超临界机组汽轮机转子热应力在线监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及汽轮机优化运行领域，具体是指一种超临界汽轮机机组滑参数启 停转子热应力的在线监测系统。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的迅速发展，用电量的逐年增长，发展高参数特别是发展超超临界 汽轮机是我们国家电力行业的发展趋势，但随着汽轮机蒸汽参数的提高，汽电网的峰谷差 也越来越大，同时又由于我国能源分布的特点，使得我国大容量火电机组频繁的参与调峰 成为必然趋势。
[0003] 由于频繁启停及大范围负荷变动，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。
[0004] 但随着汽轮机蒸汽参数的提高，汽轮机转子停机时自然冷却速度必然减慢，这将 使计划停机后等待检修的冷却时间大大增加，直接影响了机组检修工期的充分利用（尤其 是对机组故障停机临时抢修的紧迫时间）和机组的投运率，如何提高大型机组的等效可用 系数，缩短检修工期，始终是困扰从事汽轮机运行检修人员的一大难题。在汽轮机出现故障 需要紧急处理时，只能等待汽缸温度降到150°C以下才可以工作，如果不采取相应措施，一 等就是5-6天，甚至7-8天，严重影响了电厂的经济运行。
[0005] 为了解决这个问题，汽轮机工程技术人员正在对汽轮机停机做大量的研宄工作， 其中滑参数方法停运一台大容量的汽轮发电机组，是比较常用的方法；但是采用滑参数方 法停运一台大容量的汽轮发电机组，是一项非常复杂的操作，要求操作人员连续集中精力 监视表征各种部件状态的大量重要参数；由于汽轮机转子工作于高温、高压的环境中，且 在运行中高速旋转，除承受自身重量引起的交变拉、压应力和由叶轮、叶片和转轴质量产生 的离心应力外，还要承受由温度变化引起的交变应力以及传递扭矩引起的剪切应力等的作 用，其受力状态是复杂的；特别是对大型汽轮机转子，在机组启动、停机及变负荷等过渡工 况下，使机组经常承受大辐度的温度变化，从而导致转子和汽缸等厚壁部件产生交变应力， 如果热应力过大，则停机的寿命损耗将增大，最终会导致累积损伤；如果热应力过低，则停 机就可能要消耗大量的燃料、时间及厂用电。从这个意义上说，转子的热应力是限制机组 启停速度和安全运行的重要因素；汽轮机的滑参数停机优化就是在上述背景下提出研宄课 题。
[0006] 对于汽轮机而言，汽轮机转子是汽轮机的关键部件之一，转子的寿命基本代表了 整个机组的寿命，其工作状况直接影响着整个汽轮发电机组的安全性及可靠性。转子的热 应力及疲劳寿命损耗是限制机组启停速度及安全运行的重要因素。因而以转子热应力为约 束条件来实现汽轮机滑停优化，对机组热应力在线监测、寿命预测与管理以及对机组安全 性和经济性都具有重要的实际工程意义，课题应用前景将十分广阔。
[0007] 研宄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。
[0008] 本实用新型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。
【发明内容】
[0009] 本实用新型的目的是提供一种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。
[0010] 本实用新型的上述目的通过如下技术方案来实现的：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、 上位机，所述的测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、上位机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，上位机通过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 人机界面显示。
[0011] 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。
[0012] 本实用新型中，所述的测温设备为WRNK铠式热电偶。
[0013] 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。
[0014] 本实用新型中，所述的人机界面是利用组态软件建立的，利用组态软件，对汽轮机 的运行过程进行组态，生成汽轮机转子热应力实时趋势曲线，能够实现对汽轮机转子热应 力的在线监测。同时，该软件具有生成历史数据报表的功能，连接打印机，可以通过打印机 打印主机所生成的转子热应力数据报表。
[0015] 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：
[0016] 1温度场数学模型
[0017] 在计算汽轮机转子温度场时，可以假定其温度沿周向是相同的，因此转子的温度 分布仅是径向坐标r、轴向坐标z以及时间T的函数，可以近似认为转子是一个均匀的轴 对称、具有各向相同性且无内热源的二维非稳态导热问题，其温度场的控制方程可写为：
[0018]
【主权项】
1. 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、上位机，所述的测温设备、电厂DCS系统、SIS接口、上 位机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，上位机通过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，生成转子热应力实时趋势曲线和数据报表，并通过人机界面显示。
2. 根据权利要求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. 根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：所述的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. 根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征在于：所述的人机界面，是通过组态 软件，对运行过程进行组态，生成实时趋势曲线和数据报表，实现人机交互。
5. 根据权利要求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。
【专利摘要】本实用新型公开了一种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、上位机，以上各部分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，上位机通过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，生成转子热应力实时趋势曲线，并通过人机界面显示。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。
【IPC分类】G06F17-50, F01D21-12
【公开号】CN204532445
【申请号】CN201520016870
【发明人】孟召军, 王光定
【申请人】沈阳工程学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年1月12日