一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置

摘要

本发明公开了一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置，利用温度传感器和压力传感器感知高中压转子温度和压力的变化信息，用数据记录仪进行记录存储，并提供给寿命评估服务器进行实时计算高中压转子的温度场和应力场，根据主进汽管道内的温度来判断汽轮机机组的启动类型，综合高中压转子数值计算得到应力场分布，并根据高中压转子材料的蠕变寿命曲线和疲劳寿命曲线得到燃气蒸汽联合循环汽轮机高中压转子实时的寿命损耗率，以及高中压转子总体累积寿命损耗实时变化曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高中压转子寿命评估与管理装置，特别涉及一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置。

背景技术

高中压转子是汽轮机的重要部件，对于燃气蒸汽联合循环汽轮机，高中压转子寿命管理关系机组安全性和经济性的关键技术之一。国内燃气轮机联合循环调峰机组，启停频繁，影响联合循环机组的服役寿命。调峰机组的可靠性要求更高，对机组配套的相关高中压转子的安全性要求也更高。

热应力是金属因温度化不能自由伸缩而产生的应力，或金属本身温度不均匀使伸缩受制约而产生的应力。由于热应力是温度变化而产生的，所以也称温度应力或温差应力。部件工作时，它的尺寸将因温度变化而伸缩。若部件的伸缩不受任何限制，温度变化只能使其变形，而不致产生应力。若部件不能自由伸缩，将会在其内部产生应力。部件在受热或冷却时，若各部分温度不一致，变形将受制约。温度高的部分要膨胀伸长，温度低的部分则限制它的膨胀，结果在高温部位产生压应力，低温部位产生拉应力。

随着汽轮机不断向大功率、高效率方向发展，进气温度、压力不断增加，对高中压转子的安全性和服役寿命要求也不断提高。目前汽轮机寿命管理多采用数值计算的方法，实时寿命评估与管理系统应用在实际机组上的不多，而且传统数值计算结果误差较大，准确性不高，需要通过实际机组的定期检修检测进行修正，不能达到实时评估与管理的目的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置，包括高中压转子，高中压转子放置左支撑轴承和右支撑轴承上，在左端支撑轴承的左侧设置一个台推力轴承，高中压转子右端采用联轴器与低压转子连接，高中压叶轮部分由高中压汽缸上缸和高中压汽缸下缸包裹，上下缸之间用汽缸螺栓固定连接，高中压汽缸上缸上设置有中压出汽管，高中压汽缸下缸上设置有高压进汽管、高压出汽管、中压进汽管和补汽管；

在支撑轴承位置设置振动位移传感器用于实时测量转子振动位移变化；

在高压进汽管、高压出汽管、中压进汽管、补汽管和中压出汽管上打孔安装温度传感器和压力传感器，用于实时测量各部位的温度和压力；在高中压汽缸上缸上各级隔板处打孔安装温度传感器和压力传感器，用于实时测量高中压转子各级的温度和压力；高中压转子高压部分和高中压转子中压部分在一根轴上，转子轴承由轴承座外壳保护；

高中压转子各振动测点的数据通过振动数据采集仪连接到多通道数据记录仪进行存储；

高中压转子各个测点的温度传感器连接温度计，各个测点的压力传感器连接压力计，各路测点数据均连接到多通道数据记录仪进行存储；将多通道数据记录仪存储的数据传送到高中压转子寿命评估与管理系统，进行处理并实时显示各个部位的温度变化，压力变化，绘制各部位温度和压力变化曲线，并进行直观展现。

本发明进一步的改进在于，利用实时监测的高中压转子各进出口温度压力测点数据，以及高中压转子各温度测点和压力测点数据，并根据热传导方程

其中，x、y、z为空间三维坐标，t是温度，τ为时间，ρ为密度，c为比热容，λ为导热系数，q热源的发热率密度，通过有限元法计算高中压转子温度场、压力场分布，进而根据热弹性力学方程计算得到高中压转子应力随时间的变化曲线。

本发明进一步的改进在于，热弹性力学方程：

其中：ε为应变，σ为应力，E为弹性模量，v为泊松比，α为膨胀系数，T为温度。

本发明进一步的改进在于，综合高中压转子用有限元方法计算得到高中压转子应力场，并根据高中压转子材料蠕变寿命曲线和疲劳寿命曲线得到高中压转子寿命消耗率实时曲线，以及高中压转子总体寿命消耗实时曲线。

本发明进一步的改进在于，汽轮机机组的启动类型判断依据机组启动时主进汽管阀门后管道内温度测点的温度值所在的温度范围，分别为极热态启动、热态启动、温态启动和冷态启动。

本发明进一步的改进在于，高中压转子寿命评估与管理工作站包括寿命计算评估服务器、数据库和Web服务器；其中，寿命计算评估服务器从多通道数据记录仪采集数据并进行计算分析，然后按照设定格式存储到数据库，Web服务器读取数据库里的数据，并通过用户局域网提供给各终端浏览器进行访问。

本发明进一步的改进在于，高中压转子寿命评估与管理系统下设由高中压转子各振动测点数据，高中压转子各温度测点和压力测点数据；由高中压转子各振动测点数据得到各振动测点实时的振动位移响应曲线和振动频谱曲线，进一步获得高中压转子各轴承位置的转子振动轴心轨迹；

由高中压转子各温度测点和压力测点数据，得到各温度测点实时监控曲线和各压力测点实时监控曲线，进一步得到各温度测点变化率的实时监控曲线和各压力测点变化率实时监控曲线；由监测得到各测点的温度压力作为边界条件，采用有限元方法计算得到高中压转子温度场和高中压转子应力场。

相对于现有技术，本发明具有如下的技术效果：

本发明提供的一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置，利用温度传感器和压力传感器实时测量高中压转子各关键部位的温度和压力，用于实时计算高中压转子的应力场分布。根据高中压转子材料的疲劳寿命曲线和蠕变寿命曲线，获得高中压转子实时的疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗，最终获得高中压汽缸的总体实时寿命损耗曲线。

高中压转子设置多个温度和压力测点，采用温度传感器和压力传感器实时感知高中压转子多个位置的温度变化和压力变化，根据多个测点的温度与压力数据实时计算高中压转子温度场和高中压汽缸应力场，动态显示高中压转子应力场变化。根据主进汽管阀门后管道内的温度范围，来判断汽轮机机组的启动类型。

多通道数据记录仪能够保证存储数据的连续性，相比数字存储设备更能还原真实的连续的温度和压力信息。温度传感器固定安装在高中压汽缸上，可实时监控高中压转子的温度变化，保证启停过程中高中压转子的温度变化速率在安全范围内，提高启停安全性。

综上所述，本发明一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置，解决了采用数值方法评估高中压转子寿命准确性不高，已往缺乏启停过程实时监控高中压转子温度变化速率的问题，提供了一种用于实时评估与管理高中压转子寿命的方法，适用于各汽轮机高中压转子寿命评估，能够实时测量高中压汽缸内部多个部位温度和压力，来实时计算高中压转子应力场分布，能够判断汽轮机机组的启动类型，为燃气蒸汽联合循环汽轮机高中压转子寿命评估与管理提供准确的动态实时数据，以提高高中压转子寿命评估与管理精确性。

附图说明

图1为高中压转子寿命评估与管理装置示意图；

图2为高中压转子振动位移传感器安装位置示意图；

图3为高中压转子寿命评估与管理系统示意图；

图4为高中压转子寿命评估与管理系统拓扑图；

图5为高中压转子寿命评估与管理系统流程图；

图6为汽轮机机组启动类型判断温度范围示意图；

图7为高中压转子材料蠕变寿命曲线；

图8为高中压转子材料疲劳寿命曲线。

附图标记说明：

1、高中压转子；2、左支撑轴承；3、右支撑轴承；4、推力轴承；5、高中压汽缸上缸；6、高中压汽缸下缸；7、中压出汽管；8、高压进汽管；9、高压出汽管；10、中压进汽管；11、补汽管；12、振动位移传感器；13、温度传感器；14、压力传感器；15、高中压转子高压部分；16、高中压转子中压部分；17、轴承座外壳；18、振动数据采集仪；19、温度计；20、压力计；21、多通道数据记录仪；22、高中压转子寿命评估与管理系统；23、高中压转子各振动测点数据；24、高中压转子各温度测点和压力测点数据；25、振动位移响应曲线；26、振动频谱曲线；27、各温度测点实时监控曲线；28、各压力测点实时监控曲线；29、各温度测点变化率的实时监控曲线；30、各压力测点变化率实时监控曲线；31、高中压转子温度场；32、高中压转子应力场；33、转子振动轴心轨迹；34、高中压转子材料蠕变寿命曲线和疲劳寿命曲线；35、高中压转子寿命消耗率实时曲线；36、高中压转子总体寿命消耗实时曲线；37、高中压转子寿命评估与管理工作站；38、寿命计算评估服务器；39、数据库；40、Web服务器；41、用户内部局域网；42、终端浏览器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明提供的一种用于联合循环汽轮机高中压转子的寿命评估与管理装置，包括高中压转子1、左支撑轴承2、右支撑轴承3、推力轴承4、高中压汽缸上缸5、高中压汽缸下缸6等。高中压转子1放置左支撑轴承2和右支撑轴承3上，在左端支撑轴承2的左侧设置一个台推力轴承4，高中压转子1右端采用联轴器与低压转子连接，高中压叶轮部分由高中压汽缸上缸5和高中压汽缸下缸6包裹，上下缸之间用汽缸螺栓固定连接，高中压汽缸上缸5上设置有中压出汽管7，高中压汽缸下缸6上设置有高压进汽管8、高压出汽管9、中压进汽管10和补汽管11；在支撑轴承位置设置振动位移传感器12用于实时测量转子振动位移变化；在高压进汽管8、高压出汽管9、中压进汽管10、补汽管11和中压出汽管7上打孔安装温度传感器13和压力传感器14，用于实时测量各部位的温度和压力；在高中压汽缸上缸5上各级隔板处打孔安装温度传感器13和压力传感器14，用于实时测量高中压转子各级的温度和压力；高中压转子高压部分15和高中压转子中压部分16在一根轴上，转子轴承由轴承座外壳17保护；各个振动位移传感器连接振动数据采集仪18，高中压转子1各个测点的温度传感器13连接温度计19，各个测点的压力传感器14连接压力计20，各路测点数据均连接到多通道数据记录仪21进行存储；将多通道数据记录仪21存储的数据传送到高中压转子寿命评估与管理系统22，进行处理并实时显示各个部位的温度变化，压力变化，绘制各部位温度和压力变化曲线，并进行直观展现。

参见图2，每个轴承位置沿水平方向和垂直方向分别设置振动位移传感器12，用于测量转子的水平方向和垂直方向的振动值。

参见图3，高中压转子寿命评估与管理系统22下设由高中压转子各振动测点数据23，高中压转子各温度测点和压力测点数据24。由高中压转子各振动测点数据23得到各振动测点实时的振动位移响应曲线25和振动频谱曲线26，进一步获得高中压转子各轴承位置的转子振动轴心轨迹33。

由高中压转子各温度测点和压力测点数据24，得到各温度测点实时监控曲线27和各压力测点实时监控曲线28，进一步得到各温度测点变化率的实时监控曲线29和各压力测点变化率实时监控曲线30。由监测得到各测点的温度压力作为边界条件，采用有限元方法计算得到高中压转子温度场31和高中压转子应力场32。

由高中压转子各温度测点和压力测点数据24，得到汽轮机机组启动时主进汽管阀门后的管道内的温度值，然后根据该温度值所在的范围来判断汽轮机机组的启动类型。汽轮机机组启动类型判断温度范围，见表1，示意图见图6

表1

进一步采用有限元方法计算得到高中压转子温度场31，结合汽轮机机组启动类型，并根据高中压转子材料蠕变寿命曲线和疲劳寿命曲线34得到燃气蒸汽联合循环汽轮机高中压转子实时的高中压转子寿命消耗率实时曲线35，以及高中压转子总体寿命消耗实时曲线36。

参见图4，高中压转子寿命评估与管理工作站37包括寿命计算评估服务器38、数据库39和Web服务器40。寿命计算评估服务器38从多通道数据记录仪21采集数据并进行计算分析，然后按照设定格式存储到数据库39，Web服务器40读取数据库39里的数据，并通过用户内部局域网41提供给各终端浏览器42进行访问。

参见图5，高中压转子寿命评估与管理系统流程。这部分与图6介绍的内容相同。

参见图6，汽轮机机组启动类型是依据主进汽管道内的温度范围来判断的。横坐标为时间，纵坐标为机组启动时主进汽管阀门后管道内的温度，其中T1>T2>T3>T4。

参见图6，横坐标为应力值，纵坐标为运行时间的函数式，HV为材料硬度。

参见图7，横坐标为应力值，纵坐标为寿命循环次数。

参见图8，横坐标为寿命循环次数，纵坐标为应力值。

为了对本发明进一步的了解，现对其工作过程作如下说明。

工作时，利用温度传感器13和压力传感器14感知高中压转子1温度和压力的变化信息，并提供给寿命计算评估服务器38进行实时计算高中压汽缸转子1的温度场和应力场，根据主进汽管道内的温度来判断汽轮机机组的启动类型，综合高中压转子材料蠕变寿命曲线和疲劳寿命曲线34得到燃气蒸汽联合循环汽轮机高中压转子实时的高中压转子寿命消耗率实时曲线35，以及高中压转子总体寿命消耗实时曲线36。寿命计算评估服务器38处理后的数据存储到数据库39，并提供给web服务器40，通过用户内部局域网41，供终端浏览器42进行访问。