINEROTORTHERMALSTRESSCALCULATIONMETHODSCHENSHUNQING，GUJUNJIESCHOOLOFENERGYPOWERANDMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY,BAODING071003，CHINAABSTRACTTHISPAPERRESPECTIVELYDESCRIBESSINGLEDIMENSIONALDIFFERENCEMETHODANDINERTIALLINKMETHODOFTHETHERMALSTRESSONLINECALCULATIONOFTHESTEAMTURBINEAUTOMATICSTARTSTOPROTORBY。ANALYZINGANDCOMARINGTHEGENERALITY，CONVENIENCE，CALCULATIONACCURACYOFTHESETWOMETHODS，ITSUMMARIZESONEMETHODWHICHISMORESUITABLETOTHEPRESENTROTORTHERMAISTRESSONLINECALCULATIONTOREALIZEUNITSTARTSTOPAUTOMATIONMUCHBETTER,IMPROVETHEOPERATIONSAFETYANDCOSTKEYWORDSROTORTHERMALSTRESSONLINECAICULATIONSINGIEDIMENSIONALDIFFERENCEMETH0DINERTIALLINKMETHOD；UNITSTARTSTOPAUTOMATION主站周期性地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站PLC程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUSDP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。36现场测控仪表及主要设备仪表选型应根据工艺装置的规模、工艺流程特点和操作要求等因素确定的控制方式进行。首先，选用的仪表必须性能先进、运行稳定可靠。其次，在满足工艺要求的前提下，不必追求过高的测量精度，以节省投资；量程选择应保证仪表长期工作在满量程的23左右。再次，仪表的防护等级应不低于IP65，在短时浸水场合，防护等级为IP67；在长期浸水场合，防护等级为IP68。另外，仪表应便于安装、检修，部件可换性好。最后，在同工程项目中，仪表品种不宜过多，应力求统一。主要仪表有超声波液位差计、COD检测仪、氨氮检测仪、超声波液位计、电磁流量计、温度计、污泥浓度计、PH检测仪、泥位检测仪。4监控界面设计中央管理中心设置两台计算机分别作为操作站和工程师站相互备用，利用力控组态软件开发的污水处理监控界面，对全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控，遥控现场设备。监控计算机通过集成的1000M网卡与PLC系统经工业以太网进行数据交换4。中控室的监控程序有如下主要功能1工艺流程监控功能。具有友好中文操作界面，各个界面之间切换流畅、自然，能动态显示整个厂区及各个单体的在线设备运行状态及仪表测量值，监测网络各节点状态。2数据记录存储功能。监控程序根据需要采集各分92EICV01202013NO2控站的各类数据和信号，并能进行数据显示、数据存储、历史数据回放、趋势曲线绘制。3多级口令登录功能。具有安全登录窗口，并把登陆详细信息存人数据库；分管理员、工程师、操作员三个等级登陆，凭口令来使用监控程序。4打印功能。具有各种数据报表输出功能，根据生产需要，及时完整地生成生产报表。5报警及报警记录功能。具有多种报警功能，包含优先级报警、多状态报警、事件报警和确认报警等。6操作人员对设备的所有操作或报警值的修改，其操作记录由监控软件记录，并由独立的数据库存储。5结束语实践证明，应用自动化控制系统是污水处理行业发展的必然走向，对污水处理企业的管理和工艺都大有益处。其保证了污水处理运行的安全可靠，大大提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，从而提高了生产效率，降低了能耗。随着科学技术的进一步发展，自动化控制将在污水处理行业当中起到更加广泛和重要的应用。口参考文献1赵捷污水处理厂自动化控制系统及控制功能实现电气技术，2006，43O一3222贾青工控计算机与PLC的发展现状J】_自动化博览，2000，3173马国华监控组态软件及其应用【M北京清华大学出版社，20011954高廷耀污水处理的新技术与新发展【M上海上海环境科学出版社，19993075作者简介杨海燕1986一，女，在读硕士研究生，研究方向为油气检测技术与自动化装置。收稿日期20121210器墨旦0引言随着我国电力事业的不断发展，许多大容量、高参数的汽轮机组投入电厂运行。随之而来的问题是峰谷差加剧，使得原来按照基本设计运行的大中容量机组不再经常带额定负荷，而是参与调峰运行。因此，机组启停频繁，负荷变化大。我们知道，无论热态、冷态还是温态启动一台大容量汽轮机组都是非常复杂的操作口，需要工作人员实时监控大量参数，其中就包括大型汽轮机转子的热应力，它是十分重要的参数。由运行经验可知，启动过程中热应力无论过高还是过低，都会对汽轮机的启动过程产生不良影响。比如，可能造成汽轮机的寿命受损或者增加启动过程的成本。就目前而言，操作人员主要跟据前人及自己总结的经验进行操作，这样就存在着一定的人为风险，因此很难保证单元机组运行的经济性和可靠性。要想解决此类问题只能依赖优化大型汽轮机组的自动控制。目前，我国引进国外的大型机组DEH系统中均有一套先进的热应力控制系统3对转子的危险截面的热应力进行在线监控。热应力控制系统一般都包含应力计算、实时数据库、应力显示、报警等等模块。但是，由于热应力不便直接测量，其理论计算值就成为整个系统的关键技术。本文详细介绍了一维差分法和惯性环节法两种理论计算转子体积平均温度的方法并进行比较分析。1热应力产生的原因及计算由于物体内部温度分布发生改变，物体会受到外在约束和内在约束的限制，不能自由收缩和膨胀，导致应力的产生，这种由于温度变化引起的应力称热应力。进入汽轮机的蒸汽温度很高，经过导热会导致汽轮机内部的零部件温度分布发生改变，从而产生热应力。根据相关文献J，如下关系式可以进行理想物体热应力的计算1其中为材料弹性模量；A为材料线性膨胀系数；为物体表面热应力；T为物体体积平均温度；U为材料泊松比；TS为物体表面温度。由式1可知，只要物性系数确定，理想物体的热应力值的大小正比于物体内部的温度梯度。因此，只要知道某一时刻物体的体积平均温度与物体的表面温度之差，就可以得到此时物体内部的热应力。2转子热应力的计算过程21获取转子表面温度以高压缸转子为例，在对流传热系数相差不大的情况下，相应部位高压转子外表面与高压内缸内表面的蒸汽温度比较接近。故只要知道高压内缸内表面的蒸汽温度即可。此时可以采取直接测量法、等效替代法等方法获得高压转子外表面温度。所谓直接测量法就是用测温元件直接测得高压内缸第一级主汽温度，将这个温度当作高压转子外表面温度。等效替代法就是通过插入高压内缸壁厚90深度的温度测量元件来获得部件的内表面温度，将这个内表面温度当作高压转子外表面温度。22获取转子体积平均温度由于转子是高速转动的部件，不能用直接测量法、等效替代法等方法获得转子温度分布，因此无法获得转子体积平均温度。目前，宝钢电厂引进三菱350MW汽轮机，上海汽轮机厂引进西门子1000MW超超临界汽轮机，分别采用一维差分法和惯性环节法获得转子体积平均温度。221一维差分法一维差分法的基本原理是将转子视为无限长圆柱体的一维模型，当不考虑轴向导热时可归结为求解微分方欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息日茎墙羞日通过求解上式2得出转子径向温度分布；再根据径向温度分布，求转子体积平均温度，从而求解热应力。为了求得转子的温度分布，将转子在半径方向等分成六个截面。根据实测的转子表面蒸汽温度求解转子各分割点的中心温度。式2中OLCPF为时间小时；，为应力计算点转子半径177；A为热传递率KCALMH艺；C为比热KCALKG；P为比重KGM由于转子沿半径方向等分为6层，故式2可化为如下差分形式盟AR毒C一AZ号CAZX、Z1Z式中F伪第F段中心的温度，即原来温度T经R时间后的温度；沩第F层圆筒的厚度；AZ为相邻圆筒层中心的距离。式3可整理成下式TIC，TCKT1C,TL4其中C1L_5AXEZ1AZCKAA。L一1J6CIAAR11J7此时转子各点的温度表达式如下FLCITLC2TC289C16TCSZTC坩T10TSC19T620TTMT11式中F转子中心孔温度之；F，F各分割点中心温度之；F转子表面温度之；TSTM为调节级出口蒸汽温度之；F为现在值之；F为F之前的温度之。只要给出时间间隔F，系数CLC口便可确定，从而求出转子温度分布。由求得的温度分布，可以通过下式求得转子体积平均温度为6AXITTITVJL一12当转子体积平均温度求得后便可利用按式1进行热应力的求解。222惯性环节法惯性环节法是源于自动控制理论的一种仿真计算方法。此方法通过大量实验来化简热传导数学描述中的边界条件，获得与现实相接近的仿真模型后，再求得转子EICVO1202013NO2932堡1一II程旦墙差臼体积平均温度，继而确定热应力。上海汽轮机几000MW超超临界汽轮机采用惯性环节法仿真计算转子体积平均温度T。惯性环节法的具体计算原理请参考图1转子体积平均温度仿真计算示意图。图中系数A，、A、A，和导热系数有关，用来计算惯性时间；E、为惯性时间的比例系数；R为体积平均温度处的轴半径；K，、K。、K，为一阶惯性环节的比例系数，3个系数之和等于1；71，、T2、T3为惯性时间，与转子材料、体积平均温度处的轴半径及转子平均温度本身有关HJ。一一一一一二惯性时间L783A3TAF1转子表面温度T图1转子体积平均温度仿真计算示意求解T的具体计算公式见刘岩、杨宇、陈钢的研究成果L5。按惯性环节法求得的转子体积平均温度与转子表面温度的温差表征部件热应力大小。3转子热应力的控制目前，机组热应力控制一种普遍的方法是通过DEH系统获得机组内各监测点的实际温度值，再根据公式1对高、中压转子的实际热应力值进行计算，然后对照热应力限定值来判断冲转、升速、并网等条件是否满足，通过这样一个过程来实现汽轮机自启停，从而达到控制热应力的效果。另一种方法是把通过DEH系统获得的机组内零部件的体积平均温度和表面温度的温差值对照程序中早已限定好的温度裕量来判断冲转、升速、并网等条件是否满足，通过这样一个过程来实现汽轮机自启停，同样能达到控制热应力的效果。无论是热应力限定值抑或温度裕量都是为保证机组应力水平在允许范围内而提前确定的限定值。目前，确定这些限定值的方法一般为操作人员对照机组由材料性质决定的设计寿命损耗曲线和实际的汽轮机启动运行曲线，根据前人或自己总结的经验来确定一个热应力的安全裕度来获得这些限定值。4一维差分法和惯性环节法对比分析通过一维差分法和惯性环节法均可获得转子体积平均温度，继而获得转子外表面温度与转子体积平均温度的温差，从而直接或间接求得转子的热应力。这两种方法应用在汽轮机转子热应力在线计算时到底有什么不同下面从三个方面进行对比分析。1通用性一维差分法的基本原理是根据数学推导进行计算求解线性方程组，故可以很容易地推广到任何一种型号的汽轮机转子的热应力计算中去。而惯性环节法是在针对某一特定型号的汽轮机、进行大量实验的基础上获得仿真模型的惯性环节法系数，从而获得仿真模型，进行仿真计算。然而机组的特性改变后，已经确定好的惯性环节法系数便不再适用。若想针对其他型号的汽轮机再次使用此种方法，必须重新确定惯性环节法系数。因此，惯性环节法的推广应用比较麻烦。94EICVO1202013NO2噩麦应2简捷性一维差分法计算过程需要求解大量方程才能完成在线监测任务，在控制系统中的实现有一定困难。惯性环节法源于自动控制理论，只需要依靠三个一阶惯性环节的仿真模型，采用迭代计算便可完成在线监测任务，而且迭代计算在热应力监控系统中的实现非常方便。因此，惯性环节法简捷方便，能够很好地满足在线监测的实时性强、反应灵敏的实际工程需要。3计算精度根据相关文献，对于计算精度而言，冷态启动、温态启动、热态启动和极热态启动时惯性环节法与一维差分法基本一致，且相比差分法的结果偏大，转子热应力监控偏安全。但是，当惯性环节法在推广应用过程中是否依然能够保持高计算精度是不能保证的。5结束语鉴于以上对比分析，这两种方法应用在汽轮机转子热应力在线计算时各有优缺点。就目前而言，汽轮机转子热应力的在线计算侧重实时性、