基于DCS的汽輪機在線應(yīng)力監(jiān)測

張 鋼

（浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208）

0 引言

某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的配備為2臺100 MW級燃氣輪發(fā)電機組、2臺余熱鍋爐和1臺100 MW級蒸汽輪機的“二拖一”方式，蒸汽輪機為GEC-ALSTOM生產(chǎn)的單壓進汽汽輪機。在電網(wǎng)調(diào)峰能力尚不充分的情況下，燃氣輪機機組作為電網(wǎng)調(diào)峰主力機組，承擔(dān)著主要調(diào)峰作用。從1998年11月投產(chǎn)至今啟停1221次，年平均啟動100多次，最頻繁時，一年啟動300次以上。

根據(jù)汽輪機廠家提供的汽輪機運行規(guī)程規(guī)定，汽輪機冷態(tài)啟動一年不超過4次，溫態(tài)啟動一年不超過8次。但在實際的電網(wǎng)調(diào)峰壓力下，根本不可能按這樣的規(guī)定執(zhí)行，必然會加速轉(zhuǎn)子的壽命損耗。

目前汽輪機啟動時暖機以缸溫作為依據(jù)，以3種暖機方式進行沖轉(zhuǎn)，當(dāng)缸溫大于380℃，熱態(tài)啟動，耗時 5 min；當(dāng)缸溫小于 380℃但大于193℃，溫態(tài)啟動，耗時 45 min；當(dāng)缸溫小于193℃，冷態(tài)啟動，耗時75 min。這種啟動方式從經(jīng)濟性的角度分析十分不合理。舉一個簡單的例子，有時候因為缸溫僅僅比熱態(tài)啟動的缸溫差1～2℃，啟動時間卻要多花費40 min，如果380℃熱態(tài)啟動時安全的，那么379℃時用45 min進行暖機肯定具有很大的裕度。而且，由于機組日開夜停，啟動時缸溫通常處于370～400℃之間，類似這種情況的出現(xiàn)十分頻繁。

考慮到汽輪機運行的經(jīng)濟性和安全性，十分需要對汽輪機啟動時的應(yīng)力進行監(jiān)測和分析，為汽輪機進行壽命管理研究和快速啟動研究提供可靠依據(jù)。本課題的研究目的就是利用集散控制系統(tǒng)（DCS）的現(xiàn)有資源，以最小的投資成本，自主開發(fā)一套汽輪機轉(zhuǎn)子應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)汽輪機啟動時的應(yīng)力監(jiān)測和分析。

1 轉(zhuǎn)子應(yīng)力場計算

1.1 轉(zhuǎn)子溫度場的計算

汽輪機為單缸單軸機組，采用數(shù)值解法計算轉(zhuǎn)子監(jiān)測面的溫度場。為了適應(yīng)實時監(jiān)測的需要，采用差分法進行計算，將轉(zhuǎn)子監(jiān)測截面相應(yīng)部位視為無限長圓柱體的一維模型。即計算模型中只考慮轉(zhuǎn)子徑向的溫差，而不考慮軸向熱流的影響。根據(jù)蒸汽溫度來確定轉(zhuǎn)子表面溫度，并將蒸汽介質(zhì)對轉(zhuǎn)子表面的放熱系數(shù)和金屬的物理特性作為溫度和壓力的函數(shù)。

1.2 轉(zhuǎn)子監(jiān)測面應(yīng)力場計算

汽輪機在啟動、運行、停機過程中，轉(zhuǎn)子上除了熱應(yīng)力之外，還有蒸汽壓力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的壓應(yīng)力，傳動扭矩引起的剪應(yīng)力，自重引起的彎曲應(yīng)力，葉片、葉輪以及轉(zhuǎn)子自重產(chǎn)生的離心力。

蒸汽壓力對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的應(yīng)力，其最大值在轉(zhuǎn)子的中心孔。由于啟動時中心孔熱應(yīng)力為拉應(yīng)力，合成后反而使熱應(yīng)力降低；而停機時中心孔熱應(yīng)力雖為壓應(yīng)力，但其最大值發(fā)生在完全停機時，這時的蒸汽壓力已很低，故在研究機組壽命損耗時，通常忽略不計。傳動扭矩引起的剪應(yīng)力，在機組的正常啟、停以及運行過程中均較小，一般不足以對轉(zhuǎn)子的低周疲勞造成危害，因此，在機組的壽命損耗計算中不予考慮。由轉(zhuǎn)子自重引起的彎應(yīng)力屬高頻交變應(yīng)力，大功率機組進行高速功平衡后，其應(yīng)力值很小，也可以忽略不計。由葉片、葉輪以及轉(zhuǎn)子自重產(chǎn)生的離心力所引起的切向應(yīng)力是個較大的數(shù)量級，在進行壽命損耗計算中應(yīng)予以考慮。

在啟停過程中，轉(zhuǎn)子的葉輪根部軸肩部位存在明顯的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。而計算時都將轉(zhuǎn)子簡化為無限長圓柱，所以轉(zhuǎn)子實際熱應(yīng)力應(yīng)在原來計算結(jié)果上乘以熱應(yīng)力集中系數(shù)。熱應(yīng)力集中系數(shù)一般定義為應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力與無應(yīng)力集中時光軸上的公稱應(yīng)力之比。由于有限元計算可以得到轉(zhuǎn)子應(yīng)力集中部位的軸向熱應(yīng)力，同樣條件下由在線應(yīng)力計算求出光軸的軸向熱應(yīng)力，二者之比就是熱應(yīng)力集中系數(shù)。

汽輪機轉(zhuǎn)子最基本的破壞形式是屈服和斷裂。材料力學(xué)中屈服強度和斷裂強度的概念是從單項拉伸（或壓縮）試驗中得來的，汽輪機轉(zhuǎn)子在實際運行中的受力情況非常復(fù)雜，所受應(yīng)力屬多向應(yīng)力。根據(jù)第四強度理論，當(dāng)一個物體上存在多項應(yīng)力時，應(yīng)按Mises準(zhǔn)則確定其合成應(yīng)力。但根據(jù)轉(zhuǎn)子實際受力情況，轉(zhuǎn)子外表面及中心孔只存在軸向應(yīng)力與切向應(yīng)力。切向應(yīng)力包括熱應(yīng)力與離心應(yīng)力，軸向應(yīng)力只有熱應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)子表面裂紋多為徑向裂紋，促使裂紋生成與擴展主要是切向熱應(yīng)力，其當(dāng)量熱應(yīng)力等于熱切向應(yīng)力和離心切向應(yīng)力之和。離心力與轉(zhuǎn)速平方成線性關(guān)系，所以離心力計算可事先由有限元法離線計算出額定轉(zhuǎn)速時的離心應(yīng)力，在其他轉(zhuǎn)速下的離心應(yīng)力就容易獲得。

1.3 在線監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定

1.3.1 監(jiān)測面及蒸汽參數(shù)的選取

根據(jù)離線有限元計算和分析，轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力位于調(diào)節(jié)級葉輪的進汽側(cè)，此處溫差最大，作為在線監(jiān)測系統(tǒng)的檢測面。在監(jiān)測面腔室布置有調(diào)節(jié)級蒸汽溫度與壓力測點，蒸汽參數(shù)可以直接取得。

1.3.2 應(yīng)力裕度系數(shù)計算

由于汽輪機額定工作溫度為500℃，根據(jù)高溫機組的材料特性，當(dāng)工作溫度在505℃以下時，以0.2%變形的屈服限σ0.2為準(zhǔn)，并考慮安全系數(shù)，本系統(tǒng)計算時參考國外機組的值，取2/3。

1.3.3 計算尺寸Δr和計算時間Δτ的確定

根據(jù)轉(zhuǎn)子加工圖，汽輪機調(diào)節(jié)級監(jiān)測面軸徑579 mm，調(diào)節(jié)級后葉輪圓弧半徑為30 mm，無中心孔。分層后，轉(zhuǎn)子每層間隔Δr＝579/2/15=19.3 mm=0.0193 m。當(dāng)利用溫度差分方程計算轉(zhuǎn)子截面各點溫度時，在確定尺寸Δr后，還必須確定計算的時間間隔Δτ。為了滿足穩(wěn)定性條件，根據(jù)傅立葉數(shù)求得Δτ≤16.3 s。由于轉(zhuǎn)子表面溫度是不斷變化的，Δτ取得小一些，有利于對轉(zhuǎn)子內(nèi)部瞬態(tài)溫度場的表達，取Δτ＝1 s。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)

DCS采用ABB的Symphoney系統(tǒng)，在線監(jiān)測系統(tǒng)直接利用現(xiàn)有的DCS實現(xiàn)。因為DCS系統(tǒng)能夠滿足計算速度、實時性、精度等要求，同時比較容易實現(xiàn)下列功能：

（1）查詢各輸入?yún)?shù)和計算結(jié)果的歷史曲線。

（2）計算結(jié)果直接在DCS操作員站上顯示，報警和趨勢等畫面完全與DCS一體，方便運行人員監(jiān)視和操作。

（3）可以直接將應(yīng)力計算結(jié)果用于啟動和升負荷控制。

（4）不需要增加新的設(shè)備，硬件上只需1塊DCS主模件，并且可以與其他系統(tǒng)共用。

2.2 軟件編程

根據(jù)前面討論的轉(zhuǎn)子應(yīng)力場計算相關(guān)理論，已經(jīng)不難在DCS上編程實現(xiàn)，在線計算流程如圖1所示，但用ABB的Symphoney系統(tǒng)編程時應(yīng)注意下面幾點。

圖1 在線計算流程

2.2.1 計算時間的設(shè)定

Symphoney系統(tǒng)程序運算專門有一個功能塊用于控制程序執(zhí)行周期，即82號功能塊（Segment control）。將該功能碼內(nèi)設(shè)置執(zhí)行周期為1 s就能滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)計算的時間Δτ=1 s的要求。如果該主模件是與其他系統(tǒng)的程序共用，為了不影響其他系統(tǒng)程序的運算速度，可以用該功能塊進行分段處理，其他系統(tǒng)的程序仍可以用更快的執(zhí)行周期進行運算。

2.2.2 塊序?qū)τ嬎愕挠绊?/p>

DCS程序執(zhí)行是按面進行掃描，多個任務(wù)同時進行。而決定DCS程序執(zhí)行順序的是塊地址，如圖2所示。

圖2 DCS程序執(zhí)行順序

A，B，C代表3個功能塊，數(shù)據(jù)流按箭頭指示，DCS程序計算時并不是按數(shù)據(jù)流向，而是按A，B，C 3個功能塊的塊地址先后順序。如果A的塊地址大于B，實際運算時先計算B，后計算A。假設(shè)在A前的數(shù)據(jù)在某個執(zhí)行周期內(nèi)變化，在該周期內(nèi)，由于B先執(zhí)行，在B執(zhí)行時，A輸出數(shù)據(jù)還是前一個周期的值，而當(dāng)A執(zhí)行后輸出到B時，由于B在本周期內(nèi)已經(jīng)執(zhí)行過，所以要將A前變化的數(shù)據(jù)傳遞到C至少需要2個執(zhí)行周期。由于程序原因使計算時間Δτ放大一倍，影響應(yīng)力的計算。為了避免這種情況的出現(xiàn)，DCS組態(tài)賦塊地址時，必須手動按數(shù)據(jù)流的方向進行逐一賦塊。

2.2.3 例外報告通信的影響

DCS各個節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送采用例外報告技術(shù)，節(jié)點間的數(shù)據(jù)必須滿足2個條件之一時才會觸發(fā)傳送，這2個條件即最小例外報告死區(qū)和最大例外報告時間。當(dāng)1個數(shù)據(jù)與上一次傳送時的值變化量大于最小例外報告死區(qū)時（一般為1%），就會觸發(fā)傳送，如果一直沒有滿足這個條件，就要等上次傳送的時間間隔大于最大例外報告時間（一般為60 s）時才會傳送。以調(diào)節(jié)級溫度為例，在線應(yīng)力計算所需的調(diào)節(jié)級溫度是通過其他節(jié)點通信獲得，溫度量程為0～600℃，按正常的例外報告設(shè)置，死區(qū)就是6℃，所以在線應(yīng)力計算程序所獲得的溫度要么是大于6℃的一個個階越性溫度，要么是每60 s才獲得一次實際數(shù)據(jù)，影響了計算參數(shù)的實時性。另外，如果需要采用有限元法離線計算時，數(shù)據(jù)是從操作員站獲取的，同樣也存在這樣的問題。所以對于應(yīng)力計算的重要參數(shù)，應(yīng)關(guān)注其例外報告的設(shè)置是否能滿足計算要求。

2.2.4 轉(zhuǎn)子溫度的自動修正

前面已經(jīng)討論過，轉(zhuǎn)子外表面的溫度通過蒸汽參數(shù)計算獲取。這個計算過程難免會有一定的誤差，而且這個誤差會隨時間積累逐步放大。但在汽輪機停機時，轉(zhuǎn)子溫度接近汽輪機缸溫。所以可以在停機狀態(tài)下利用汽輪機缸溫對轉(zhuǎn)子溫度進行自動修正。可以在機組啟動前利用DCS中能夠表征機組即將啟動的某個狀態(tài)量對在線檢測程序進行初始化，這對頻繁啟停的燃氣輪機機組特別適用。

2.2.5 升負荷速率控制

在線應(yīng)力計算結(jié)果除了發(fā)出應(yīng)力高限報警外，直接參與升降負荷控制。在汽輪機剛并網(wǎng)后，根據(jù)應(yīng)力水平需要對汽輪機進行低負荷暖機，同時將應(yīng)力裕度系數(shù)直接作用到升負荷速率上，當(dāng)應(yīng)力裕度系數(shù)小于0.2時，禁止加負荷。為了實現(xiàn)該功能，同時防止主蒸汽參數(shù)過高，還應(yīng)修改旁路控制程序。

3 應(yīng)力計算結(jié)果和汽輪機啟動優(yōu)化

通過在線應(yīng)力計算和有限元法離線應(yīng)力計算，發(fā)現(xiàn)原來廠家提供的暖機曲線有以下幾個不足之處：

（1）低速暖機時，由于蒸汽參數(shù)較低，蒸汽對轉(zhuǎn)子的放熱系數(shù)很低，暖機效果很差。

（2）機組冷態(tài)啟動時，按原啟動曲線進行沖轉(zhuǎn)，應(yīng)力已經(jīng)超過轉(zhuǎn)子極限，對轉(zhuǎn)子壽命十分不利。原廠家提供的規(guī)程一年冷態(tài)啟動不能超過4次，但機組實際一年冷態(tài)啟動達到十幾次。

（3）溫態(tài)啟動時應(yīng)力有較大的裕度。

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，對汽輪機啟動進行優(yōu)化，縮短了低速暖機時間，增加帶低負荷暖機時間，提高暖機效果。在保證應(yīng)力裕度的前提下縮短暖機時間，達到快速啟動的目的。通過對暖機曲線的修改，不但大大改善了冷態(tài)啟動的應(yīng)力水平，而且冷態(tài)啟動時間縮短20 min，溫態(tài)啟動縮短10 min。原缸溫在250～350℃為溫態(tài)啟動，需要45 min，現(xiàn)改為熱態(tài)啟動，啟動時間改為10 min。由于汽輪機是利用余熱發(fā)電的，經(jīng)濟效益十分明顯。優(yōu)化前后的汽輪機啟動曲線對比見圖3-4。

圖3 優(yōu)化前啟動曲線

4 結(jié)語

圖4 優(yōu)化后啟動曲線

從汽輪機啟動時應(yīng)力計算和多次啟動試驗結(jié)果來看，廠家提供的啟動曲線與實際情況相比存在較大的偏差。開展汽輪機轉(zhuǎn)子應(yīng)力監(jiān)測無論從經(jīng)濟還是安全方面考慮都十分必要，目前國內(nèi)很多發(fā)電廠的汽輪發(fā)電機組尚未設(shè)置轉(zhuǎn)子應(yīng)力監(jiān)測裝置，特別是頻繁啟停的燃氣輪機調(diào)峰機組，很有必要開展根據(jù)實際應(yīng)力計算指導(dǎo)汽輪機啟動這方面的工作。

利用ABB的Symphoney系統(tǒng)進行在線應(yīng)力計算。在計算程序組態(tài)時，與常規(guī)的DCS控制組態(tài)有較大的區(qū)別。文中提到的塊順序、例外報告通信設(shè)置等在常規(guī)的控制組態(tài)中不需要關(guān)注的問題，在應(yīng)力計算中則對計算結(jié)果有至關(guān)重要的影響。

[1]楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1980.

[2]孔祥謙.有限元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1986.