汽轮机耐用部件剩余寿命在线监视与控制装置及方法.pdf

本发明提供了一种汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置(SIS装置)组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮机数字式电液控制装置(DEH)连接。本发明的优点是给出了汽轮机耐用部件剩余寿命的在线监视与控制装置，可以实现汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算与控制。

1、  一种汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置与汽轮机数字式电液控制装置连接。

2、  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汽轮机耐用部件为高压转子、中压转子、低压转子、高压内缸、中压内缸、低压内缸、高压外缸、中压外缸、低压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道和中压蒸汽管道中任意2个以上部件。

3、  权利要求1所述装置所采用的汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮机耐用部件剩余寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制，其方法为：
第一步：读取汽轮机在线测点数据：
数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息装置从汽轮机数字式电液控制装置读取汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、凝汽器压力等测点数据，应用于汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算；
第二步：计算累计运行小时数：
汽轮机耐用部件累计运行小时数SH的计算公式如下：
SH＝SH₀+Δτ/60
式中，SH₀为上一次读取数据计算得出的累计运行小时数，Δτ为读取数据的时间间隔，单位为分钟；
第三步：计算累积蠕变寿命损耗：
对于汽轮机的低温耐用部件低压转子、低压内缸和低压外缸，E_ti＝0；汽轮机第i个高温耐用部件累积蠕变寿命损耗E_ti的计算公式如下：
E_ti＝SH/τ_Ri×100％
式中，τ_Ri汽轮机高温部件蠕变寿命的设计值；
第四步：计算瞬态低周疲劳寿命损耗：
采用现有技术，计算汽轮机第i个耐用部件的低周疲劳寿命损耗d_i；
第五步：确定峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗：
采用现有技术，判断耐用部件的等效应力是否为处于启动、停机和负荷变动过程的峰值应力，若等效应力是峰值应力，汽轮机第i个耐用部件峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_pi＝d_i；若等效应力不是峰值应力，汽轮机第i个耐用部件峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_pi＝0；
第六步：计算累积低周疲劳寿命损耗：
汽轮机第i个耐用部件累积低周疲劳寿命E_Ni的计算公式如下：
E_Ni＝E_N0i+d_pi
式中，E_N0i为上一次读取数计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；
第七步：计算累积寿命损耗：
汽轮机第i个耐用部件累积寿命损耗E_i的计算公式表示为
E_i＝E_ti+E_Ni
对于汽轮机的低温耐用部件低压转子、低压内缸和低压外缸，E_ti＝0，E_i＝E_Ni；
第八步：计算剩余寿命：
汽轮机第i个耐用部件剩余寿命E_Ri的计算公式如下：
E_Ri＝100-E_i；
第九步：计算年均寿命损耗速率：
汽轮机第i个耐用部件年均寿命损耗速率e_i的计算公式表示为
e_i＝1/y_i×100％
式中，y_i为汽轮机第i个耐用部件的设计寿命，单位为年；
第十步：计算剩余日历寿命：
汽轮机第i个耐用部件的剩余日历寿命R_Li的计算公式如下：
R_Li＝E_Ri/e_i
第十一步：计算已使用年数：
采用现有技术，计算得出汽轮机从投产至当前时刻的在使用的日历小时数PH，汽轮机已使用年数y₀的计算公式表示为：
y₀＝PH/8760；
第十二步：计算可使用寿命：
汽轮机第i个耐用部件可使用寿命L_ai的计算公式如下：
L_ai＝y₀+R_Li；
第十三步：计算剩余寿命安全余量
汽轮机第i个耐用部件剩余寿命安全余量是L_si的计算公式如下：
L_si＝L_ai-y_i；
第十四步：确定最小剩余寿命安全余量：
在汽轮机n个耐用部件的剩余寿命安全余量确定之后，汽轮机n个耐用部件的最小剩余寿命安全余量L_sm的计算公式如下：
L_sm＝min{L_s1，L_s2，...，L_si，...，L_sn}；
第十五步：控制耐用部件剩余寿命：
根据汽轮机耐用部件的最小剩余寿命安全余量L_sm的在线计算结果，控制汽轮机剩余寿命的措施为：若L_sm≤-5年，在汽轮机的启动过程中，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍；若-5年＜L_sm≤0年，在汽轮机的负荷变动过程中，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍；若0年＜L_sm≤5年，在汽轮机的启动和负荷变动过程中，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定值操作；若5年＜L_sm≤10年，在汽轮机的负荷变动过程中，增加汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.2～0.6倍；若L_sm＞10年，在汽轮机的启动过程中，增加汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.2～0.6倍。

汽轮机耐用部件剩余寿命在线监视与控制装置及方法
技术领域
本发明涉及汽轮机耐用部件剩余寿命在线监视与控制装置及方法，属于汽轮机技术领域。
背景技术
汽轮机耐用部件的特点是尺寸大，造价昂贵。在汽轮机的16个耐用部件中，高压转子、中压转子、高压内缸、中压内缸、高压外缸、中压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道、中压蒸汽管道等13个耐用部件是高温耐用部件，低压转子、低压内缸和低压外缸等3个耐用部件是低温耐用部件。在汽轮机带负荷运行过程中，汽轮机高温耐用部件中产生蠕变寿命损耗；在汽轮机的启动、停机和负荷变动过程中，由于沿耐用部件半径方向温度分布不均匀产生比较大的剩余寿命，使用操作不当会缩短汽轮机耐用部件的剩余寿命，需要在线监视与控制汽轮机耐用部件的剩余寿命。已申请过发明专利的现有技术《一种单台汽轮机关键部件低周疲劳寿命管理装置及管理方法》，申请号为20071072074.3，只对汽轮机转子关键部件的低周疲劳寿命进行监视和控制。由于大型汽轮机有十几个耐用部件大多数是高温耐用件，有蠕变寿命损耗，只对汽轮机转子进行低周疲劳寿命的监视和控制，不能合理使用汽轮机耐用部件的剩余寿命。
发明内容
本发明的目的是采用一套剩余寿命在线监视与控制装置，实现一台大型汽轮机的2至16个耐用部件的剩余寿命的在线监视与控制。
为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制装置，其特征在于，由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置(SIS装置)组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮机数字式电液控制装置(DEH)连接。
进一步地，所述汽轮机耐用部件为高压转子、中压转子、低压转子、高压内缸、中压内缸、低压内缸、高压外缸、中压外缸、低压外缸、高压喷嘴室、高压主汽阀壳、中压主汽阀壳、高压调节阀壳、中压调节阀壳、高压蒸汽管道和中压蒸汽管道中任意2个以上部件。
本发明还提供了上述装置所采用的汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮机耐用部件剩余寿命的计算机软件，运行在计算服务器上，应用于汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制，其方法为：
第一步：读取汽轮机在线测点数据：
数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息装置从汽轮机数字式电液控制装置读取汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、凝汽器压力等测点数据，应用于汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算；
第二步：计算累计运行小时数：
汽轮机耐用部件累计运行小时数SH的计算公式如下：
SH＝SH₀+Δτ/60
式中，SH₀为上一次读取数据计算得出的累计运行小时数，Δτ为读取数据的时间间隔，单位为分钟；
第三步：计算累积蠕变寿命损耗：
对于汽轮机的低温耐用部件低压转子、低压内缸和低压外缸，E_ti＝0；汽轮机第i个高温耐用部件累积蠕变寿命损耗E_ti的计算公式如下：
E_ti＝SH/τ_Ri×100％
式中，τ_Ri汽轮机高温部件蠕变寿命的设计值。
第四步：计算瞬态低周疲劳寿命损耗：
采用现有技术，计算汽轮机第i个耐用部件的低周疲劳寿命损耗d_i；
第五步：确定峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗：
采用现有技术，判断耐用部件的等效应力是否为处于启动、停机和负荷变动过程的峰值应力，若等效应力是峰值应力，汽轮机第i个耐用部件峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_pi＝d_i；若等效应力不是峰值应力，汽轮机第i个耐用部件峰值应力对应的低周疲劳寿命损耗d_pi＝0；
第六步：计算累积低周疲劳寿命损耗：
汽轮机第i个耐用部件累积低周疲劳寿命E_Ni的计算公式如下：
E_Ni＝E_N0i+d_pi
式中，E_N0i为上一次读取数计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；
第七步：计算累积寿命损耗：
汽轮机第i个耐用部件累积寿命损耗E_i的计算公式表示为
E_i＝E_ti+E_Ni
对于汽轮机的低温耐用部件低压转子、低压内缸和低压外缸，E_ti＝0，E_i＝E_Ni；
第八步：计算剩余寿命：
汽轮机第i个耐用部件剩余寿命E_Ri的计算公式如下：
E_Ri＝100-E_i；
第九步：计算年均寿命损耗速率：
汽轮机第i个耐用部件年均寿命损耗速率e_i的计算公式表示为
e_i＝1/y_i×100％
式中，y_i为汽轮机第i个耐用部件的设计寿命，单位为年；
第十步：计算剩余日历寿命：
汽轮机第i个耐用部件的剩余日历寿命R_Li的计算公式如下：
R_Li＝E_Ri/e_i
第十一步：计算已使用年数：
采用现有技术，计算得出汽轮机从投产至当前时刻的在使用的日历小时数PH，汽轮机已使用年数y₀的计算公式表示为：
y₀＝PH/8760；
第十二步：计算可使用寿命：
汽轮机第i个耐用部件可使用寿命L_ai的计算公式如下：
L_ai＝y₀+R_Li；
第十三步：计算剩余寿命安全余量
汽轮机第i个耐用部件剩余寿命安全余量是L_si的计算公式如下：
L_si＝L_ai-y_i；
第十四步：确定最小剩余寿命安全余量：
在汽轮机n个耐用部件的剩余寿命安全余量确定之后，汽轮机n个耐用部件的最小剩余寿命安全余量L_sm的计算公式如下：
L_sm＝min{L_s1，L_s2，...，L_si，...，L_sn}；
第十五步：控制耐用部件剩余寿命：
根据汽轮机耐用部件的最小剩余寿命安全余量L_sm的在线计算结果，控制汽轮机剩余寿命的措施为：若L_sm≤-5年，在汽轮机的启动过程中，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以延长汽轮机耐用部件的使用寿命；若-5年＜L_sm≤0年，在汽轮机的负荷变动过程中，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，减少幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以延长汽轮机耐用部件的使用寿命；若0年＜L_sm≤5年，在汽轮机的启动和负荷变动过程中，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定值操作；若5年＜L_sm≤10年，在汽轮机的负荷变动过程中，增加汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以适应电网的负荷变化要求，提高汽轮机的运行经济性；若L_sm＞10年，在汽轮机的启动过程中，增加汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率，增加幅度皆为原数值的0.2～0.6倍，以适应电网的负荷快速变化要求，提高汽轮机的运行经济性。
本发明具有以下特点：
(1)在计算服务器上安装使用C语言编写的汽轮机耐用部件剩余寿命的计算机软件，根据软件设定的时间间隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，从数据库服务器中读取在线监视的汽轮机参数，在线实时计算汽轮机耐用部件的剩余寿命，剩余寿命计算结果再送到数据库服务器保存，供网页服务器调用；
(2)数据库服务器存放两类数据：
第一类数据为从厂级监控信息装置(SIS装置)读取的汽轮机在线测点数据，包括汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、凝汽器压力等，应用于汽轮机耐用部件的剩余寿命计算；
第二类数据为汽轮机耐用部件剩余寿命计算结果，包括第i个耐用部件的剩余寿命E_Ri、剩余日历寿命R_Li和剩余寿命安全余量L_si；
(3)厂级监控信息装置(SIS装置)在剩余寿命控制方面具有两种功能，一是为剩余寿命监视和控制装置的数据库服务器提供汽轮机的在线测点数据，二是把汽轮机耐用件剩余寿命控制措施传输给汽轮机数字式电液控制装置；
(4)用户端浏览器用来查看汽轮机耐用部件的剩余寿命在线计算结果和剩余寿命控制措施，用来指导汽轮机的运行和操作。
本发明的优点是给出了汽轮机耐用部件剩余寿命的在线监视与控制装置，可以实现汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算与控制。如果汽轮机耐用部件的剩余寿命偏小或偏大时，通过在线实时控制汽轮机的主蒸汽温度变化率与负荷变化率来合理使用汽轮机耐用部件的剩余寿命，达到了使用一套剩余寿命控制装置来监视与控制汽轮机耐用部件剩余寿命的技术效果。
附图说明
图1为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图；
图2为本发明所采用方法的流程图；
图3为计算服务器所采用的计算机软件框图；
图4为汽轮机耐用部件剩余日历寿命计算结果的示意图；
图5为汽轮机耐用部件剩余寿命安全余量计算结果的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例
如图1所示，为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图，所述的汽轮机耐用部件的剩余寿命在线监视与控制装置由计算服务器、数据库服务器、网页服务器、用户端浏览器和厂级监控信息装置(SIS装置)组成，网页服务器分别与用户端浏览器、数据库服务器和计算服务器连接，计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮机数字式电液控制装置(DEH)连接。
如图2所示，为本发明所采用方法的流程图，如图3所示，为计算服务器所采用的计算机软件框图，该软件安装在汽轮机耐用件剩余寿命的计算服务器上，应用于汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算与控制。
对于某型号进汽温度为538℃的亚临界300MW汽轮机，对高压转子、中压转子、低压转子、高压主汽阀、高压调节阀、高压内缸、中压内缸共7个耐用部件，采用图1所示的装置、图2所示的方法和图3所示的计算机软件，计算得出的汽轮机部件剩余寿命的计算结果列于图4和图5。具体计算步骤如下：
第一步：读取汽轮机在线测点数据：
数据库服务器每隔Δτ＝1分钟，在厂级监控信息装置读取汽轮机数字式电液控制装置的汽轮机转速、功率、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、凝汽器压力等测点数据，应用于汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算；
第二步和第三步：从投产至2008年10月25日，该型号300MW汽轮机累计运行小时数，SH＝108304h，7个耐用部件的14个部位的累积蠕变寿命损耗E_ti的计算结果列于表1；
第四步、第五步和第六步：从投产至2008年10月25日，该型号300MW汽轮机7个耐用部件14个部位的累积低周疲劳寿命损耗E_Ni的计算结果列于表1；
第七步和第八步：从投产至2008年10月25日，该型号300MW汽轮机7个耐用部件14个部位的累积寿命损耗E_i和剩余寿命E_Ri的计算结果列于表1；
第九步和第十步：该型号300MW汽轮机7个耐用部件的设计寿命为y_i＝30年，e_i＝1/30＝3.3333％，这7个耐用部件14个部位的剩余日历寿命R_Li的计算结果列于表1并显示在图4；
第十一步：从投产到2008年10月25日，该型号300MW汽轮机在使用的日历小时数PH＝118272h，已使用年数为y₀＝PH/8760＝13.50年；
第十二步和第十三步：该型号300MW汽轮机7个耐用部件14个部位的可使用寿命L_ai和剩余寿命安全余量L_si的计算结果列于表1并显示在图5；
第十四步：在该型号7个耐用部件的14个部位剩余寿命安全余量的计算结果中，最小剩余寿命安全余量L_sm＝7.18年；
第十五步：在该型号7个耐用部件内外表面的14个寿命安全余量的计算结果中，由于最小剩余寿命安全余量5年＜L_sm≤10年，该型号300MW汽轮机的剩余寿命的控制措施为：在汽轮机的负荷变动过程中，增加汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率，增加幅度为原数值的0.4倍，以快速适应电网负荷变化要求，提高汽轮机的运行经济性。
采用本发明提供的汽轮机耐用部件剩余寿命的在线监视与控制装置，可以在线定量计算300MW汽轮机的高压转子、中压转子、低压转子、高压主汽阀壳、高压调节阀壳、高压内缸和中压内缸等7个耐用部件的剩余寿命和寿命安全余量，根据最小剩余寿命安全余量来控制汽轮机负荷变动过程的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，使这7个耐用部件的剩余寿命处于受控状态，合理使用这7个耐用部件的剩余寿命，达到了使用一套剩余寿命控制装置在线监视与控制汽轮机7个耐用部件剩余寿命的技术效果。
[表1]