一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法和装置.pdf

本申请公开一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法和装置。由于汽轮机的启动速度是受其转子的应力水平制约的，因而本发明在转子应力不超出最大应力范围的情况下，根据转子所受的实时应力调整汽轮机的启动曲线，缩短汽轮机的暖机时间，并在低负荷时进行暖机，从而快速启动汽轮机，达到在启动过程中多发电，节约能源的目的。

1.  一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法，其特征在于，包 括：
获取汽轮机的结构和运行数据，并根据所述运行数据建立转子有限元模 型；
利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温度场和应力场进行计算分 析，确定监测关键点的位置；
实时监测所述监测关键点的应力场变化，并根据应力场变化对汽轮机的 启动曲线进行修正。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述汽轮机的结 构和运行数据建立转子有限元模型，包括：
利用ANSYS软件建立汽轮机转子有限元模型。

3.  根据权利1所述的方法，其特征在于，所述利用所述专利有限元模型 对汽轮机转子的温度场和应力场进行计算分析，确定监测关键点的位置，包 括：
采用平面轴对称二维四节点的plane55单元进行网格划分，进而对转子温 度场进行计算与分析；
根据转子温度场的计算结果，根据Von Mises准则，计算应力由离心应力 和热应力按第四强度理论合成，用ANSYS进行热-应力耦合，进一步进行每 个启动工况的启动应力计算与分析；
将转子应力最大的部位作为监测关键点所在位置。

4.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对转子温度场进行计 算与分析，包括：
根据不同启动曲线下的调节级处缸温，计算得到转子的初始温度场；
根据初始温度场以及蒸汽对转子表面的换热系数计算瞬态温度场，并对 温度场进行分析。

5.  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述，根据Von Mises准 则，计算应力由离心应力和热应力按第四强度理论合成，包括：
根据计算公式 σ ∞ m = 2 2 ( σ y - σ r ) 2 + ( σ r - σ θ ) 2 + ( σ θ - σ y ) 2 + 33 τ ry 2 , ]]>计算转子应 力场；
其中，σ_∞m为Von Mises应力；下标y,θ,r分别代表轴向、切向和径向应力；
τ_ry代表剪切应力。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时监测所述监测关 键点的应力场变化，包括：
根据转子15层分层模型，编制在线的应力计算程序，计算监测关键点的 应力场。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据转子15层分层 模型，编制在线的应力计算程序，计算监测关键点的应力场，包括：
所述的在线的应力计算程序是根据测量的蒸汽压力、温度、负荷和转速， 根据一定的时间间隔实时地计算出监测面的温度场，进而计算出转子的热应 力，再根据转速和监测面结构等参数计算出转子的机械应力，两者合成为总 的转子应力。

8.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述编制在线应力计算程 序之后，包括：获取在线应力计算参数；
所述参数包括计算时间间隔、传热的换热系数、比热容、线胀系数，弹 性模量和应力裕度系数。

9.  根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述获取在线应力计算参 数，包括：
根据监测部位的几何结构、有限元计算结果，计算出转子监测部位的应 力集中系数。

10.  一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制装置，其特征在于，包 括：
有限元模型建立模块，根据获取汽轮机的结构和运行数据建立转子有限 元模型；
监测关键点确定模块，用于利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温 度场和应力场进行计算分析，确定监测关键点的位置；
应力场实时监测单元，用于实时监测所述监测关键点的应力变化，并根 据应力变化对汽轮机的启动曲线进行修正。

一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法和装置
技术领域
本申请涉及燃气－蒸汽联合循环发电领域，更具体地说，涉及一种联合 循环发电机组汽轮机快速启动控制方法和装置。
背景技术
燃气－蒸汽联合循环发电技术渐趋成熟，世界范围内天然气资源的进一 步开发，燃气轮机及其联合循环发电在电力系统中的地位逐渐提高。燃气轮 机具备的安装快、占地少、启停迅速、安全可靠、用水少等一系列优点也备 受青睐。可以预测，随着我国能源结构的调整，环保要求日益严格，联合循 环作为一种先进的发电技术，在我国电力生产行业中的地位也日益提高。
在当前联合循环发电系统中，燃气轮机冷态启动能在2～20min内达到额定 负荷，而汽轮机冷态启动至满负荷却需要95min，燃气轮机达到额定负荷而汽 轮机还处于暖机阶段长达约1.5个小时。在这个的过程中，燃气轮机的很大一 部分排气会通过旁路系统直接排出，余热锅炉的蒸汽也经旁路阀排至凝汽器， 造成巨大的能源损失。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法 和装置，以快速启动汽轮机，达到节约能源的目的。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法，包括：
获取汽轮机的结构和运行数据，并根据所述结构和运行数据建立转子有 限元模型；
利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温度场和应力场进行计算分 析，确定监测关键点的位置；
实时监测所述监测关键点的应力变化，并根据应力变化对汽轮机的启动 曲线进行修正。
优选的，所述根据所述结构和运行数据建立转子有限元模型，包括：
利用ANSYS软件建立汽轮机转子有限元模型。
优选的，所述利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温度场和应力场 进行计算分析，确定监测关键点的位置，包括：
采用平面轴对称二维四节点的plane55单元进行网格划分，进而对转子温 度场进行计算与分析；
根据转子温度场的计算结果，用ANSYS进行热-应力耦合，进一步进行 每个启动工况的启动应力计算与分析，根据Von Mises准则，计算应力由离心 应力和热应力按第四强度理论合成；
将转子应力最大的部位作为监测关键点所在位置。
优选的，所述对转子温度场进行计算与分析，包括：
根据不同启动曲线下的调节级处缸温，计算得到转子的初始温度场；
根据初始温度场以及蒸汽对转子表面的换热系数计算瞬态温度场，并对 温度场进行分析。
优选的，所述，根据Von Mises准则，计算应力由离心应力和热应力按第 四强度理论合成，包括：
根据计算公式 σ ∞ m = 2 2 ( σ y - σ r ) 2 + ( σ r - σ θ ) 2 + ( σ θ - σ y ) 2 + 3 τ ry 2 , ]]>计算转子应 力场；
其中，σ_∞m为Von Mises应力；下标y,θ,r分别代表轴向、切向和径向应力；
τ_ry代表剪切应力。
优选的，所述实时监测所述监测关键点的应力变化，包括：
根据转子15层分层模型，编制在线的应力计算程序，计算监测关键点的 应力。
优选的，所述根据转子15层分层模型，编制在线的应力计算程序，计算 监测关键点的应力，包括：
所述的在线的应力计算程序是根据测量的蒸汽压力、温度、负荷和转速， 根据一定的时间间隔实时地计算出监测面的温度场，进而计算出转子的热应 力，再根据转速和监测面结构等参数计算出转子的机械应力，两者合成为总 的转子应力。
优选的，所述编制在线应力计算程序之后，包括：获取在线应力计算参 数；
所述参数包括计算时间间隔、传热的换热系数、比热容、线胀系数，弹 性模量和应力裕度系数。
优选的，所述获取在线应力计算参数，包括：
根据监测部位的几何结构，根据有限元计算结果进行修正，计算出转子 监测部位的应力集中系数。
一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制装置，包括：
有限元模型建立模块，用于获取汽轮机的结构和运行数据，并根据所述 结构和运行数据建立转子有限元模型；
监测关键点确定模块，用于利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温 度场和应力场进行计算分析，确定监测关键点的位置；
应力场实时监测单元，用于实时监测所述监测关键点的应力变化，并根 据应力变化对汽轮机的启动曲线进行修正。
经由上述技术方案可知，本申请公开一种联合循环发电机组汽轮机快速 启动控制方法和装置。由于汽轮机的启动速度是由其转子所受的应力决定的， 因而本发明在转子应力不超出最大应力范围的情况下，根据转子的应力调整 汽轮机的启动曲线，缩短汽轮机的暖机时间，进行低负荷暖机，从而快速启 动汽轮机，达到节约能源的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1示出了本发明一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法的一 个实施例的流程示意图；
图2示出了本发明一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制装置的一 个实施例的结构示意。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1示出了本发明一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制方法 的一个实施例的流程示意图。
101：获取汽轮机的结构和运行数据，并根据所述结构和运行数据建立转
子有限元模型。
根据汽轮机的结构，利用ANSYS建立汽轮机转子二维轴对称有限元模型
102：利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温度场和应力场进行计算 分析，确定监测关键点的位置。
计算温度场时采用平面轴对称二维四节点的单元plane55划分网格，计算 应力场时采用热-结构耦合分析，与热分析单元对应的结构分析单元plane182 来离散模型，两个计算过程中转子的网格完全一样，只是单元的属性有所不 同。
另外根据汽轮机转子在运行时热流密度及能量传递特点，将转子热边界 条件做以下设定。
(1)转子左右端面是整锻转子在汽缸外的截断面，其与空气之间的换热 系数很小，故在有限元计算中作绝热处理。
(2)中心边界在计算中作绝热处理。
(3)轴的外表面可作为已知换热系数及蒸汽温度的第三类边界条件。
(4)转子左右轴承处，由于润滑油冷却作用，在整个计算过程中均取为 70℃，作为第一类边界条件。
转子温度场的计算分为初始温度场的计算和瞬态温度场的计算。先根据 不同启动曲线下的调节级处缸温，计算得到转子的初始温度场，然后根据初 始温度场以及蒸汽对转子表面的换热系数计算瞬态温度场，并对温度场进行 分析，通过ANSYS可以计算出任意时刻转子截面的温度分布。转子热应力有 限元计算采用热-应力耦合分析法，在有限元分析过程中考虑了温度场和应力 场的交叉作用和相互影响(耦合)。
由于转子结构较为复杂，应力集中部位多，且启动过程中各级的蒸汽参 数变化率不一致，因此在启动过程中应力最大值的位置并不固定在某个特定 位置，而是随着启动过程有所变化。根据应力云图可以得出，启动前期主要 出现在调节级前后圆角及中压级圆角等处，待机组稳定后，应力最大值出现 的部位集中在次末级处，这主要因为此处离心力较大，稳定运行后，热应力 变小，合成应力中起主要作用的是转子离心力。进而，根据上述设定条件以 及专利应力场的分布确定监测关键点。
需要说明的是，汽轮机转子在实际工作中的受力情况非常复杂，所受应 力属多项应力。根据材料力学第四强度理论，当一个物体上存在多项应力时， 根据Mises准则确定其合成应力。但根据转子实际受力情况，转子外表面及中 心部位，主要存在轴向应力与切向应力(其他应力忽略不计)。切向应力包 括热应力与离心应力，轴向应力只有热应力。所以合力为离心应力和热应力 的合成。计算时需要计算得到离心应力和热应力，然后按方向分解得到轴向 和切向应力后按照第四强度理论合成。
其中，所述Von Mises准则为：
σ ∞ m = 2 2 ( σ y - σ r ) 2 + ( σ r - σ θ ) 2 + ( σ θ - σ y ) 2 + 3 τ ry 2 , ]]>其中，σ_∞m为Von Mises 应力；下标y,θ,r分别代表轴向、切向和径向应力，τ_ry代表剪切应力。
103：实时监测所述监测关键点的应力变化，并根据应力变化对汽轮机的 启动曲线进行修正。
根据转子15层分层模型，编制在线应力计算程序，计算监测关键点的应 力。
其中，在线应力计算程序中参数选择包括计算时间间隔、传热的换热系 数、比热容、线胀系数，弹性模量和应力裕度系数。
其中，1)在线计算系统的时间间隔根据传热学分析，为了满足稳定性条 件，考虑计算机的计算速度和转子的温差导热，取△τ＝10秒。
2)传热的换热系数为：
k＝65-0.26125×t+0.00136×t2-3.60417×10-6×t3+4.45833×10-9×t4-2.0833×10 -12×t5
3)比热的拟合多项式为：
cp＝735-1.8675×t+0.0084×t2-1.425×10-5×t3+9.58333×10-9×t4
4)所述的线胀系数，(×10-6/℃)，拟合多项式为：
β＝10.23714+0.0254×t-9.89167×10-5×t2+2.28106×10-7×t3-2.62879×10-10×t 4+1.16667×10-13×t5
5)弹性模量(×103MPa)，拟合多项式为：
E＝212.16187+0.11997×t-0.00194×t2+8.88535×10-6×t3-1.8131×10-8×t4+1.3 1984×10-11×t5
式中：t—材料温度，℃
6)热应力集中系数是根据监测部位的几何结构、有限元计算结果计算出 转子监测部位的集中系数，并加以实验考核分析得出的。
具体的，所述的在线的应力计算程序是根据测量的蒸汽压力、温度、负 荷和转速，根据一定的时间间隔实时地计算出监测面的温度场，进而计算出 转子的热应力，再根据转速和监测面结构等参数计算出转子的机械应力，两 者合成为总的转子应力。
参见图2示出了本发明一种联合循环发电机组汽轮机快速启动控制装置 的一个实施例的结构示意图。
由图2可知，有限元模型建立模块1，用于获取汽轮机的结构和运行数据， 并根据所述结构和运行数据建立转子有限元模型；
监测关键点确定模块2，用于利用所述专利有限元模型对汽轮机转子的温 度场和应力场进行计算分析，确定监测关键点的位置；
应力实时监测单元3，用于实时监测所述监测关键点的应力变化，并根据 应力变化对汽轮机的启动曲线进行修正。
可选，在本发明的其他实施例中，该装置还包括应力判定单元4，用于判 断转子的应力是否超出了预设应力。若是，则输出报警信号。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语 仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求 或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术 语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而 使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且 还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或 者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……” 限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存 在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都 是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。