汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

王光定，鄭　率，孟召軍，李　格，陳　奇

(1.沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136;

2.遼寧省電力有限公司 錦州檢修分公司，遼寧 錦州 121000)

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汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

王光定1a，鄭率2，孟召軍1b，李格1a，陳奇1a

(1.沈陽工程學(xué)院 a.研究生部；b.能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136;

2.遼寧省電力有限公司 錦州檢修分公司，遼寧 錦州 121000)

摘要：在汽輪機啟停過程中，轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力一直是影響機組使用壽命的重要因素，然而無論是解析計算還是數(shù)值計算都無法達(dá)到對熱應(yīng)力在線監(jiān)測的目的。針對這一問題，建立600 MW汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，對所得到的熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，利用組態(tài)軟件，結(jié)合PLC等硬件設(shè)備，開發(fā)汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)。最后，利用所開發(fā)的系統(tǒng)對機組啟動過程中轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力進(jìn)行離線仿真。結(jié)果表明，所開發(fā)的汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)對熱應(yīng)力在線監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：汽輪機轉(zhuǎn)子;熱應(yīng)力;在線監(jiān)測;組態(tài)

汽輪機啟動、停機以及負(fù)荷的變化會導(dǎo)致金屬部件溫度的變化，屬于汽輪機的暫態(tài)工況。在暫態(tài)工況下，由于蒸汽參數(shù)的變化，汽輪機內(nèi)部的傳熱過程是不穩(wěn)定的，進(jìn)而造成金屬內(nèi)部溫度分布不均勻，嚴(yán)重影響機組的使用壽命[1-3]。為了減少暫態(tài)過程中汽輪機部件的壽命消耗，必須控制熱應(yīng)力。而汽輪機轉(zhuǎn)子的壽命即代表了機組的使用壽命，因此實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的在線監(jiān)測對優(yōu)化機組運行、延長機組使用壽命具有重大的意義。

目前，計算轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的方法有解析法和數(shù)值法。解析法建模是將轉(zhuǎn)子看作是無限長圓柱體的一維模型，根據(jù)一維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程求得溫度分布，通過體積平均溫度差來計算轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的熱應(yīng)力，其計算結(jié)果誤差較大，但計算速度快；而數(shù)值方法中，有限元法可較精確地模擬出轉(zhuǎn)子溫度場和應(yīng)力場的分布，但計算時間長，不適用于在線監(jiān)測系統(tǒng)[4]。

1汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型的建立

1.1溫度場數(shù)學(xué)模型

根據(jù)一維解析法，假設(shè)轉(zhuǎn)子外徑為R0，內(nèi)徑為Rb，且斷面上的溫度是沿轉(zhuǎn)子的軸線對稱分布的，并認(rèn)為其放熱系數(shù)為常數(shù)，則轉(zhuǎn)子上的溫度分布僅是時間和半徑的函數(shù)。其一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程為[4-5]

(1)

當(dāng)轉(zhuǎn)子的初始溫度與初始汽溫相同，并處于均勻狀態(tài)時，根據(jù)一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，當(dāng)汽溫隨時間呈線性變化時，轉(zhuǎn)子任意半徑處溫度隨時間的變化可用下式表示[5]：

(2)

(3)

如取r為外半徑R0，則可得轉(zhuǎn)子表面的溫度為

(4)

如取r為軸中心孔半徑Rb，則轉(zhuǎn)子中心孔的近似溫度為

(5)

將式(4)與式(5)相減，則可得到轉(zhuǎn)子外表面與中心孔的全溫差為

(6)

式(6)表明，轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面的溫差與蒸汽的溫升率及轉(zhuǎn)子內(nèi)、外直徑的平方差成正比，與材料導(dǎo)溫系數(shù)α成反比。

由式(2)、式(3)求得轉(zhuǎn)子任一半徑r處的溫度t后，即可由下列積分式求得轉(zhuǎn)子的體積平均溫度：

(7)

1.2熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型

通過溫度場模型計算得到轉(zhuǎn)子任意半徑處的溫度后，將體積平均溫度式(7)和由式(2)算得到的內(nèi)外表面溫度代人熱應(yīng)力基本方程式：

經(jīng)整理可得到下列內(nèi)外表面的熱應(yīng)力計算式[5]：

外表面：

(8)

中心孔：

(9)

其中，E為材料彈性模量，β為材料線脹系數(shù)，ν為泊桑比，取0.3。

當(dāng)進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后，上兩式中指數(shù)項e-β2πF0趨近于0，兩式可化簡為

(10)

(11)

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由檢測單元、控制單元、24 V直流電源、配電箱等組成。

2.1檢測單元

根據(jù)所建立的汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)開發(fā)所需要的運行參數(shù)為轉(zhuǎn)子的溫度，考慮到汽輪機轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境，選用WZP2088型溫度傳感器對轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行測量，其溫度量程范圍如表1所示。

表1　WZP2088型溫度變送器量程范圍

2.2控制單元

控制單元是整個系統(tǒng)的核心，所開發(fā)的系統(tǒng)中具有2個數(shù)字量、1個模擬量。因此，采用S7-200系列PLC作為系統(tǒng)的控制單元，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性極高，易于掌握，具有便捷的操作性。所選用的CPU模塊為CPU222，模擬量輸入輸出模塊EM235，EM235模塊具有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出，能滿足系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)的I/O地址分配表如表2所示。

表2　I/O口地址分配

2.3系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)在工作時，利用溫度傳感器測取指定處汽缸壁的溫度來代替轉(zhuǎn)子的溫度，通過變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號，再由模擬量輸入輸出模塊EM235將所測得的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送到PLC。PLC控制器與上位機之間通過RS485-RS232的轉(zhuǎn)換接口來實現(xiàn)兩者之間的通訊，再通過組態(tài)監(jiān)控軟件對PLC傳送過來的溫度參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，對熱應(yīng)力進(jìn)行實時計算，利用人機界面建立轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力實時趨勢曲線，實現(xiàn)對汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的在線監(jiān)測。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3監(jiān)控程序的設(shè)計

通過測溫設(shè)備采集到的汽輪機轉(zhuǎn)子危險部位處的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器處理后，傳輸給上位機。在上位機中利用組態(tài)軟件編寫程序計算出汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度場，進(jìn)而計算出監(jiān)測點的熱應(yīng)力。再通過組態(tài)軟件繪制出汽輪機監(jiān)測點的實時應(yīng)力曲線，并生成轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力數(shù)據(jù)報表，通過人機界面顯示出來。在編寫的程序中，設(shè)定應(yīng)力限值，判斷得到的應(yīng)力值是否超限。如果超限，報警器發(fā)出報警指示，指導(dǎo)汽輪機運行人員及時操作；如果所得到的應(yīng)力值未超過限值，則整個系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)工作。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

4系統(tǒng)離線仿真實驗

4.1系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計

汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真實驗時，需在組態(tài)軟件中對監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計。監(jiān)控界面的設(shè)計主要包括硬件配置、建立實時數(shù)據(jù)庫和設(shè)計監(jiān)控畫面[6]，所配置的I/O設(shè)備如圖3和圖4所示。

圖2　系統(tǒng)軟件流程

圖3　設(shè)置I/O設(shè)備相關(guān)參數(shù)

通過實時數(shù)據(jù)庫，來實現(xiàn)上位機與下位機之間的聯(lián)系，在屏幕上以動畫的形式呈現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)過程，迅速傳達(dá)操作者在上位機前發(fā)布的操作指令。數(shù)據(jù)庫中變量的類型包括歷史趨勢曲線變量、I/O 變量、內(nèi)存變量、時間變量、報警窗口變量等，如圖5所示。

圖4　所配置的I/O設(shè)備

圖5　所需定義的變量

4.2轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測實驗結(jié)果分析

汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。圖6為機組啟動過程主蒸汽溫度實時監(jiān)測曲線，圖7為機組啟動過程汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力實時監(jiān)測曲線，圖8為數(shù)據(jù)參數(shù)動態(tài)顯示界面。由實驗結(jié)果可以看出，組態(tài)軟件不但能通過實時趨勢曲線將變量以曲線的形式直觀地顯示出來，而且還能通過面板數(shù)字形式動態(tài)地呈現(xiàn)出來。同時，在汽輪機運行過程中，任何所需要監(jiān)測的變量都可以通過創(chuàng)建實時趨勢曲線或者定義變量的形式呈現(xiàn)在監(jiān)控界面中，實現(xiàn)對變量的在線監(jiān)測，從而證實了該系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測效果。

圖6　機組啟動過程主蒸汽溫度實時監(jiān)測曲線

圖7　機組啟動過程汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力實時監(jiān)測曲線

圖8　數(shù)據(jù)參數(shù)動態(tài)顯示界面

5結(jié)語

由于汽輪機本身結(jié)構(gòu)和工作條件的束縛，其轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力無法通過檢測儀表直觀地顯示出來，只能利用數(shù)學(xué)解析法和數(shù)值法進(jìn)行計算。而這兩種方法本身存在弊端，無法達(dá)到在線實時監(jiān)測的目的，所以只能針對特定機組的轉(zhuǎn)子建立熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，利用軟件編程開發(fā)的方法實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的在線監(jiān)測。通過對汽輪機轉(zhuǎn)子的溫度場和應(yīng)力場建立數(shù)學(xué)模型，利用組態(tài)軟件很好地實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的在線監(jiān)測，只要從現(xiàn)場測取的參數(shù)準(zhǔn)確，就能得到較為精確的計算結(jié)果。當(dāng)機組因啟停或變工況而使應(yīng)力過大或超限時，系統(tǒng)能迅速發(fā)出報警信號，指導(dǎo)運行人員進(jìn)行相應(yīng)的操作。

參考文獻(xiàn)

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[4]孟召軍，王光定，孟帥.600MW超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力在線監(jiān)測模型的研究[J].汽輪機技術(shù)，2015,57(1)：23-24.

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[6]吳作明.工控組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

(責(zé)任編輯張凱校對佟金鍇)

Development of Thermal Stress On-line Monitoring System of Steam Turbine Rotor

WANG Guang-ding1a,ZHENG Shuai2,MENG Zhao-jun1b,LI Ge1a,CHEN Qi1a

(1a.Graduate Department; 1b.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.Jinzhou Electricity Maintenance Compang,Liaoning Provincal Electric Power Co.Ltd,Jinzhou 121000,Liaoning Province)

Abstract：The thermal stress of steam turbine rotor is an important factor which affects the service life of the unit in the process of steam turbine starting and stopping.But both analytical and numerical calculation could not achieve the purpose of thermal stress on-line monitoring.To solve this problem,a mathematical model of thermal stress was established for 600MW steam turbine rotor,and programming for the model which were obtained.The thermal stress on-line monitoring system of steam turbine was developed by using configuration software which combined with PLC and other hardware equipment.Finally,the offline simulation was made to thermal stress during the start-up of the unit by using the developed system.Results showed that the developed thermal stress on-line monitoring system of steam turbine rotor could fulfill on-line monitoring of the rotor thermal stress very well.

Key words：steam turbine rotor;thermal stress;on-line monitoring;configuration

中圖分類號：TK263

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2016)01-0023-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.005

作者簡介：王光定(1989-)，男，安徽合肥人，碩士研究生。通訊作者： 孟召軍(1970-)，男，遼寧凌源人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及性能優(yōu)化方面的研究。

收稿日期：2015-06-12