汽轮机转子寿命损耗在线监测系统

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1、化工自动化及仪表第43卷汽轮机转子寿命损耗在线监测系统陈东升1王金峰1王天阳1孙灵芳1付从伟2(1．东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012；2，山东华聚能源股份有限公司，山东邹城273500)摘要长期服役和参与调峰的汽轮机机组启停或负荷频繁变动时，会由于机组部件经常承受剧烈的温度变化和交变热应力，导致使用寿命缩短，为此设计汽轮机寿命损耗在线监测系统。首先对汽轮机转子物理模型进行分析，利用有限元法建立计算转子温度场和热应力场的数学模型；在计算过程中，以转子应力集中区的应力来袁征汽轮机转子受力情况，实现了实时计算的同时减少了计算量；在实旄过程中，

2、应用Maflab构建系统的计算单元，应用组态王实现显示并将画面发布为B／S模式，通过OPC接口在两种软件之间建立联系，降低了系统的开发难度。现场运行结果表明：该系统能够很好地反映转子温度场和应力场分布，为机组的安全、经济运行和寿命管理提供有效的技术手段。关键词寿命监测汽轮机转子有限元法转子应力集中区温度场OPC通信中图分类号TH862文献标识码B文章编号1000．3932(2016)05-0486-05长期服役和参与调峰的汽轮机机组启停或负荷频繁变动时，机组部件经常承受剧烈的温度变化和交变热应力，致使部件损耗过快，影响了汽轮机组的整体使用寿命。在机组部

3、件中，汽轮机转子工作条件最恶劣，受力情况也最复杂，所以汽轮机转子的使用寿命在很大程度上决定了汽轮机组的使用寿命。因此，对汽轮机转子寿命进行研究并开发相应的在线监测系统，可以在很大程度上保证机组的安全可靠运行，对提高企业的经济效益具有十分重要的意义⋯。目前汽轮机转子寿命损耗监测系统研究存在的问题有：采用有限元方法建模，将汽轮机转子分成很多单元，计算量大，难以实现在线实时监测；采用VB、VC等软件进行开发，对开发人员要求高，开发周期长。汽轮机转子是高速旋转部件，由于技术水平有限，对热应力进行直接测量非常困难旧)1，因此笔者采用检测调节级后蒸汽温度、压力等汽

4、轮机运行工况并建立数学模型的方法，计算转子温度场和热应力场，实现对机组运行情况的监控。求解温度场与应力场的理论计算有两种方法M’5

5、：一是有限元法¨1，将转子几何体进行离散化，用代数方程代替微分方程，计算精度提高，但过程繁琐且时间长，很难满足工程需要¨1；二是解析法，但该方法假设条件过于理想，且迭代过程复杂，精度相对较差。笔者设计汽轮机转子寿命损耗在线监测系统时，采用有限元法，以转子应力集中区的应力表征汽轮机转子的受力情况，在减少计算量的同时满足了实时计算的要求，并用Maflab和组态王软件进行软件开发。1转子温度场和集中应力的计算1．1转子温度场在运

6、用有限元方法进行汽轮机转子温度场的计算时，将汽轮机转子视为一根无限长、中心开孔、初温均匀的圆柱体坤J，这样计算就满足了一维非稳态导热问题的条件。该圆柱体的边界条件：绝热条件是中心孔，对流换热条件是圆柱体外表面。综上，汽轮机转子温度场的计算模型如下：式中掣=口(掣+去掣)t(R，r)=fo掣k矿。q’掣k旷一詈∽¨a——导温系数；R——转子任意点的半径，m；R广_转子内径，m；R厂一转子外径，m；≠——转子温度．℃：收稿日期：2016-03-04(修改稿)基金项目：吉林省科技发展计划项目(201402040305F)第5期陈东升等．汽轮机转子寿命损耗在线

7、监测系统487t。——转子初始温度，oC；t，——蒸汽温度，oC；a——放热系数，W／(m2·K)；A——转子材料的热导率，w／(m·K)；丁——时间，s。但是计算机难以直接求解这样的微分方程，需要将该计算模型进行离散化，将偏微分方程转换为代数方程。离散化方法：取汽轮机转子任一垂直于轴线的截面，将该截面沿径向等厚地分成rL层，以分层圆上的一点温度代表这一层的温度。如果分层足够多，就可以求得足够精确的温度场。1．2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承受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，需综合考虑

8、热应力和离心力。实际运行过程中，在汽轮机转子外表面的叶轮根部圆角、轴肩及槽沟等部位都存在着不同程度的应力集中现象。因此，只需计算应力集中区的应力即可获得汽轮机转子的受力和应变情况。根据热弹性理论，转子热应力or。。的计算式如下：‰：墨(￡。一t。)(2)矿lh2■L-‘￡。一¨，【zJ式中E——材料弹性模量，MPa；t。——外表面或中心部位温度，℃；￡，．。——体积平均温度，℃；口——线膨胀系数，℃～；t，——泊松比。体积平均温度的计算式如下：‘一5而以氓嘏=鑫(半+i圭ffi2即．)㈥2再iI—T一屹蚝屯J¨’任意转速Ⅳ下的离心切向应力iT。的计算式

9、为：，N、‘吼I瓦J(4)式中Ⅳ0——额定转速，No=3kr／min；or。——额定转速Ⅳ0下