一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统

摘要

本发明涉及一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测系统，其特征在于，由蠕变寿命预测的计算/应用服务器及软件、数据库服务器、外部系统接口、各个高温部件温度监测热电偶、网页服务器和用户端浏览器组成，网页服务器分别与计算/应用服务器、数据库服务器和用户端浏览器连接，计算/应用服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过外部系统接口分别与各个高温部件温度监测热电偶连接。其预测方法为：输入基础数据；计算各温度段的累计工作小时数；计算各温度段的蠕变寿命损耗Eti；计算累积蠕变寿命损耗Et；确定累积蠕变寿命损耗的界限值DC；计算蠕变寿命损耗速率e；计算剩余蠕变寿命HLC；推荐检修处理措施。本发明的优点是在汽轮机的使用阶段可以定量地预测汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统，尤其涉及一种汽轮机高温部件的累积蠕变寿命损耗和剩余蠕变寿命的在线预测方法及系统，应用于汽轮机的寿命管理，属于汽轮机技术领域。

背景技术

汽轮机高温部件的强度设计规范，使用工作温度下材料的持久强度或蠕变极限除以安全系数得出许用应力，设计判据为等效应力不大于许用应力。持久强度为给定温度下材料在10万小时断裂的应力，蠕变极限为给定温度下材料在10万小时内发生1％总塑性变形的应力。由于高温部件的强度设计选用了10万小时材料的试验数据，习惯上认为汽轮机高温部件的设计寿命为10万小时。由于汽轮机高温部件强度设计中使用了安全系数，认为高温部件的蠕变寿命为10万小时的观点偏于保守。若高温部件使用10万小时就更换，有可能没有充分使用汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命，增加了检修的更换费用；若高温部件使用到10万小时在没有进行剩余蠕变寿命预测的情况下不更换，高温部件有可能产生裂纹，影响汽轮机的安全运行。汽轮机的安全和经济的使用急需汽轮机高温部件的蠕变寿命的预测方法和系统。电站汽轮机的设计寿命为30年至40年，高温部件的蠕变寿命的预测对于汽轮机的设计以及安全与经济的使用尤为重要。现有技术可以计算汽轮机高温部件在某一工作温度下的蠕变寿命，如在《中国电机工程学报》2002年第3期上发表的论文“大型汽轮机部件蠕变寿命的设计和评估”，但由于在汽轮机不同负荷下，同一汽轮机高温部件的工作温度有所不同，在线预测在不同负荷下汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命还没有合适的方法和系统可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线计算和预测汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命的汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测系统，其特征在于，由蠕变寿命预测的计算/应用服务器及软件、数据库服务器、外部系统接口、各个高温部件温度监测热电偶、网页服务器、用户端浏览器组成，网页服务器分别与计算/应用服务器、数据库服务器和用户端浏览器连接，计算/应用服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过外部系统接口分别与各个高温部件温度监测热电偶连接。

所述的各个高温部件温度监测热电偶分别为高压内缸、高压转子调节级、高压主汽阀和中压主汽阀的温度监测热电偶。

一种汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法，其特征在于，在本发明提供的汽轮机高温部件蠕变寿命的预测系统中，采用C语言编写的汽轮机高温部件蠕变寿命预测的计算机软件运行在计算/应用服务器上，应用于汽轮机高温部件剩余蠕变寿命的预测，其方法为：

第一步：输入基础数据

在数据库服务器内输入汽轮机累计运行总时间SH，并从数据库服务器调用汽轮机高温部件在不同工作温度段频数的累计结果；

第二步：计算各温度段的累计工作小时数

分以下两种情况计算汽轮机高温部件各温度段的累计工作小时数：

(1)蠕变寿命预测系统与汽轮机同时投入商业运行，已知记录温度的时间间隔Δτ和在各温度段的统计频数m_i，汽轮机高温部件在各温度段的累计工作小时数τ_i为：

$>>>\tau >i>>=>>>\Delta \tau >\times >>m>i>>>60>>;>>>$

(2)对于汽轮机投入商业运行若干年后在再配置汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统的情况，已知记录温度的时间间隔Δτ和各温度段的统计频数m_i，计算得出蠕变寿命预测系统投入商业运行后汽轮机高温部件在各温度段的累计工作小时数τ_i1为：

$>>>\tau >>i>1>>>=>>>\Delta \tau >\times >>m>i>>>60>>;>>>$

又知汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统投入商业运行之前汽轮机的累计运行小时数SH₀，计算得出蠕变寿命预测系统投入商业运行之前在各温度段的汽轮机高温部件的累计工作小时数τ_i0为：

$>>>\tau >>i>0>>>=>>SH>0>>\times >>>\tau >>i>1>>>>\Sigma >>\tau >>i>1>>>>>;>>>$

从汽轮机投入商业运行算起，汽轮机高温部件在各温度段的累计工作小时数τ_i为：

                      τ_i＝τ_i0+τ_i1；

第三步：计算各温度段的蠕变寿命损耗E_ti

采用有限元数值计算法确定汽轮机高温部件蠕变寿命薄弱部位的稳态蠕变的等效应力σ_ec，采用现有技术的拉森一米勒公式计算在不同温度段的温度组中值(如536℃至540℃温度段的温度组中值为538℃)下汽轮机高温部件稳态蠕变应力对应的蠕变寿命的设计值τ_Ri，各温度段的τ_Ri作为数据文件编入汽轮机高温部件蠕变寿命预测的计算机软件，汽轮机高温部件在各温度段的蠕变寿命损耗E_ti的计算公式表示为：

$>>>E>>t>i>>>=>>>\tau >i>>>\tau >Ri>>>;>>>$

第四步：计算累积蠕变寿命损耗E_t

汽轮机高温部件累积蠕变寿命损耗的计算公式表示为：

$>>>E>t>>=>\Sigma >>E>ti>>=>\Sigma >>>\tau >i>>>\tau >Ri>>>;>>>$

第五步：确定累积蠕变寿命损耗的界限值D_C

对于汽轮机高温部件，寿命管理主要考虑蠕变寿命损耗与低周疲劳寿命损耗。大量汽轮机高温部件蠕变寿命和低周疲劳寿命的计算结果表明，对于汽缸和阀壳等汽轮机静止高温部件，在汽轮机的服役期，累积蠕变寿命损耗约占总寿命损耗的二分之一，取汽轮机静止高温部件的累积蠕变寿命损耗的界限值D_c为D_c＝0.5；对于高中压转子和叶片等汽轮机转动高温部件，累积蠕变寿命损耗约占总寿命损耗的四分之一，取汽轮机转动高温部件的累积蠕变寿命损耗的界限值D_c为D_c＝0.25；

第六步：计算蠕变寿命损耗速率e

汽轮机高温部件蠕变寿命损耗速率e的计算公式表示为：

$>>e>=>>>E>t>>>\Sigma >>\tau >i>>>>;>>>$

第七步：计算剩余蠕变寿命H_LC

汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命H_LC的计算公式表示为：

$>>>H>LC>>=>>>(>>D>C>>->>E>t>>)>>e>>;>>>$

第八步：推荐检修处理措施

根据汽轮机高温部件剩余蠕变寿命H_LC的预测结果，推荐计划检修中汽轮机高温部件的检修处理措施为：

1.H_LC＜7000h，建议1年内安排计划大修，予以检修或更换；

2.7000h≤H_LC＜28000h，建议1年后但4年内安排计划大修，予以检修或更换；

3.28000h≤H_LC＜56000h，建议下次计划大修中，予以检查、探伤；

4.H_LC≥56000h，建议继续观察；

输出并打印汽轮机高温部件剩余蠕变寿命的预测结果和所推荐的检修处理措施。

本发明具有以下特点：

1.在蠕变寿命预测的计算/应用服务器上安装采用C语言编写的汽轮机高温部件蠕变寿命预测的计算机软件，该计算机软件完成两类计算：

第一为实时运行，根据软件设定的时间间隔，从数据库服务器中读取汽轮机高温部件的不同工作温度段的频数的统计数据，计算汽轮机高温部件在不同温度段的累计工作时间，计算汽轮机高温部件的累积蠕变寿命损耗，计算汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命，计算分析得出的结果，再送到数据库服务器保存，供网页服务器调用；

第二类为按指令运行，接收网页服务器的指令后，通过从数据库服务器中读取汽轮机高温部件的不同工作温度段的频数的统计数据，计算汽轮机高温部件在不同温度下的累积工作时间，计算汽轮机高温部件的累积蠕变寿命损耗，计算汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命，计算分析得出的结果，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：

第一类数据为汽轮机高温部件工作温度的数据，汽轮机高温部件记录工作温度的时间区段从每次并网开始，到机组解列结束，汽轮机高温部件的材料均为热强钢，在480℃以上发生蠕变。亚临界汽轮机共保存若干个温度段数据，481℃至550℃每隔1℃至9℃作为工作温度频数统计的1个温度段，480℃以下作为一个温度段。超临界汽轮机保存若干个温度段的数据，481℃至570℃每隔1℃至9℃从作为工作温度频数统计的1个温度段，480℃以下作为一个温度段。超超临界汽轮机保存若干个温度段的数据，480℃至610℃每隔1℃至9℃作为工作温度频数统计的一个温度段，480℃以下作为一个温度段。每隔1分钟至5分钟保存一次工作温度的数据，建议每隔3分钟保存一次工作温度的数据。

第二类数据为汽轮机高温部件蠕变寿命预测结果，包括机组编号、部件名称、累积运行小时、累积蠕变寿命损耗、蠕变寿命损耗速率、剩余蠕变寿命、推荐的检修处理措施。

3.外部系统接口的功能是把多台汽轮机多个高温部件的工作温度，按软件设定每隔1至5分钟存入数据库服务器。

4.汽轮机高温部件的工作温度采用热电偶测量，在线监测高压内缸、高压转子调节级部位、高压主汽阀和中压主汽阀等汽轮机高温部件的工作温度。高压内缸的工作温度采用高压内缸金属测点温度，高压转子调节级部位的金属温度采用调节级后蒸汽的测点温度，高压主汽阀的阀壳工作温度采用主蒸汽温度，中压主汽阀的阀壳工作温度采用再热蒸汽温度。在带负荷的稳态工况下，高温部件金属温度略微低于蒸汽温度，用蒸汽温度近似作为高温部件的金属温度，蠕变寿命预测的结果偏于安全。

5.汽轮机高温部件蠕变寿命预测的结果在网页服务器上发布。根据浏览器端用户即电厂技术人员发出的请求，网页服务器做出动态响应，通过计算/应用服务器调用数据库服务器中的蠕变寿命预测的实时计算结果，在网页服务器上形成汽轮机高温部件蠕变寿命预测的结果页面，返回给浏览器端用户。

6.用户端浏览器具有两个功能：

一是查看不同编号汽轮机的某一高温部件蠕变寿命预测结果；

二是发出指令计算某一编号某一高温部件的剩余蠕变寿命。

本发明实现了汽轮机高温部件累积蠕变寿命损耗的在线实时计算和剩余蠕变寿命的在线实时预测。

本发明的优点是在汽轮机的使用阶段可以定量地预测汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命，为汽轮机高温部件的蠕变寿命的在线管理提供了技术手段。采用本发明提供的汽轮机高温部件蠕变寿命预测的方法和系统，可以使汽轮机高温部件的蠕变寿命处于受控状态，实现了依据汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命来安排高温部件的检修与更换，既可以确保汽轮机高温部件的安全运行，又可以充分使用汽轮机高温部件的剩余蠕变寿命，达到了安全与经济地使用汽轮机高温部件的技术效果。

附图说明

图1为本发明蠕变寿命预测系统的方框图；

图2为本发明蠕变寿命预测所采用方法的流程图；

图3为本发明蠕变寿命预测所采用的计算机软件框图。

具体实施方案

如图1所示，为汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统，由蠕变寿命预测的计算/应用服务器及软件1、数据库服务器2、外部系统接口3、高温部件温度监测热电偶4、网页服务器5、用户端浏览器6组成。

网页服务器5分别与计算/应用服务器1、数据库服务器2和用户端浏览器6连接，计算/应用服务器1与数据库服务器2连接，数据库服务器2通过外部系统接口3分别与高压内缸、高压转子调节级、高压主汽阀和中压主汽阀的温度监测热电偶4连接。

如图2所示，为本发明提供方法的流程图。如图3所示，为采用C语言编写的汽轮机高温部件蠕变寿命预测的计算机软件框图，该软件安装在汽轮机蠕变寿命预测的计算/应用服务器上。本发明提供的汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法和系统，适用于汽轮机各种高温部件剩余蠕变寿命的预测。

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

某型号300MW汽轮机主汽阀的阀壳，额定功率时主蒸汽温度为538℃，采用图1所示汽轮机高温部件蠕变寿命的预测系统，采用图2所示的汽轮机高温部件蠕变寿命预测方法的流程图和图3所示的汽轮机高温部件蠕变寿命的预测的计算机软件，运行在发电厂控制中心的计算/应用服务器上。对该型号汽轮机主汽阀的阀壳，使用主蒸汽温度作为主汽阀的阀壳工作温度，在机组并网运行期间，数据库每隔3分钟保存一次主蒸汽温度数据，481℃以上(481℃至550℃)每隔5℃作为一个温度段，480℃以下作为一个温度段。对于该型号汽轮机主蒸汽阀的阀壳进行蠕变寿命预测，得出该汽轮机主汽阀的阀壳的累积蠕变寿命损耗和剩余蠕变寿命。

第一步：该汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统与汽轮机同时投入商业运行，该汽轮机投运前两年累积运行14100小时。记录温度在481℃以上(481℃至550℃)每隔5℃作为一个温度段，481℃以下作为一个温度段，从数据库服务器调用的各温度段频数的统计结果表示在表1；

第二步：该汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统记录温度的时间间隔Δτ＝3分钟，该型号汽轮机主汽阀的阀壳在各温度段的累计工作小时数的计算公式为

$>>>\tau >i>>=>>>\Delta \tau >\times >>m>i>>>60>>=>20>>m>i>>>(>h>)>>>>$

该型号汽轮机主汽阀的阀壳在各温度段的累计工作小时τ_i的计算结果列于表1；

第三步：该汽轮机高温部件蠕变寿命预测系统的数据文件中，已保存事先计算好的对应各温度段的温度组中值的主汽阀的阀壳的蠕变寿命τ_Ri，得出该汽轮机主汽阀阀壳在各温度段蠕变寿命损耗E_ti的计算结果列于表1；

[表1]

  温度段  温度组中值  频数m_i 累计工作小时τ_i  蠕变寿命损耗E_ti  ≤480℃  478℃  8400次  420h  6.4097×10^-6  481℃～485℃  483℃  2960次  148h  3.4659×10^-6  486℃～490℃  488℃  2920次  146h  5.2170×10^-6  491℃～495℃  493℃  2800次  140h  7.5914×10^-6  496℃～500℃  498℃  2840次  142h  11.6212×10^-6  501℃～505℃  503℃  2880次  144h  17.6928×10^-6  506℃～510℃  508℃  2600次  130h  23.8554×10^-6  511℃～515℃  513℃  2640次  132h  35.9924×10^-6  516℃～520℃  518℃  3000次  150h  60.4711×10^-6  521℃～525℃  523℃  3360次  168h  99.6441×10^-6  526℃～530℃  528℃  4000次  200h  173.6859×10^-6  531℃～535℃  533℃  7000次  350h  442.9355×10^-6  536℃～540℃  538℃  235200次  11760h  21587.4391×10^-6  541℃～545℃  543℃  1400次  70h  185.5384×10^-6  546℃～550℃  548℃  0次  0h  0                      合计  14100h  0.022662

第四步：该汽轮机主汽阀的阀壳在运行两年中累计蠕变寿命损耗E_t的计算结果为：E_t＝∑E_ti＝0.02262；

第五步：汽轮机主汽阀的阀壳是汽轮机的高温静止部件，取累积蠕变寿命损耗的界限值D_C为D_C＝0.5；

第六步：该汽轮机主汽阀阀壳的蠕变寿命损耗速率e为

$>>e>=>>>E>t>>>\Sigma >>\tau >i>>>>=>>0.022662>14100>>=>1.6072>\times >>10>>->6>\; >;>>>$

第七步：该汽轮机主汽阀阀壳的剩余蠕变寿命的预测值H_LC为

$>>>H>LC>>=>>>>D>C>>->>E>t>>>>e>>>>=>>>0.5>->0.022662>>>1.6072>\times >>10>>->6>\; >>>=>296993>h>;>>>$

第八步：该汽轮机使用两年后，主汽阀阀壳的剩余寿命H_LC＝296993≥56000h，推荐的检修处理措施为继续观察。

采用本发明提供的汽轮机高温部件蠕变寿命的预测方法及系统，可以在线定量预测汽轮机主汽阀的阀壳的累积蠕变寿命损耗和剩余蠕变寿命，使汽轮机主汽阀的阀壳的蠕变寿命处于受控状态。根据蠕变寿命的预测结果安排汽轮机主汽阀的阀壳的检修和更换，既可以确保汽轮机主汽阀的阀壳安全运行，又可以合理使用汽轮机主汽阀的阀壳剩余蠕变寿命，达到了安全与经济地使用汽轮机主汽阀阀壳的技术效果。