汽轮机转子寿命损耗在线监测系统开发及应用

第57卷第4期2015年8月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0157NO4AUG2015汽轮机转子寿命损耗在线监测系统开发及应用张艾萍，沈忠良，张帅，付从伟1东北电力大学能源与动力工程学院，吉林132000；2山东华聚能源股份有限公司，邹城273500摘要基于有限差分法，采用MATLAB和组态软件开发了基于火电厂SIS数据平台的汽轮机组寿命在线监测系统，实时考虑放热系数变化，转子材料物性变化等因素。通过现场运行，结果表明该系统能很好的反映出转子温度场及应力场分布，可以为机组的安全、经济运行及寿命管理提供有效的技术手段，能够很好地满足工程实际需要。关键词汽轮机转子；有限差分法；温度场；寿命监测；低周疲劳分类号TK26361文献标识码A文章编号10015884201504027704THEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFONLINELIFELOSSMONITORINGSYSTEMFORSTEAMTURBINEROTORSZHANGAIPING，SHENZHONGLIANG，ZHANGSHUAI，FUCONGWEI1SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING，NORTHEASTDIANLIUNIVERSITY，JILIN132000，CHINA；2SHANDONGHUAJUENERGYCOMPANYLIMITED，ZOUCHENG273500，CHINAABSTRACTBASEDONTHEFINITEDIFFERENCEMETHOD，THEONLINELIFELOSSMONITORINGSYSTEMWASDEVELOPEDBYUSINGMATLABANDCONFIGURATIONSOFTWARETOOLS，BASINGONDATACENTERPLATFORMOFSIS，THEREALTIMEHEATTRANSFERCOEFFICIENTANDTHEROTORMATERIALPROPERTIESCHANGESANDOTHERFACTORSHAVEBEENCONSIDEREDTHEACTUALFIELDOPERATIONSSHOWEDTHATTHESYSTEMCANWELLREFLECTTHEDISTRIBUTION0FTEMPERATUREFIELDANDSTRESSFIELDTHESYSTEMCANPROVIDEEFFECTIVETECHNICALMEANSFORTHESAFE，ECONOMICALOPERATIONANDLIFEMANAGEMENTFORTHESTEAMTURBINE，CANEFFECTIVELYMEETTHENEEDSOFENGINEERINGPRACTICA1KEYWORDSTURBINEROTOR；FINITEDIFFERENCEMETHOD；TEMPERATUREFIELD；LIFEMONITORING；LOWCYCLEFATIGUE0前言随着我国电力工业的发展，用电结构发生了很大的变化，电网峰谷逐渐加大，且由于“上大压小”的调整政策，越来越多的火电机组参与调峰运行已势在必行。由于频繁启停和负荷调整，使汽轮机转子经常承受剧烈的温度变化和交变热应力，这种交变热应力严重影响机组的寿命，同时给机组带来安全隐患。因此，对转子寿命进行研究并开发相应的在线监测系统，可以在最大程度上保证机组的安全可靠运行，对提高企业效益，也具有十分重要的现实意义。汽轮机转子是高速旋转部件，目前由于技术上的困难，对热应力直接测量非常困难，通过建立数学模型，开发监测系统对机组的运行情况进行监控，是目前提高机组安全性的主要手段。目前国内外主要研究方法有有限元法和解析法。有限元法将转子几何体离散化，用代数方程代替微分方程，计算精度高，但过程繁琐且时间长，很难满足工程需要；解析法假设条件过于理想，且迭代过程复杂，精度相对较差。由于有限差分法具有计算速度快、稳定性好、精度高以及其它方法所不具备的优点，故作者依据有限差分法理论，开发了基于电厂SIS数据平台的机组寿命监测系统。其功能多样化、操作简捷，以实时数据为依托，完成对机组运行的在线监测，对机组的安全、经济、高效运行具有显著的指导作用。1转子温度场、应力场计算11转子温度场计算汽轮机转子不稳定温度场时，将转子视为一个均匀、各向同性且无内热源的无限长空心圆柱体一维模型，忽略轴向和切向温度分布不均的影响，只考虑径向温差，这样将问题转化为一维非稳态导热问题，其数学模型及边界条件为N曼OR上RORA，TR，TT0。一。式中，T为转子温度，；F为时间；。为导温系数；A为转子材料的热导率，WMK；为转子任一点半径，M；T。为转子初始温度，；R为转子内径，M；R为转子外径，M；TL为蒸汽温度，；O为放热系数，WMK。对监测部位截面，将其沿半径方向等分为若干层，即可收稿日期20150113基金项目吉林省自然科学基金项目20140101064JC；东北电力大学博士科研启动基金项目编号BSJXM一201207。作者简介张艾萍1968，男，内蒙古自治区兴和县人，教授，博士，从事热力设备状态监测、故障诊断及预测维修等方面的工作。278汽轮机技术第57卷得到若干个节点。依据有限差分法，形成一维不稳定导热的差分方程，表示如下1内部节点差分方程二。F塾。【I广一AR1，壶2内孔边界条件的差分方程ROG。R一RR_F1FLR33外圆边界条件的差分方程FOR一R一R一一一FN一一J垒墨二A4式中，F、分别为当前时刻节点一1、I、I1的温度，；T、分别为下一时刻节点I一1I1的温度，；AR为分层厚度，M；AR为时间间隔，S。通常用追赶法求解差分方程，可求得整个过程计算监测部位截面上的温度分布，并且为热应力的计算创造了必要的条件。转子截面分层图如图1所示。图1转子截面分层图12转子应力场汽轮机在运行过程中，转子除了承受热应力外，还有其它机械应力，主要是旋转产生的离心切向应力，其数量级较大，不能忽略，因此，对转子进行寿命评估时需要综合考虑热应力和离心力。121离心力由于离心切向应力与转速的平方成正比，其它任意转速下的离心切向应力为一。5式中，OR为任意转速下的离心切向应力，MPA；OR。为额定转速下的离心切向应力，MPA；NO为额定转速，3000RMIN。122热应力根据热弹性理论，转子热应力计算如下LEVYT一6式中，为热应力，MPA；E为材料弹性模量，MPA；FL为线膨胀系数，；V为泊松比；T为外表面或中心部位温度，；F为体积平均温度，。123合成应力根据第四强度理论，合成应力由VONMISES公式确定，合成应力为C7式中，为当量合成应力，MPA；OR为热应力，MPA；OR为离心应力，MPA。13应力裕度系数对于机组安全性的判定使用应力裕度系数表示，计算如下K8LJ式中，为计算应力值，MPA；为许用应力，由材料和工作温度确定。应力裕度系数能反映当前机组应力水平及超限范围，控制人员可据此合理控制机组的启停机和负荷增减等，确保安全运行，延长使用寿命。2寿命损耗计算汽轮机在运行过程中，针对转子材料的实际受力情况，转子的寿命损耗应包括低周疲劳损耗和高温蠕变损耗两部分。21载荷谱统计汽轮机运行时，转子所受应力幅度波动大且连续变化，为了准确计算每次应力变化导致的寿命损耗，要求选取合理的统计方法对应力载荷进行实时统计。雨流法是一种通过变量记录应力波峰与波谷变化的方法，能比较真实地反映应变与应力的关系，精确地记录载荷历程，因此采用雨流法统计应力循环计数J。22低周疲劳损耗计算出热应力后，可进一步求得转子全应变。根据MINER法则，并结合转子材料的低周疲劳曲线可得到转子的低周疲劳损耗。但对于长周期服役机组，转子材料硬度会下降J，进行寿命评估时须考虑硬度下降带来的影响，为评价材料的软化程度，引入LARSONMILLER数尸P27320LOGT9计算时，首先计算转子监测部位全应变S”10再依据考虑硬度修正的低周疲劳寿命预测MANSONCOFFIN公式，计算致裂循环周次A8102YMC，11式中，为全应变范围；为弹性项指数；NC为致裂循环次数；为维氏硬度，NRAM；C2为弹性应变系数；、92、为材料的疲劳特性常数。按照线性累计法则，汽轮机服役期内，转子累计疲劳寿命损耗为咖7VI_L12式中，。为致裂循环周次；N为循环次数。第4期张艾萍等汽轮机转子寿命损耗在线监测系统开发及应用27923高温蠕变损耗蠕变寿命损耗按温度分段进行统计，汽轮机服役期内，累计蠕变寿命损耗按下式计算TA_13式中，T为与相同应力、温度的时间；为一定温度和工作应力下，材料的蠕变断裂时间。对于一定的工作应力及运行时间T的转子，参数P计算如下PAH曰14式中，A、B与应力和材料性质等有关。依据线性累计法则，转子总寿命损耗为NN1M咖争一15当累计寿命损耗ML时，则表明转子的无裂纹寿命已经耗尽，转子表面有可能出现宏观裂纹，应引起重视并在检修时仔细观察。3转子寿命监测系统设计与实现本项目开发的基于SIS的转子寿命在线监测系统，以面向对象编程的VC“为开发平台，采用主流的“菜单界面”人机交互方式。采用结构化设计思想，按实现计算的步骤、逻辑关系等，将系统分解成若干个子模块，从而构成系统的完整单元。在设计模块算法时，统一设置为输入参数、系数和输出参数3部分，从而实现数据的处理，例如，温度场算法如图2所示，应力场与之类似，系统的计算流程如图3所示。本系统设计了数据库与电厂信息管理系统的数据通讯接口，监测系统按一定的采样周期从数据库读取测点数据，并在完成计算后把结果存入数据库，并不对SIS构成任何的反馈和操作。系统采用组态软件编制用户图形界面，以控件的形式嵌入到浏览器中，作为SIS的子模块供用户使用。采用BS模式，将程序布置在电厂数据中心，通过办公系统即可实现对转子状态的监视。整个系统能在无人值守的情况下正确运行与显示，自动实现参数的采集、处理、趋势统计、数据存储、报警报表等功能，具有实时趋势画面、数据报表画面等丰富的显示功能，可以方便地进行历史数据的查询、打印、备份和刷新，最终完成对汽轮机寿命在线实时监测管理的功能。4系统应用及分析1监测对象输入参数系数输出参数蒸汽温度转子内径I转子表面温度蒸汽压力转子外径转子中心温度L蒸汽流量材料参数I体积平均温度转子转速分层数J转子有效温差图2模块算法示意图数据处理离心力计算L合成应力计算LL寿命损耗计算二二数据存储1一厂图3在线监测系统计算流程以某联合循环电厂的汽轮机组为对象，机组功率105MW，单轴、高中压合缸、无抽汽、无中间再热，有1单列调节级、13个高压级、5个低压级，前后各有一个轴承支撑，这里选取该机组的高压段调节级根部光轴截面作为监测部位。2运行情况按照运行规程，选取某次热态启动工况对转子