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电站汽轮机运行特性主讲:付忠广教授/博导电站机组运行优化研究所所长fzg@电站汽轮机运行特性主讲:付忠广教授/博导1本课程的主要内容电网调峰与汽轮机热应力和寿命管理汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题汽轮机采用的提高经济性的先进技术汽轮机组状态的监测和故障诊断本课程的主要内容电网调峰与汽轮机热应力和寿命管理2第一章电网调峰第一章电网调峰3国内火电机组发展现状与技术基础电力发展成就很大,但电力需求结构发生了较大变化,导致电网峰谷差增大,供电紧张我国电网的问题主要表现为:高峰期电力短缺电网峰谷差大最大负荷增长的波动性加大电网调峰困难国内火电机组发展现状与技术基础电力发展成就很大,但电力需求4日负荷曲线

负荷低谷---日最小负荷负荷尖峰---尖峰负荷或最大负荷最小负荷以下的负荷称为基荷最大负荷与最小负荷之差称为峰谷差

日负荷曲线负荷低谷---日最小负荷5目前电网的应对策略对于缺电严重的地区,通过加强需求侧管理减少拉路限电,力争做到限电不拉路在用电高峰期间,依靠各级政府的主导和支持,配合有关部门采用行政手段为主、经济手段为辅的方式进行移峰或避峰。电力供应紧张的地区,对工业用户可实行周轮休制度,以均衡周负荷,降低工作日的高峰负荷水平。一些地区,安排大用户和高耗能企业在用电高峰季节和日高峰时段进行设备检修,以腾出负荷空间目前电网的应对策略对于缺电严重的地区,通过加强需求侧管理减少6电网峰谷差增大的主要原因第二产业用电比重减小第三产业和居民生活用电比重相应提高电网高峰负荷中,空调负荷大约占30%,在经济发达地区,可能要大于这个数字工业内部高耗电行业(冶金、化工、建材等)和传统行业(纺织、煤炭等)用电比重减小,低电耗、高附加值产业的用电比重相应提高电网峰谷差增大的主要原因第二产业用电比重减小7预期电网负荷的变化趋势发达国家电网平均调峰幅度约为50%,中等发达国家约为40%,第三世界国家约为30%。我国部分地区电网平均调峰幅度已达50%左右。预期电网负荷的变化趋势发达国家电网平均调峰幅度约为50%,中8国外电网的调峰手段水电机组调峰抽水蓄能调峰机组火电机组调峰燃气轮机机组调峰联合循环机组调峰国外电网的调峰手段水电机组调峰9电站汽轮机运行特性工硕课件10制约我国电网调峰的主要因素(1)我国水电的总体调峰容量十分有限主要是水电站季节贫水欠发时间长,有很多是径流式,汛期库容小,不宜弃水调峰;水电站要服从于水利枢纽工程的综合利用,充分兼顾防洪、发电和航运的作用,特别是汛期,发电必须服从于防洪。因此火电机组的调峰压力很大。制约我国电网调峰的主要因素(1)我国水电的总体调峰容量十分有11制约我国电网调峰的主要因素(2)部分地区,如山东等经济比较发达的东部地区,受水力资源限制,基本没有可供经济开发的水电站站址抽水蓄能电站的建设要有合适的地形和水源,条件好的抽水蓄能电站的站址越来越少,而且抽水蓄能电站一般造价高(需要引进可逆式机组)、建设周期长制约我国电网调峰的主要因素(2)部分地区,如山东等经济比较发12制约我国电网调峰的主要因素(3)受油气资源限制,一些地区没有燃油或天然气的燃气轮机发电用于调峰制约我国电网调峰的主要因素(3)受油气资源限制,一些地区没有13制约我国电网调峰的主要因素(4)电网结构不合理,受区域电网潮流及负荷联络线稳定极限的制约,导致电网局部地区负荷分配不合理,造成局部“窝电”、“欠电”现象,被迫加大电网调峰的现象普遍发生。制约我国电网调峰的主要因素(4)电网结构不合理,受区域电网潮14制约我国电网调峰的主要因素(5)电源结构不合理,火电机组所占比例大,但没有相应的火电调峰电站;供热机组多数是以热定电,调峰能力差,2000年10万千瓦及以下凝汽机组和小于0.6万千瓦的小火电共计6000多万千瓦退役。制约我国电网调峰的主要因素(5)电源结构不合理,火电机组所占15电网中很多大机组都参与了调峰,但调峰能力不足依然是电网运行的主要矛盾。电网中很多大机组都参与了调峰,但调峰能力不足依然是电网运行的16调峰机组的运行特性启、停频繁负荷变动范围大对外界负荷变化的响应迅速调峰机组的运行特性启、停频繁17影响机组运行机动性、灵活性的因素很多。这里重点关注:影响汽轮机、锅炉运行机动性、灵活性的有关因素影响机组运行机动性、灵活性的因素很多。这里重点关注:18关注:

调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响研究发现:汽轮机转子上的局部结构不同导致机组不同的运行特性。关注:

调峰机组汽机转子的局部设计对运行特性的影响研究发现:19调峰机组的设计与运行特性日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶轮区域附近转子表面形状的改进工作。通过采取特殊的结构措施,大大提高了汽轮机的机动性。调峰机组的设计与运行特性日本东芝公司十分重视高温汽缸头几级叶20调峰机组的设计与运行特性如对某厂运行的100MW机组进行的分析表明:该型汽轮机不宜作两班制调峰运行。若一定要参与调峰运行,建议车大弹性槽圆角半径和隔板汽封进出汽处过渡圆角半径。调峰机组的设计与运行特性如对某厂运行的100MW机组进行的分21对汽轮机本体的安全运行有重要影响的因素:一是机组轴系的振动过大(动态应力大)二是机组汽轮机部件受静态力过大(包括:离心力、扭转剪切力和热应力)。对汽轮机本体的安全运行有重要影响的因素:22电站汽轮机运行特性工硕课件23机组振动过大,往往是一系列不安全运行因素的直接或间接后果汽轮发电机组的振动有一系列的监测分析手段,可以防止振动对机组本体造成损伤。离心力、扭转剪切力可通过转速限制与负荷限制保护机组的安全。而热应力是对机组可能造成严重损伤的另一主要因素,其后果是导致机组本体发生严重的变形和断裂(或裂纹),严重的可使机组本体报废或产生严重的毁机事故。问题:目前对汽轮机转子的热应力缺少有效的监测与保护。机组振动过大,往往是一系列不安全运行因素的直接或间接后果24△4台50MW机组,80年代初组投运△1992年开始启停调峰运行,最多时100多次/年△1998-1999年发现汽缸裂纹△2000年发现转子裂纹,最深一条7mm裂纹某地区汽缸、转子出现裂纹情况统计△4台50MW机组,80年代初组投运某地区汽缸、转子出现25主蒸汽母管联络门阀体断裂案例

2000年8月31日,某机主蒸汽母管联络门阀体焊缝热影响区一侧主蒸汽管爆断。累计运行126,691小时,启停738次。断口分析:低周疲劳裂纹原因分析:联络门不严、联络管积冷水、定参数停机、阀体和短管表面剧烈冷冲击主蒸汽母管联络门阀体断裂案例2000年8月31日,某26热应力本身看不见、摸不到,对汽轮机转子的热应力若无有效的监测,运行人员将无法得知现在运行过程热应力的大小。目前国内大部分电厂的汽轮机组未装备热应力在线监测系统,机组启动或停机过程中运行人员无法得知转子热应力的大小。热应力本身看不见、摸不到,对汽轮机转子的热应力若无有效的监测27热应力值小,意味着主蒸汽温变率小,启动(或停机)时间较长,造成不必要的经济损失(燃油增大运行成本);而应力值过大,则对机组造成不安全因素。热应力值小,意味着主蒸汽温变率小,启动(或停机)时间较长,造28汽轮机的调峰运行

(peakandcyclicloadoperation)汽轮机的调峰运行

(peakandcyclicloa29我国火电机组调峰现状可供燃煤机组选择的调峰方式低负荷运行方式

两班制运行或周末停机运行方式

低速旋转热备用调峰方式

强制频繁启停和深度调峰,影响到机组的安全性、经济性与可靠运行我国火电机组调峰现状可供燃煤机组选择的调峰方式30两班制运行机组白天基本满负荷运行,夜间低谷时停运8~10小时,清晨热态启动,周末停运。应具备三个条件机组启停损失小,停运比低负荷运行经济机组启停迅速,能在8小时内顺利启动机组具有一定自动化程度,运行人员操作工作量不过于繁重两班制运行机组白天基本满负荷运行,夜间低谷时停运8~10小时31夜间低负荷运行机组白天基本满负荷运行,深夜负荷低谷时降低负荷运行。有的小机组夜间采用少蒸汽无负荷运行方式,发电机转为电动机方式运行,带无功负荷,故也称为调相运行。要求:机组具有负荷快速变化(5~10%/分钟)的适应能力低负荷运行稳定性好,并能保持较高的热效率夜间低负荷运行机组白天基本满负荷运行,深夜负荷低谷时降低负荷32周末停机电网负荷一般在周末比较低,为此要求机组周末停运,周一启动。这类机组应具备较好的启动特性和较高的运行经济性。周末停机电网负荷一般在周末比较低,为此要求机组周末停运,周一33机组调峰运行存在的问题机组原设计按承担基本负荷设计,负荷适应性较差锅炉低负荷稳燃问题,导致调峰能力差一些机组自动化程度不高,热态启动性能不好,很难实现两班制运行调峰手段应多样化。如:建抽水蓄能机组,水电厂再开发,燃气轮机等。机组调峰运行存在的问题机组原设计按承担基本负荷设计,负荷适应34机组调峰运行存在的问题机组原设计按承担基本负荷设计,负荷适应性较差锅炉低负荷稳燃问题,导致调峰能力差一些机组热态启动性能不好,很难实现两班制运行调峰手段应多样化。如:建抽水蓄能机组,水电厂再开发,燃气轮机等。机组调峰运行存在的问题机组原设计按承担基本负荷设计,负荷适应35第二章汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题第二章汽轮机启停和正常运行中的几个关键问题36启动中的几个问题冲转参数的选择蒸汽与金属温度匹配(28~56℃),以免造成热冲击盘车预热在盘车的状态下通入蒸汽加热转子和汽缸,使其温度达到150℃,这样不仅避免冲转时热冲击,同时转子已渡过了材料脆性转变温度启动控制指标温度变化率,主汽温度变化率≯2℃/min汽缸、法兰温度差,过大会导致热应力和热变形振动胀差,超标会导致动静碰摩转子热应力,影响寿命损耗启动中的几个问题冲转参数的选择37汽轮机的启动启动前的准备设备、系统检查暖管油系统循环调节保护装置试验盘车投入启动辅机、凝汽器建立真空汽轮机的启动启动前的准备38冲转和升速暖机通常汽轮机冲转前需具备下列条件蒸汽参数达到要求,过热度不小于50℃凝汽器真空保持在60~67kPa范围内润滑油压及轴承油流正常,油温30~45℃汽缸上下缸温差不大于50℃盘车正常,大轴原始晃度不大于0.02mm热态启动部件金属温度较高,蒸汽参数、凝汽器真空要维持稍高些中速暖机(1200rpm)和高速暖机(2500rpm)的目的是防止材料脆性破坏和避免过大的热应力冲转和升速暖机通常汽轮机冲转前需具备下列条件39并网接带负荷达到额定转速,经检查确认运转正常后,即可并网接带负荷机组并网后带初负荷(5~10%)暖机,暖机的目的是缓和带负荷后出现较大温升、热应力和胀差—改进措施现代大机组多数配置转子应力监控装置和自启停装置,直接控制升速、升负荷并网接带负荷达到额定转速,经检查确认运转正常后,即可并网接带40运行方式定压运行在高负荷下定压运行,热效率高。调峰时多改为变压运行。变压运行保持汽轮机调节汽门全开或部分全开,通过改变锅炉出口蒸汽压力(温度不变)来满足电网负荷要求——也称:滑压运行现代大机组多数设计为变压运行。变压运行分类纯变压运行节流变压运行复合变压运行,也称为:定—滑—定复合变压运行运行方式定压运行41机组带厂用电运行

operationatauxliarypowerload优点:系统故障时,可加快恢复电网供电,进一步提高厂用电源的可靠性,保证重要地区负荷的需要。缺点:对机组是一种恶劣工况,会影响机组的寿命。因此,应尽可能缩短运行时间,一般推荐带负荷运行时间为10~20min。机组带厂用电运行

operationatauxliary42汽轮机异常工况运行汽轮机处于正常工况容许变动范围之外,但尚不至于立即发生设备损坏事故的工况下运行会导致汽轮机效率的显著恶化并加速设备运行寿命的损耗常见的异常工况有:主蒸汽参数偏差过大高背压低真空运行回热加热器停运叶片截短或缺级运行超出力运行,等。汽轮机异常工况运行汽轮机处于正常工况容许变动范围之外,但尚不43汽轮机停运

shut-downofsteamturbine汽轮机停运

shut-downofsteamturbi44停机后的维护停机后要打开规定的疏水门盘车期间保持油系统运转正常停机在两周以上的,开启通大气的疏水、放水、排汽阀门。每周油箱底部放水一次,起动油泵,油系统循环一次,活动调速系统一次,盘车30min。长期停机要考虑进一步保养措施停机后的维护停机后要打开规定的疏水门45影响机组运行的关键因素-

热应力&疲劳寿命损耗影响机组运行的关键因素-

46第三章汽轮机热应力和寿命管理第三章汽轮机热应力和寿命管理47热应力的基本概念热变形受到约束时,在物体内部产生热应力。当物体的温度不均匀时,即使没有外界约束,也将产生热应力。热应力的数值可以用简单的虎克定律表达:

热应力的基本概念热变形受到约束时,在物体内部产生热应力。48转子温度场和应力场转子热应力的特点温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

应力场模型转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场转子热应力的特点49转子热应力的特点直接求取转子热应力很困难

由于汽轮机是高速旋转的部件,目前尚无直接测量其金属温度及热应力的有效手段,需要通过理论计算来解决。有些进口的机组虽然装有转子温度探针,其实这种探针同样是通过数学模型来显示转子内外温差的,并非直接测量转子内外壁的温度,因此它的准确计算同样依赖于数学模型的建立。

转子热应力的特点直接求取转子热应力很困难50温度探针通过模拟原理建立一个数学模型,使棒体各部的温度能够模拟转子的径向温度及其差值。这种设备形似直接探测,实际上是通过传热学模型来建立模拟关系。温度探针通过模拟原理建立一个数学模型,使棒体各部的温度能够模51转子温度场和应力场转子热应力的特点温度场模型应力场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

转子的应力场应力重点监测部位转子温度场和应力场转子热应力的特点52温度场的数学模型计算汽轮机转子不稳定温度场时,可以认为转子是一个均匀、各向同性且无内热源的物体,属于解轴对称非定常温度函数的问题,温度t(z,r,τ)在区域中应满足下列偏微分方程式:

(1)确定上面微分方程的解,除了需要满足初始条件t=ƒ(z,r)外,在物体边界条件上还应满足一定的边界条件,这里属于传热学中的第三类边界条件,即边界与介质的热交换条件为已知:

当放热系数时,上式化为绝热边界条件温度场的数学模型计算汽轮机转子不稳定温度场时,可以认为转子是53转子热应力的计算方法求解温度场及应力场,通常有两种方法:一种是解析法,将转子视为无限长的圆柱体的一维模型,根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布,再由体积平均温度差计算转子内外表面的热应力。另一种理论算法是数值解法,它将转子考虑为轴对称二维计算模型,避免了一维模型简化时造成的误差,用来比较精确的计算几何边界条件及温度边界条件复杂的工程实际问题。

转子热应力的计算方法求解温度场及应力场,通常有两种方法:54温度场的数学模型(续1)由变分原理,偏微分方程式(1)的第三类边界条件问题,可等价地转换为下列泛函

(2)的极值问题,即

在求泛函数极值的基础上,对区域D进行离散化,在每个单元上,泛函式(2)是成立的,由于整个区域D是全部单元的总和

温度场的数学模型(续1)由变分原理,偏微分方程式(1)的第三55温度场的数学模型(续2)对于边界单元:

对于内部单元:

设温度在单元体中呈线性分布,对单元作变分计算,可得:温度场的数学模型(续2)对于边界单元:56温度场的数学模型(续3)通过公式推导,可得到n阶线性代数方程组以求解n个节点的温度,选用伽辽金格式,其形式为:

上式稳定且不振荡的条件是:

温度场的数学模型(续3)通过公式推导,可得到n阶线性代数方程57边界条件的处理在计算温度场的时候,中心孔边界作为作为绝热边界条件处理轴的外表面可视为已知放热系数及介质温度的第三类边界条件当换热系数较大时,介质温度的变化对转子温度场的影响很大。汽轮机调节级汽室温度是影响机组热应力的关键参数。蒸汽温度变化率是运行中应重点监控的参数轴径部位,属于已知边界温度的第一类边界条件边界条件的处理在计算温度场的时候,中心孔边界作为作为绝热边界58转子温度场和应力场转子的热应力的基本知识温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

应力场模型转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场转子的热应力的基本知识59放热系数的计算

(westinghouse公司)汽封中的放热系数

调节级叶轮两侧的放热系数

压力级叶轮两侧的放热系数

光轴的放热系数

放热系数的计算

(westinghouse公司)汽封中的放热60汽封中的放热系数式中——蒸汽的导热率,kJ/(m.℃.h)――汽封间隙,m;——汽封环境宽度,m;——漏汽面积,----漏汽量,kg/s;——蒸汽粘度,Pa.s

——汽封漏汽量,t/h;、——分别为其流入口及出口的压力——汽封入口的蒸汽比容,——汽封齿数汽封中的放热系数61调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的圆盘来处理,其两侧的放热系数为:

调节级叶轮两侧的放热系数调节级叶轮可作为在无限流体空间旋转的62压力级叶轮两侧的放热系数当雷诺数时当雷诺数时

压力级叶轮两侧的放热系数当雷诺数时63光轴的放热系数式中,——光轴半径,m光轴的放热系数64放热系数变化规律放热系数变化规律65转子温度场和应力场转子的热应力的基本知识温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

应力场模型转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场转子的热应力的基本知识66汽轮机启动时转子的温度变化汽轮机启动时转子的温度变化67汽轮机启动时转子的温度变化660MW超超临界机组按照冷态启动曲线,启动终了时刻汽轮机转子的温度场分布云图

汽轮机启动时转子的温度变化660MW超超临界机组按照冷态启动68按照停机曲线(见附表3),停机终了时刻的温度场分布云图

按照停机曲线(见附表3),停机终了时刻的温度场分布云图69转子温度场和应力场转子的热应力的特点温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

应力场模型转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场转子的热应力的特点70应力场的数学模型求解应力场的关键是解出在非稳态温度变化下,单元上各节点的位移,从而求得单元内的应变及应力,以热弹性理论为基础,单元各节点的位移可用矩阵表示为:

单元内的位移为:

将上式代入几何方程:

单元内的应变为:应力场的数学模型求解应力场的关键是解出在非稳态温度变化下,单71应力场的数学模型(续1)有了应变之后,利用物理方程求得应力:

应力场的数学模型(续1)有了应变之后,利用物理方程求得应力:72转子温度场和应力场转子的热应力的基本知识温度场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

应力场模型转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场73汽轮机转子的热应力场按照冷态启动曲线,启动终了时刻的合成应力场分布云图

汽轮机转子的热应力场按照冷态启动曲线,启动终了时刻的合成应力74汽轮机转子的热应力场按照冷态启动曲线,额定运行20分钟后的合成应力场分布云图

汽轮机转子的热应力场按照冷态启动曲线,额定运行20分钟后的合75热应力的简化计算:热应力的简化计算:76转子温度场和应力场转子的热应力的特点温度场模型应力场模型放热系数的计算汽轮机启动时转子的温度变化

转子的应力场

应力重点监测部位转子温度场和应力场转子的热应力的特点77应力重点监测部位在机组启停过程中,转子高中、压轴封段和前几级所经过的温度变化最为剧烈,因而产生的热应力也最大。弹性槽以及叶轮根部的过渡圆角和轴肩等处,由于热不匹配会存在着不同程度的热应力集中现象,因而也应视为机组启停时的监督重点。应力重点监测部位在机组启停过程中,转子高中、压轴封段和前几级78转子网格划分图转子网格划分图79转子的热应力过渡工况下的热应力:汽轮机在启动、停机或负荷变化时,转子金属内部将产生较大的温度梯度并由此产生热应力,这种过渡工况下的热应力是影响机组寿命损耗的重要因素。

重点部位:汽轮机高、中压转子的前轴封段和前几级,在启停及负荷变动过程中,汽温的变化最为剧烈,导致了该部位温度梯度及热应力为最大,成为整个转子的最危险部位。

转子的热应力过渡工况下的热应力:80转子的应力集中的部位转子的应力集中的部位:

在汽轮机转子外表面的叶轮根部圆角、轴肩以及槽沟等部位都存在不同程度的热应力集中现象。在机组启停时,这些部位特别是轴封弹性槽处的热应力可能达到很高的水平,是影响机组启停安全和寿命损耗的重点部位。转子的应力集中的部位转子的应力集中的部位:81按照停机曲线,停机终了时刻的合成应力场分布云图

按照停机曲线,停机终了时刻的合成应力场分布云图82国产200mw机组转子弹性槽的应力集中汽封齿的热应力集中问题不大。国产200mw机组转子弹性槽的应力集中汽封齿的热应力集中问题83国产200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中国产200MW机组中压第一级叶轮根部应力集中84N125机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中N125机组弹性槽在冷态启动终了的应力集中85热应力集中的特点应力集中均密集在槽底1~2mm深度以内,在这个深度以外,应力迅速衰减至公称应力水平。因此初始裂纹深度常为1~2mm。在这个深度以外,原有的应力水平很低,当加工车去表面裂纹后,新表面还可有相当高的疲劳寿命。热应力集中的特点应力集中均密集在槽底1~2mm深度以内,在这86槽形状的改变对热应力集中的影响槽形状的改变对热应力集中的影响87电站汽轮机运行特性工硕课件88热应力集中的影响因素几何形状热载荷材料的物理特性热应力集中的影响因素几何形状89热应力集中热应力的数值可以用简单的虎克定律表达:前述公式只是针对光轴而言,实际转子存在应力集中现象

其中:——热应力集中系数——无热应力集中时光轴上的公称应力热应力集中热应力的数值可以用简单的虎克定律表达:90几何形状对应力集中的影响国产N200机组由于高、中压转子弹性槽的几何形状设计不甚合理,槽太深且底部拐角圆弧太小,导致了严重的热应力集中现象。热应力集中主要表现在转子的轴向应力,切向应力集中现象轻微。几何形状对应力集中的影响国产N200机组由于高、中压转子弹性91汽机转子局部几何形状对应力集中的影响汽机转子局部几何形状对应力集中的影响92热载荷的影响热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同,其值除与几何形状有关外,还与热载荷有关。热载荷的影响热应力集中系数与一般的机械应力集中系数不同,其值93热应力集中系数vs机械应力集中系数在相同的几何尺寸下,热应力集中系数要比机械应力集中系数大;轴的直径越大,两者相差越多;当轴径较小时,两者趋于相等。热应力集中系数vs机械应力集中系数在相同的几何尺寸下,热94暖机过程对应力集中的影响暖机过程对应力集中的影响95物理特性对应力集中的影响当应力接近或超过材料的屈服极限时,应力进入塑性范围,真实应力集中系数减小,而应变系数增大。物理特性对应力集中的影响当应力接近或超过材料的屈服极限时,应96热应力集中系数的计算

(经验公式计算)热应力集中系数的计算

(经验公式计算)97叶轮根部或轴肩根部当启动进入准稳态后轴肩处:叶轮根部:或叶轮根部或轴肩根部当启动进入准稳态后轴肩处:叶轮根部:或98两叶轮之间、单叶轮根部的应力集中情况两叶轮之间、单叶轮根部的应力集中情况99轴封弹性槽的热应力集中系数式中:Kt

——理论集中系数,

——槽的深度;

r——槽底圆角半径;

or——相当于槽底直径的光轴公称当量应力;

o——相当于槽面直径的光轴公称当量应力;

因为热应力与转子直径的平方成正比,为了简化计算,可以将上述式中的当量应力比,代以相应直径平方之比。轴封弹性槽的热应力集中系数式中:Kt——理论集中系数,100热应力集中系数随启动时间的变化变化关系可由下式近似表达式中:Kth

—进入准稳态时的集中系数;

—启动到达的时间,min;

Kt

—启动到达时间t时的热应力集中系数。热应力集中系数随启动时间的变化变化关系可由下式近似表达101影响热应力的因素转子的结构材料

温度的变化压力的变化影响热应力的因素转子的结构材料102材料对热应力的影响热应力的基本方程式为:——弹性模量

——线胀系数

——泊松比

材料对热应力的影响热应力的基本方程式为:103转子钢热物性的变化转子钢热物性的变化104温度的变化对热应力的影响温升率对热应力的影响从图中三条曲线对比可以看出,温升率越大,热应力水平越高,而且热应力在开始阶段迅速达到最大值,随后呈下降趋势。

温度的变化对热应力的影响温升率对热应力的影响105调节级汽室汽温与转子温度计算热应力时,调节级和中压第一级汽室汽温是一个最重要的参数。很多降低热应力的技术措施,都与调整这个区域的汽温有关汽轮机定速之前,调节级汽温难以确定(理论计算和实际测试都存在困难)调节级汽室汽温与转子温度计算热应力时,调节级和中压第一级汽室106调节级室汽温的降落幅度调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、新汽参数以及调节级的设计焓降有关N125机组热态启动冲转时调节级汽温降落幅度计算值见下表由表可见:新汽压力越低,汽温降落的幅度越小。因此在启动时,新汽的压力以低些为宜。调节级室汽温的降落幅度调节级室汽温的降落幅度与进汽调节方式、107N125机组两班制运行调节级汽温实测N125机组两班制运行调节级汽温实测108N200机组启动过程中调节级汽温变化曲线(实测)N200机组启动过程中调节级汽温变化曲线(实测)109汽温波动对热应力的影响

当启动或正常运行时,由于锅炉燃烧或其它不定因素,常常引起主汽温的波动,导致调节级汽温也随之发生变化。调节级汽温对汽缸和转子热应力的影响,除了汽温变化幅度外,汽温的变化频率也是一个重要的因素。计算表明,如果汽温波动不超过25℃,在转子和汽缸上不会产生有害的热应力。

汽温波动对热应力的影响当启动或正常运行时,由于锅炉燃烧或其110压力的变化对热应力的影响蒸汽的压力往往影响放热系数在一般粗略的计算中,可以把两者之间的关系归纳为:转子光轴处:高压轴封入口:

外表面可以视为第三类边界条件:压力越大,对流系数就越大。压力的变化对热应力的影响蒸汽的压力往往影响放热系数111汽轮机启动时高中压转子的温度变化汽轮机启动时高中压转子的温度变化112热冲击金属材料受到剧烈的加热或冷却,引起内部产生很大的温差,形成很大的冲击热应力的现象称为热冲击。热冲击时承受很大的热应力,有时仅一次热冲击就可能造成零部件的永久性破坏。汽轮机热态启动时,如主蒸汽管道暖管、疏水不充分或正常运行中,锅炉汽包水位失调而造成满水等均可能产生汽轮机的热冲击。同样,当电网或发电机故障而引起汽轮机甩负荷后带厂用电或空负荷运行,也将造成汽轮机的热冲击。热冲击可能对汽轮机产生严重的损伤,因此,在机组启停和正常运行中,应特别注意。热冲击金属材料受到剧烈的加热或冷却,引起内部产生很大的温差,113寿命损耗疲劳损伤由材料力学可知,金属材料在交变应力反复作用下,会出现疲劳损伤。即使应力不超过材料的屈服极限,经过一定次数的循环(交变应力反复作用),金属材料也将产生微观裂纹。如果应力足够大,则循环次数不多,材料也将断裂。寿命损耗疲劳损伤114寿命损耗(续1)寿命工程上,将致裂疲劳循环周次(致裂寿命)称为:有效寿命。工程上,将产生宏观初始裂纹至断裂之间的循环周次(即断裂寿命与致裂寿命之差)称为:残余寿命。低周疲劳汽轮机在启停和工况变化过程中,转子承受交变热应力。这种交变热应力循环的特点是:交变循环周期长,频率低,疲劳裂纹萌发的循环次数少,故称为低周疲劳寿命损耗(续1)寿命115影响寿命损耗的因素影响汽轮机寿命的因素有很多,如蠕变断裂、热脆性、热疲劳以及高温介质的氧化和腐蚀等。主要的影响因素是受到交变热应力作用引起的低周疲劳寿命损耗,以及受到高温和工作应力作用而产生的蠕变损耗。

影响寿命损耗的因素影响汽轮机寿命的因素有很多,如蠕变断裂、热116(a)540℃(b)565℃两种温度下,断口扫描电镜图片(a)540℃(117电站汽轮机运行特性工硕课件118电站汽轮机运行特性工硕课件119电站汽轮机运行特性工硕课件120高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力不超过金属在该温度下的许用应力,也将发生缓慢而连续的塑性变形。565℃下蠕变裂纹扩展图

高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力121高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力不超过金属在该温度下的许用应力,也将发生缓慢而连续的塑性变形。

565℃下蠕变裂纹扩展图

高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力122电站汽轮机运行特性工硕课件123时效过程中组织变化(a)原始试样(b)660℃时效300小时(c)660℃时效500小时(d)660℃时效800小时660℃温度下不同时效时间的金相组织照片时效过程中组织变化(a)原始试样124电站汽轮机运行特性工硕课件125电站汽轮机运行特性工硕课件126低周疲劳汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热时转子表面承受压应力,停机时为拉应力,在这种交变应力作用下,经过一定周次的循环,就会在金属表面出现疲劳裂纹并逐渐扩展以致断裂。汽轮机转子承受的这种交变应力的特点是交变周期长、频率低、疲劳裂纹的循环周期少,故称为低周疲劳。

低周疲劳汽轮机在启停过程中转子所承受的是交变热应力。启动加热127电站汽轮机运行特性工硕课件128电站汽轮机运行特性工硕课件129低周疲劳特性对寿命的损耗1983年前苏联文献中公布的转子钢疲劳特性曲线

从图中看到,所受热应力越大,循环周次(即金属材料的疲劳寿命)就越少;工作温度越高,循环周次就越少。低周疲劳特性对寿命的损耗1983年前苏联文献中公布的转子钢130电站汽轮机运行特性工硕课件131低周疲劳特性对寿命的损耗(续)

30Cr2MoV钢500℃时的低周疲劳曲线

低周疲劳特性对寿命的损耗(续)30Cr2MoV钢500℃时132电站汽轮机运行特性工硕课件133转子疲劳寿命损耗的计算依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算,首先求

式中,——计算点的公称当量应力;

——材料的弹性模量;

——弹、塑性应变集中系数;

算出后,即可查得,则启动(或停机)一次的寿命损耗为

转子疲劳寿命损耗的计算依据材料的低周疲劳特性曲线进行计算,首134高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力不超过金属在该温度下的许用应力,也将发生缓慢而连续的塑性变形。实验证明,金属的蠕变与金属材料所承受的工作应力和工作温度有密切的关系。在工作应力和工作温度一定时,蠕变发展过程呈现三个阶段:第一阶段,是蠕变不稳定阶段;第二阶段,是蠕变的稳定阶段,蠕变速度恒定;第三阶段,蠕变速度增加很快,直至断裂。在汽轮机寿命管理时,第三阶段时间不能计入蠕变寿命。高温蠕变蠕变即金属在高温下,长期承受一定的工作应力,即使应力135高温蠕变汽轮机的工作温度很高,其汽缸、转子等零部件会发生蠕变,损耗寿命。转子的蠕变寿命损耗率的计算公式如下:式中:t—在某种工作条件下累积运行时间;—在相应条件下金属部件临界点蠕变断裂时间。

高温蠕变汽轮机的工作温度很高,其汽缸、转子等零部件会发生蠕变136高温蠕变对寿命的损耗从图中可看出,在同一应力下,转子工作温度越高,蠕变断裂时间越短,同一温度下,转子承受的应力越大,蠕变断裂时间就越短。蠕变损耗累积到一定程度时,会导致转子产生裂纹,引起蠕变变形,发生动静摩擦事故。通常规定汽轮机运行十万小时后,总的变形量不得超过0.1%。高温蠕变对寿命的损耗从图中可看出,在同一应力下,转子工作温度137低温脆性&FATT低温脆性是指高强度合金钢在某一低温范围内,韧性特性显著下降的一种现象。在工程应用上,把进行材料冲击试验时断口形貌中韧性和脆性破坏面积各占50%时所对应的试验温度,称为材料的脆性转变温度,记作FATT。–材料温度>FATT,呈现韧性破坏–材料温度<FATT,呈现脆性破坏,发生脆性损伤的可能性增加。–材料在高温环境下长期工作,其FATT有缓慢升高的现象对汽轮机转子材料的FATT有明确的要求,而且对预防汽轮机转子脆性损伤也有具体的措施–对CrMoV转子钢来讲,FATT=80~130℃。现代断裂力学认为:金属材料低温脆性破坏的根本原因在于材料在锻造、热处理过程中形成的潜在微小裂纹。

低温脆性&FATT低温脆性是指高强度合金钢在某一低温范围内,138低温脆性破坏的预防自从50年代相继发生了多起高强度合金钢低温脆性破坏的严重事故后,低温脆性破坏引起了人们的高度重视。经反复实践与研究,已形成了一系列行之有效的防止汽轮机转子低温脆性破坏措施。例如:–ABB规定冷态启动时低速暖机和带初负荷暖机;–东芝要求机组在冷启时盘车状态下高压缸暖机和带初负荷暧机;–G/A公司机组冷启的中速暖机和中压缸启动方式等都是为了在低应力状态下加热转子,使转子金属温度超过材料的FATT后再转向高应力状态下工作。

低温脆性破坏的预防自从50年代相继发生了多起高强度合金钢低温139寿命的管理与控制对汽轮机寿命的评估方法,一般采用线性累积损伤法,即转子的累积总寿命损耗率M为低周疲劳损伤与高温蠕变损伤之和:

由上式可知,转子的使用寿命有寿命分配问题。

寿命的管理与控制对汽轮机寿命的评估方法,一般采用线性累积损伤140汽轮机寿命管理汽轮机寿命管理包括两层内容:1、在国家宏观指定的服役年限内,根据机组的带负荷方式进行寿命预分配,制定汽轮机寿命分配表,指导运行,以取得最大的经济效益;2、进行汽轮机寿命的离线或在线监测在汽轮机启、停和变负荷运行时,控制蒸汽温度和负荷的变化率,控制汽轮机部件的热应力,使机组的寿命损耗不超过其预分配值,在机组规定的使用年限内,实现最佳的安全经济运行,使机组发挥最佳的经济效益,实现机组运行寿命的科学管理。

汽轮机寿命管理汽轮机寿命管理包括两层内容:141汽轮机寿命的合理分配目前通常认为汽轮机的服役年限为30年。在这30年的时间里,如何合理分配汽轮机的寿命,充分利用汽轮机的寿命,以取得最大的经济效益是汽轮机寿命分配的出发点。对于带基本负荷的机组,汽轮机寿命的损耗主要为高温蠕变和正常检修启停所需低周疲劳对汽轮机寿命的损耗。对调峰机组,除检修、维护需要正常启停以外还应根据电网要求,安排一定次数的热态启动和一定范围内的负荷变化。负荷变化量(率)和热态启停次数(速区)应视电网的要求而定。在分配寿命损耗时,既要考虑汽轮机寿命的合理损耗,又要考虑到电网的调峰需要。汽轮机寿命的合理分配目前通常认为汽轮机的服役年限为30年。在142不同国家对机组寿命管理的规定我国“进口大容量汽轮机技术谈判指南”中规定:汽轮机的使用寿命一般为30年。在30年中,机组冷态启动100次,温态启动700次,热态启动3000,极热态启动150次,以及大于10%额定负荷突变12000次,其总的寿命损耗不大于75%。英国国家标准(BSI)中规定,大机组在使用寿命期内必须经得起冷态启动100次,温态启动700次,热态启动3000,以及负荷突变和频繁负荷变动。不同国家对机组寿命管理的规定我国“进口大容量汽轮机技术谈判指143ABB600MW超临界机组

ABB600MW超临界机组寿命损耗分配余度较大,30年内由热应力损耗的寿命仅占总寿命的11.575%,其余88.425%作为高温蠕变和富裕量。该机组设计寿命富裕是最大的。

ABB600MW超临界机组144东芝公司提供的600MW汽轮机

该表东芝公司提供的600MW汽轮机寿命损耗分配。30年实际寿命消耗达75.45%,在600MW机组是较大的。

东芝公司提供的600MW汽轮机该表东芝公司提供的600MW145汽轮机寿命的监测在实际运行过程中,由于不可预测的因素较多,可能导致实际寿命损耗与预先分配值有较大偏差,因此,有必要对汽轮机寿命损耗进行监测。

寿命监测就是定期或不定期(每次启、停中或启停后)地对汽轮机寿命的实际损耗情况进行核算,以确保机组的安全运行。

汽轮机寿命的监测在实际运行过程中,由于不可预测的因素较多,可146寿命监测的方式寿命监测有两者方式:在线和离线两种方式

离线计算是在启动或停机之后,根据调节级或中压第一级的汽温变化曲线,取出各个阶段的温度变化率和温度变化量(或时间),用解析法或数值解法进行计算其热应力值和寿命损耗率;还可以直接根据转子的寿命损耗曲线上直接查取。在线计算即是在线监测,将调节级或中压第一级室内的蒸汽温度转为数字信号输入计算机,随后计算机按照预定的程序以时间作为第二变量进行追踪计算求出监督部位的最大应力值及相应的寿命损耗率,随后将计算结果输出,如果在程序中给定一应力极限值,则当应力超限时可发出警报信号。

寿命监测的方式寿命监测有两者方式:在线和离线两种方式147在线监测系统的应用一些引进机组(如元宝山的法国机组),有的已装备了寿命监测装置。它能在机组启停和负荷变化中计测寿命的损耗并累计,而且还和汽轮机DCS、DEH结合在一起,对机组的启停和负荷变化进行闭环控制。ABB超临界600MW机组控制系统以调节级温度探针和中压缸第一级后温度探针所测温度为输入信号→热应力计算机TURBOMAX进行热应力和寿命损耗计算。TURBOMAX和主机控制系统TT52联系在一起,二者协调对机组进行控制,确保汽轮机的寿命损耗率控制在允许范围内,使启动时间最短、最经济。

在线监测系统的应用一些引进机组(如元宝山的法国机组),有的已148热应力及寿命损耗运行监督的必要性运行人员虽然可以按照寿命预先分配方案确定的启动方案进行启动,但在实际运行过程中,仍可能会由于不可测的原因,与预定启动方案发生一定的偏差,导致热应力与寿命损耗率与预测值不符。为了监督转子寿命的实际损耗,应在每次启动中或启动后对转子的寿命损耗进行核算。热应力及寿命损耗运行监督的必要性运行人员虽然可以按照寿命预先149转子实际寿命损耗核算方式有二:离线计算在启动或停机后,根据调节级和中压第一级的汽温变化曲线,计算启停过程的寿命损耗。关键点:要求调节级和中压第一级的汽温变化记录要准确,并能反映寿命损耗监督部位的真实汽温状态。问题:关键汽温测点未装,或测点不准。在线计算编制软件,在线调用关键汽温数据,在线计算当前的热应力。转子实际寿命损耗核算方式有二:离线计算150热应力计算及运行参数监测(正常运行过程汽温波动)合格热应力计算及运行参数监测(正常运行过程汽温波动)合格151热应力计算及运行参数监测(65%低负荷调峰)优秀热应力计算及运行参数监测(65%低负荷调峰)优秀152热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)优秀热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)优秀153热应力计算及运行参数监测(80%低负荷调峰过程)良好热应力计算及运行参数监测(80%低负荷调峰过程)良好154热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)良好热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)良好155热应力计算及运行参数监测(60%低负荷调峰过程)良好热应力计算及运行参数监测(60%低负荷调峰过程)良好156热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)合格热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)合格157热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)合格热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)合格158热应力计算及运行参数监测(停机过程)合格热应力计算及运行参数监测(停机过程)合格159热应力计算及运行参数监测(启动)应力超限热应力计算及运行参数监测(启动)应力超限160热应力计算及运行参数监测(60%低负荷调峰过程)应力超限热应力计算及运行参数监测(60%低负荷调峰过程)应力超限161热应力计算及运行参数监测(52%低负荷调峰过程)应力超限热应力计算及运行参数监测(52%低负荷调峰过程)应力超限162热应力计算及运行参数监测(52%低负荷调峰过程)应力超限热应力计算及运行参数监测(52%低负荷调峰过程)应力超限163热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)应力超限热应力计算及运行参数监测(55%低负荷调峰过程)应力超限164热应力计算及运行参数监测(启动过程)应力超限热应力计算及运行参数监测(启动过程)应力超限165寿命损耗寿命损耗166第四章提高汽轮机经济性的先进技术第四章提高汽轮机经济性的先进技术167新蒸汽参数的提高由热力学理论可知,提高新蒸汽参数能明显改善机组的运行经济性,特别是提高新蒸汽压力。国外还在进一步提高新蒸汽压力。目前已相继出现新汽压力为30~35MPa的超超临界机组投入运行。提高新蒸汽的压力和温度,都是降低热耗的重要手段。ABB进行了计算分析,如对初压为18MPa、25MPa及30MPa和初温、再热汽温为540℃、565℃、600℃的机组,当其他参数相同,压力从亚临界18MPa提高到超临界25MPa及以上时,热耗降低约l.8%~2.0%;当初压不变而汽温从540℃提高至565℃时,热耗约可降低1.3%~l.5%,如果提高到600℃,则热耗可降低3%~3.5%。目前,ABB正在对初温为600℃等级的汽轮机转子、叶片、螺栓等材料的热强度以及转子、汽缸、管道等材料的焊接问题等方面进行科研攻关。新蒸汽参数的提高由热力学理论可知,提高新蒸汽参数能明显改善机168子午面边界喷嘴蜂窝式汽封可控涡及全三维(马刀)型反动式叶片马刀型静叶片及隔板低压低直径汽封隔板三元流场三种马刀型S2流面计算提高经济性的先进技术子午面边界喷嘴蜂窝式汽封可控涡及全三维马刀型静叶片及隔板低压169叶片和级设计的改进中间级叶片采用进汽边为大圆弧中间级叶片采用以(可控涡设计的、三维计算方法设计的)扭曲叶片低压缸对整台机组的出力和经济性是至关重要的,特别是末级叶片的结构与性能。国外的几个汽轮机制造厂均致力于研究发展低压缸及末级叶片。马刀型叶片和级设计的改进中间级叶片采用进汽边为大圆弧马刀型170全三元理论计入叶片力减少二次流损失减少静叶叶根部转折角后加载沿叶高等反动度分布直叶片可控涡叶型马刀型动静叶高效反动式可控涡及全马刀型叶型全三元理论减少静叶叶根部转折角直叶片可控涡叶型马刀型动静叶高171

当代计算气动力学的顶尖技术*边界层湍流模型的方法及数值求解*国际先进N-S全三元求解的水平准确模拟不同工况之间的相对变化准确模拟全场参数的分布规律N-S全三元气动计算技术当代计算气动力学的顶尖技术N-S全三元气动计算技术172蒸汽轮机动叶片(1)蒸汽轮机动叶片(1)173蒸汽轮机动叶片(2)蒸汽轮机动叶片(2)174蒸汽轮机动叶片(3)蒸汽轮机动叶片(3)175蒸汽轮机静叶栅蒸汽轮机静叶栅176BB0244(BB0244S)+BB074/BB0474R(超临界)BB034(BB034S)+BB051+2×BB074/BB0474R(超临界)成熟的四缸四排汽积木块

传统、成熟的三缸四排汽积木块Siemens-Westinghouse600MW功率等级汽轮机BB0244(BB0244S)+BB074/BB0474R(177通流部分差异只在中压缸:

**三缸为高中压合缸,中压单流,通流量大。**四缸为高中压分缸,中压双流。性能差异:

**经济性四缸优于三缸**三缸中压动叶用足材料的强度极限**结构成本三缸低于四缸**四缸启动性能更好三缸与四缸机组通流部分差异只在中压缸:三缸与四缸机组178*最大应力下降50%。*加快冷态启动时间,缩短2小时左右。*提高高压缸通流效率。无中心孔转子*最大应力下降50%。无中心孔转子179动、静叶片顶部汽封动、静叶片顶部汽封180蒸汽轮机通流部分汽封蒸汽轮机通流部分汽封181通过叶片顶部间隙减少漏汽损失

Minimizeleakageflowthroughthebladetipclearance多重汽封埋头铆钉结构

MultipleTipFinsRecessedTenon通过叶片顶部间隙减少漏汽损失

Minimizeleakag182级内汽封级内汽封18327Optimizesuctionflowatthebladerootinrelationwithnozzlelabyrinthleakageandbalanceholeflow减小根部漏汽量及相关的隔板漏汽和平衡孔汽量漏汽控制

LeakageControl27Optimizesuctionflowatthe184蜂窝式汽封蜂窝式汽封185Itreducedsecondaryflowlossesinthepassage.减少汽道中的二次流损失Itreducedsecondaryflowloss186接触式汽封原理接触式汽封原理187接触式油挡项目分类1、机内TNN系列接触式油挡*安装在发电机汽、励端原内油挡位置*解决600MW、300MW、100MW、50MW、氢冷发电机组存在的密封瓦向机内漏油难题2、机外TNW系列接触式油挡*安装在发电机组中除高温区的所有外油挡位置,其外形尺寸保持原端盖外形基本不变。*可有效防止各轴瓦端盖漏油问题。接触式油挡项目分类1、机内TNN系列接触式油挡2、188TN系列接触式油挡项目分类

TNSILIEJIECHUSHIYOUDANGXIANGMUFENLEI3、高温TNG系列接触式油挡*安装在发电机组高中压缸轴瓦位置。*解决轴封漏汽、漏油、油中含水等问题。2、机外TNW系列接触式油挡*安装在发电机组中除高温区的所有外油挡位置,其外形尺寸保持原端盖外形基本不变。*可有效防止各轴瓦端盖漏油问题。TN系列接触式油挡项目分类3、高温TNG系列接触式189小汽机接触式密封盖*TNGX系列接触式密封盖应用于60万、30万发电机组给水泵小汽机*解决小汽机普遍存在的汽缸、汽封漏汽所导致的轴承箱内油质乳化,在轴承箱内生成铁锈,引起油路堵塞,频繁更换润滑油等问题。小汽机接触式密封盖190接触式汽封项目简介及应用范围应用范围:◆应用于汽轮机高、中、低压缸汽封◆应用于隔板汽封接触式汽封项目简介及应用范围应用范围:191接触式汽封产品图片接触式汽封产品图片192接触式汽封产品图片接触式汽封产品图片193接触式汽封产品图片接触式汽封产品图片194第四章汽轮机组的状态监测与故障诊断第四章汽轮机组的状态监测与故障诊断195状态监测和故障诊断是机组状态检修的基础。目前各大机组虽已具有常规的监测装置,但这些常规监测装置尚不能判别设备的趋向。为此,必须进一步完善对汽轮机组状态的监测和故障诊断状态监测和故障诊断是机组状态检修的基础。196热参数监测及诊断系统的作用系统组成:热应力计算及寿命估计、热参数监测、热耗分析和与振动系统的分接口等几部分。系统的作用:实时地显示机组的运行状态、系统参数,以有助于运行人员时刻保证机组在高效下运行。显示那些影响热耗率而运行人员又可控制的实时值与目标值。这种显示有助于运行人员控制最佳热耗率,减少可控损失。显示高、中、低压缸的效率、高加运行情况、给水流量的实测值、目标值和偏差。还可显示此偏差对热耗率的影响情况。热参数监测及诊断系统的作用系统组成:热应力计算及寿命估计、热197状态检修的过渡时期科技的发展必然使电力设备从预防性检修走向状态检修,但这需要一段时间。在这段时间里,采用以等效运行小时(EOH)计算的“不定期预防性维修”来过渡,是一项提高电力生产安全性与经济性的现实措施。从预防性检修走向状态检修除了为防止突发性故障外,更多的是考虑“过”修的不经济性与不安全性。但由于生产过程中偶然性故障的不可避免,改正性维修必然存在。根据国外的经验统计,改正性维修占30%,预防性维修占70%是从安全和经济综合考虑的一个较好的比例。状态检修的过渡时期科技的发展必然使电力设备从预防性检修走向状198状态检修目前,国内和国外,对汽轮发电机组的检修大多数还是沿用预防性检修在我国,作为状态检修技术基础的状态监测技术尚在起步阶段。国外状态监测技术虽然发展较快,但为了保证设备安全,提高设备利用率,减少输出费用,却已采用了一些新的不定期预防性维修办法向状态维修过渡。这主要表现在机组大修的间隔计算上。德国大电站联合会VGB提出了汽轮机大修间隔的计算方法,他们较早提出用“等效运行小时(EOH)”来计算大修间隔。VGB的检修间隔计算已采用多年并广为西欧、北美所使用。如瑞士ABB、美国EPRI、圣地亚哥煤气电力公司均用此方法计算大修间隔。状态检修目前,国内和国外,对汽轮发电机组的检修大多数还是沿用199VGB汽轮机大修间隔计算方法在VGB的检修导则《VGB-Rll5Me》中,EOH按下式计算:式中:Teq—等效运行小时(EOH);

Tact—实际运行小时数;

ns——启动次数(不分冷热态);

Ts——启动加权系数(20~30h)。以上VGB提出的对汽轮机检修间隔的计算办法过于简化。它对不同启动状态所造成机组的不同程度的疲劳损伤未加区分。VGB汽轮机大修间隔计算方法在VGB的检修导则《VGB-Rl200TMC汽轮机大修间隔计算方法鉴于VGB计算方法的缺陷,国际转动机械大会(TMC)用寿命分配的概念,提出了新的计算方法。1993年第九届TMC大会上通过了《TMCST002汽轮机检修导则》,计算公式如下:式中:Teq—等效运行小时(EOH);

Tact—实际运行小时数;

SnsTs—各类启动次数乘以相应的加权系数的总和。

ncTc—冷态启动次数×加权系数;

nwTw—温态启动次数×加权系数;

nh

Th—热态启动次数×加权系数;

nvTv—极热态启动次数×加权系数;TMC汽轮机大修间隔计算方法鉴于VGB计算方法的缺陷,国际转201RCM

状态检修

(CBM)。。。。。。RCM

状态检修

(CBM)202状态检修支持系统状态检修的支持系统状态监测与故障诊断系统运行检修决策系统设备管理系统(含检修管理)状态检修支持系统状态检修的支持系统状态监测与203机组的诊断尽管现代化机组控制系统先进,自动化程度高,保护功能多,但用来直接反映机组运行效益和进行故障诊断的专家系统还很不完善。目前只能由运行人员或技术人员通过对机组运行参数的分析来间接地反映和判断机组的健康水平,因此,对设备故障的判断和设备性能效益的评价缺乏预知性、准确性和科学性,而且费时费力。同时,对运行人员的优化操作和检修人员的状态检修也带来很大困难。机组的诊断尽管现代化机组控制系统先进,自动化程度高,保护功能204汽轮机组的状态监测和故障诊断内容状态监测和故障诊断的内容可分为机械类和热参数类两大类。机械类:转子不平衡、转子弯曲、转子涡动、转子碰摩、轴承不稳定、短路电流转矩、热膨胀、叶片断裂、进冷汽冷水、阀门门杆卡涩、热疲劳裂纹、阀门开度等。热参数类:压力、温度、温差、压差、温度变化率、压力变化率、转速、流量、流速等。汽轮机组的状态监测和故障诊断内容状态监测和故障诊断的内容可分205热参数监测及故障诊断的优势以往人们对振动信号给予极大重视,而忽视了热力过程参数。其实,热力过程参数对通流部分及其有关系统故障的反应是十分敏感的,往往在重大事故发生之前或刚出现前兆时就可以从热参数的异常变化得到及时的预报,迅速地采取果断措施来预防事故的发生。此外,汽轮机热力参数的测量数据非常丰富,可以用多个参数的变化规律来明确故障的性质、程度及具体位置,从而及时地做好损坏部件的备品,缩短机组的检修时间。鉴于上述原因,汽轮机组设置在线的热参数监测及故障诊断系统很有必要,而且它可与机组振动诊断系统(如果有的话)联络通讯,组成一个完整的电厂计算机诊断专家系统。热参数监测及故障诊断的优势以往人们对振动信号给予极大重视,而206用专家系统进行设备的诊断通过对各种诊断经验的描述,有利于存储和推广专家宝贵的经验知识;众多专家的知识可以被融合进诊断系统,得到综合利用;拥有人机联合诊断功能,可以充分发挥现场人员的主观能动性。用专家系统进行设备的诊断通过对各种诊断经验的描述,有利于存207数据、信息和知识考虑故障诊断人的决策过程:事实和数据

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思维

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产生结论

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决策方案

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决策实施。这个过程实际是:数据—→信息—→知识—→决策目标的过程。数据:是某些具体对象的原始反映和描述。单纯的数据不能提供判断或解释,它不是决策行动的可靠基础。信息:对数据进行分析,找出其中的关系,赋予数据以某种意义和关联,就形成了信息。信息虽然有一定的意义,但它往往和人们手头的任务没有什么联系,还不能作为判断、决策和行动的依据。知识:对信息进行深入洞察和再加工,从中理解出其包含的模式,才能获得可资利用的信息,即形成知识。知识才是决策可依赖的基础。数据、信息和知识考虑故障诊断人的决策过程:事实和数据—→208我们现在生活在一个网络化的时代,大量信息在给人们带来方便的同时也带来了一大堆问题:第一是信息过量,难以消化;第二是信息真假难以辨识;第三是信息安全难以保证;第四是信息形式不一致,难以统一处理。人们开始考虑:“如何才能不被信息淹没,而是从中及时发现有用的知识、提高信息利用率?”随着数据库技术的迅速发展,人们积累的数据越来越多。激增的数据背后隐藏着许多重要的信息,人们希望能够对其进行更高层次的分析,以便更好地利用这些数据。目前的数据库系统,无法发现数据中存在的关系和规则,无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。缺乏挖掘数据背后隐藏的知识的手段,导致了“数据爆炸但知识贫乏”的现象。我们现在生活在一个网络化的时代,大量信息在给人们带来方便的同209知识种类、专家知识及其特点

知识获得的途径:通过书本知识的学习这类知识的逻辑性、系统性、结构性强,可以通过学习和训练得到,但不易于直接应用;长期实践的经验积累或向有经验的人学习这类知识的综合性、启发性、不确定性强,而结构性、逻辑性、系统性差,尽管它一般缺乏严格的理论依据,难以保证其普遍适用性和正确性,但在一些应用场合却往往简洁、实用、有效。专家知识是将基本理论与一般原则和经验知识的有机结合而构成的综合体。知识种类、专家知识及其特点知识获得的途径:210人类专家知识与人工专家知识有不同的特点。人类专家知识不稳定的,是不断在实践中积累、补充和完善的;它具有专有特性,为各个专家所专有,不便于交流与传播;结构性、系统性不强,不便于整理、编辑和形式化表达;获得往往要经长期亲身实践逐渐积累,代价极高。人工专家知识相对稳定的(具有自学习功能的除外),便于复制、传播,可使更多的人共享宝贵的专家知识资源;用形式化表达,便于对知识进行整理与编辑;获取的代价相对较低(与培养一名人类专家相比)人类专家知识与人工专家知识有不同的特点。人类专家知识211专家系统的特点专家系统是一种人工智能软件系统。专家系统是一门综合性很强的边缘学科。专家系统的处理问题能力和水平取决于它拥有的知识容量与质量。设备诊断专家系统往往可以兼有解释、诊断、监督、预测、维修或指导等功能。专家系统的特点专家系统是一种人工智能软件系统。212专家系统诊断方法致命的弱点:专家系统诊断准确率的高低,主要取决于知识库中知识的多少及正确率的大小,其成功与否与领域专家的经验有关;知识的获取是一个难度很大的问题。专家系统诊断方法致命的弱点:专家系统诊断准确率的高低,主要213数据挖掘是一种新的信息处理技术。人们把数据看作是形成知识的源泉,好像从矿石中采矿或淘金一样。知识发现和数据挖掘强调事实第一,而专家系统强调经验第一。数据挖掘可以形成专家系统的有力补充。我们在努力将数据挖掘技术应用于电厂机组的故障诊断、状态检修和运行决策支持。数据挖掘是一种新的信息处理技术。人们把数据看作是形成知识的源214数据挖掘的原由国民经济和社会的信息化社会信息化后,社会的运转是软件的运转社会信息化后,社会的历史是数据的历史数据挖掘的原由国民经济和社会的信息化社会信息化后,社会的运转215数据挖掘的原由数据挖掘数据库越来越大有价值的知识可怕的数据数据爆炸,知识贫乏数据挖掘的原由数据挖掘数据库越来越大有价值的知识可怕的数据数216数据挖掘的原由苦恼:淹没在数据中;不能制定合适的决策!数据知识决策数据挖掘的原由苦恼:淹没在数据中;不能制定合适的决策217数据挖掘----定义数据挖掘--从大量数据中寻找其规律的技术,是统计学、数据库技术和人工智能技术的综合。数据挖掘与统计学数据挖掘与人工智能数据挖掘与数据库技术数据挖掘与KDD数据挖掘----定义数据挖掘--从大量数据中寻找其规律的技术218数据挖掘的基本过程:

数据挖掘数据收集数据预处理问题定义结果解释和评估数据挖掘的基本过程:数据挖掘数据收集问题定义结果219反向建模过程模式反向建模过程模式220应用领域预测反向建模状态监测故障诊断优化运行仿真过程控制应用领域预测反向建模状态监测故障诊断优化运行仿真过程控制221常用算法反向建模算法神经网络偏最小二乘支持向量机遗传算法等混合算法常用算法反向建模算法神经网络偏最小二乘支持向量机遗传算法等混222图1汽机一级压力实时采集数据曲线数据预处理研究图1汽机一级压力实时采集数据曲线数据预处理研究223图2高压缸排汽压力实时采集数据曲线数据预处理研究图2高压缸排汽压力实时采集数据曲线数据预处理研究224汽轮机排汽焓的反向建模建模目标数据准备和变量选择:负荷MW汽轮机排汽焓kJ/kg负荷和汽轮机排汽焓的变化曲线负荷主汽压力主汽温度汽机一级压力1~8级抽汽压力1~8级抽汽温度高压缸排汽压力中压缸排汽压力低压缸排汽压力汽轮机排汽焓的反向建模建模目标负荷MW汽轮机排汽焓kJ/kg225锅炉飞灰含碳量的反向建模建模目标数据准备和变量选择:负荷主蒸汽压力主蒸汽温度再热蒸汽压力再热蒸汽温度排烟温度省煤器出口氧量各台给煤机的给煤量磨煤机进口一次风量炉膛风箱差压总风量11锅炉飞灰含碳量的反向建模建模目标负荷省煤器出口氧量11226特征变量提取和算法选择特征变量:负荷(MW)主蒸汽压力(MPa)再热蒸汽压力(MPa)排烟温度(℃)A给煤机给煤量(t/h)E给煤机给煤量(t/h)F给煤机给煤量(t/h)A磨煤机进口一次风量(t/h)E磨煤机进口一次风量(t/h)F磨煤机进口一次风量(t/h)炉膛风箱压差(kPa)总风量(t/h)建模算法:GA-LS-SVM1112特征变量提取和算法选择特征变量:负荷(MW)F给煤机给煤量(227锅炉飞灰含碳量建模样本点实测值和模型计算值对比曲线建模样本点残差曲线锅炉飞灰含碳量建模样本点实测值建模样本点残差曲线228锅炉飞灰含碳量模型验证测试样本中负荷的变化曲线

测试样本点实

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