CN103605329B - 火力发电机组部件累积低周疲劳寿命损耗监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，其特征在于，步骤为：读取火力发电机组在线测点数据；计算重要部件的热应力；计算重要部件的机械应力；计算重要部件的复合应力；计算重要部件的等效应力；确定三个复合应力的最大应力；确定三个复合应力的最小应力；计算重要部件的实数域等效应力；划分具有相同正负号的应力时段；确定σ_ij≥0时段的峰值应力等。本发明的优点是提供了火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制装置及方法，实现了一座火力发电厂一台或多台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。

Description

火力发电机组部件累积低周疲劳寿命损耗监控方法

技术领域

本发明涉及一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，属于火力发电机组技术领域。

背景技术

以低周疲劳损坏为主要失效模式的火力发电机组的重要部件有：高压转子、中压转子、低压转子，高压内缸、中压内缸、高压外缸、高压主汽阀壳、高压调节阀壳、发电机转子、发电机护环、锅筒、汽水分离器、高温集箱、低温集箱、主蒸汽管道、再热蒸汽管道等。这些重要部件尺寸大、造价昂贵，疲劳损坏的后果严重。在火力发电机组的启动、停机和负荷变动过程，在火力发电机组的重要部件中，由于沿径向温度分布不均匀而产生比较大的热应力，引起火力发电机组重要部件的瞬态低周疲劳寿命损耗增大。在火力发电机组的服役期内，重要部件长时间的瞬态低周疲劳寿命损耗增大必然导致其累积低周疲劳寿命损耗增大。若累积低周疲劳寿命损耗监视与控制不当，会导致火力发电机组重要部件低周疲劳损坏，工程上急需火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法。

申请人已经申请专利《一种汽轮机转子低周疲劳寿命损耗在线监控的方法及***》申请号为200710039898.3、《汽轮机部件低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法》申请号为200910050273.6、《转子护环低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法》申请号为200910201405.0和《炉外承压部件瞬态低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置及方法》申请号为201010102187.8，以及公开文献报道的疲劳寿命损耗在线管理技术，都是对发电机组重要部件的瞬态低周疲劳寿命进行在线监视与控制，而火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的监视与控制，还没有合适的装置与方法可供使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，实现一座火力发电厂一台或几台火力发电机组的2至16个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在累积低周疲劳寿命损耗在计算服务器上，应用于火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步、读取火力发电机组在线测点数据：

数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息***从火力发电机组的分散控制***及在线测点读取主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、汽轮机转速、功率、凝汽器压力、给水压力、给水温度、发电机有功功率、功率因数、三相电流与电压、励磁电流、冷氢温度和热氢温度、锅炉锅筒的壁温测点数值、汽水分离器的壁温测点数值、高温集箱的壁温测点数值、低温集箱的壁温测点数值、主蒸汽管道的壁温测点数值、再热蒸汽管道的壁温测点数值；

第二步、计算重要部件的热应力：

针对火火力发电机组在线测点的数据变化，采用现有的简化模型，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的温度场以及切向热应力σ_θthij、径向热应力σ_rthij和轴向热应力σ_zthij；

第三步、计算重要部件的机械应力：

针对火火力发电机组在线测点的数据变化，采用现有的简化模型，在线计第i台火力发电机组第j个重要部件由于工作介质压力或工作转速引起的切向机械应力σ_θmchij、径向机械应力σ_rmchij和轴向机械应力σ_zmchij；

第四步、计算重要部件的复合应力：

按照下列公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的复合切向应力σ_θij、复合径向应力σ_rij和复合轴向应力σ_zij：

σ_θij＝σ_θthij+σ_θmchij；

σ_rij＝σ_rthij+σ_rmchij；

σ_zij＝σ_zthij+σ_zmchij；

第五步、计算重要部件的等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的等效应力的在线计算公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eqij}}={\left[\frac{{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θij}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rij}})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rij}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zij}})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zij}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θij}})}^2}{2}\right]}^{\frac{1}{2}};$

第六步、确定三个复合应力的最大应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最大应力σ_max的在线计算公式为：

σ_max＝max(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第七步、确定三个复合应力的最小应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最小应力σ_min的在线计算公式为：

σ_min＝min(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第八步、计算重要部件的实数域等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的实数域等效应力的在线计算公式为：

σ_ij＝σ_eqij×sign(σ_max+σ_min)；

式中，sign(σ_max+σ_min)为符号函数，若(σ_max+σ_min)≥0，则sign(σ_max+σ_min)＝1；若(σ_max+σ_min)<0，则sign(σ_max+σ_min)＝-1；

第九步、划分具有相同正负号的应力时段：

针对第i台火力发电机组第j个重要部件实数域等效应力σ_ij的在线计算结果，根据实数域等效应力σ_ii的正数与负数的转变时刻，把实数域等效应力σ_ij在线计算结果的历史数据按照在线监视的时间顺序，区分为σ_ij≥0时段和σ_ij<0时段；

第十步、确定σ_ij≥0时段的峰值应力：

在某一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₁个实数域等效应力σ_ij均大于或等于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

σ_ijp＝max(σ_ij1，σ_ij2，…，σ_ijn1)；

第十一步、确定σ_ij<0时段的峰值应力σ_ijp：

在另一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₂个实数域等效应力σ_ij均小于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

σ_ijp＝max(|σ_ij1|，|σ_ij2|，…，|σ_ijn2|)；

第十二步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称疲劳循环的低周疲劳应变幅ε_aii：

ε_aij＝(1+μ)σ_ijp／(1.5E)；

式中，μ为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的泊松比，E为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的弹性模量；

第十三步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用重要部件材料的低周疲劳曲线ε_aij＝F(N_fij)，每隔Δτ计算1次，得出第i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称循环的低周疲劳寿命N_fij;

第十四步、计算重要部件峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗d_ijp：

d_ijp＝(2N_fij)^-1×100％；

第十五步、计算重要部件的累积低周疲劳寿命损耗：

第i台火力发电机组第j个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗E_Nij的在线计算公式表示为：

E_Nij＝E_Nij0+d_ijp；

式中，E_Nij0为第i台火力发电机组第j个重要部件累加前一个峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗后计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；

第十六步、确定第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗的最大值：

在第i台火力发电机组的m个重要部件中，累积低周疲劳寿命损耗的最大值E_Nmaxi的在线计算公式表示为：

E_Nmaxi＝max(E_Ni1，E_Ni2，…，E_Nim)；

第十七步、计算第i台机组的日历寿命损耗允许值：

在设计寿期内服役的第i台火力发电机组的日历寿命损耗允许值[E]_i的在线计算公式表示为：

第十八步、计算第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度：

第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i的在线计算公式表示为：

ΔE_i＝0.75×[E]_i-E_Nmaxi-0.25；

在累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i计算公式的等号右侧的0.75[E]_i，表示寿命损耗留有0.25的安全余量，以备高温部件的蠕变寿命损耗与低温部件的其他寿命损耗；

第十九步、第i台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

通过厂级监控信息装置和火力发电机组分散控制装置来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若0<ΔE_i<0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态，推荐的优化控制措施是按照火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来进行机组的启动、停机与负荷变动；

(2)若ΔE_i≥0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大，推荐的优化控制措施是增大主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，增大幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.1～0.3倍，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

(3)若ΔE_i≤0，表明第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小且累积低周疲劳寿命损耗大，建议减少主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，减少幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.2～0.6倍，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

第二十步、厂级多台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

把厂级多台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i从小到大排序，按照ΔE_i的大小进行厂级多台火力发电机组的优化运行控制，通过厂级监控信息装置和运行部门值长的优化调度来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若ΔE_i小表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小、剩余寿命短，推荐的优化控制措施是多带基本负荷、少参与调峰，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

(2)若ΔE_i大表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗不大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大、剩余寿命长，推荐的优化控制措施是多参与调峰，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

第二十一步、打印输出结果：

根据需要打印输出火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线计算结果与控制措施，应用于火力发电机组的优化运行控制。

本发明的优点是提供了火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制装置及方法，实现了一座火力发电厂一台或多台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。如果单台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗偏大时，通过在线实时控制该台火力发电机组主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来控制累积低周疲劳寿命损耗快速增大。对于多台火力发电机组，通过厂级多台机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的优化控制，采用累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔEi大的火力发电机组多参与调峰而累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔEi小的火力发电机组少参与调峰的控制措施，使厂级多台火力发电机组的累积低周疲劳寿命处于受控状态，达到了使用一套重要部件的累积低周疲劳寿命损耗控制装置来监视与控制一座火力发电厂一台或多台火力发电机组多个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的技术效果，达到了通过在线监视与控制火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗来保障火力发电机组重要部件长周期安全运行的技术效果。

附图说明

图1为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图；

图2为本发明所采用方法的流程；

图3为本发明累积低周疲劳寿命损耗在线计算服务器所采用的计算机软件框图；

图4为火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗计算结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1所示，为本发明所采用的在线监视与控制装置的方框图，所述的火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制装置由双冗余累积低周疲劳寿命损耗在线计算服务器、双冗余数据库服务器和厂级监控信息***(SIS***)组成，累积低周疲劳寿命损耗在线计算服务器与数据库服务器连接，数据库服务器通过厂级监控信息***与火力发电机组的分散控制***(DCS)及在线测点连接。

如图2所示，为本发明所采用方法的流程图，如图3所示，为本发明累积低周疲劳寿命损耗在线计算服务器所采用的计算机软件框图，该软件安装在火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线计算服务器上，应用于3台火力发电机组多个重要部件德累积低周疲劳寿命损耗的在线计算与控制。

本发明还提供了一种上述装置所采用的火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制方法，采用C语言编写火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在累积低周疲劳寿命损耗在计算服务器上，应用于火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步、读取火力发电机组在线测点数据：

数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息***从火力发电机组的分散控制***及在线测点读取主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、汽轮机转速、功率、凝汽器压力、给水压力、给水温度、发电机有功功率、功率因数、三相电流与电压、励磁电流、冷氢温度和热氢温度、锅炉锅筒的壁温测点数值、汽水分离器的壁温测点数值、高温集箱的壁温测点数值、低温集箱的壁温测点数值、主蒸汽管道的壁温测点数值、再热蒸汽管道的壁温测点数值；

第二步、计算重要部件的热应力：

针对火火力发电机组的转速与功率、蒸汽或氢气的压力、温度、部件壁温等在线测点的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型或圆柱模型等简化模型，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的温度场以及切向热应力σ_θthij、径向热应力σ_rthij和轴向热应力σ_zthij；

第三步、计算重要部件的机械应力：

针对火火力发电机组的转速与功率、蒸汽或氢气的压力、温度、部件壁温等在线测点的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型或圆柱模型等简化模型，在线计第i台火力发电机组第j个重要部件由于工作介质压力或工作转速引起的切向机械应力σ_θmchij、径向机械应力σ_rmchij和轴向机械应力σ_zmchij；

第四步、计算重要部件的复合应力：

按照下列公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的复合切向应力σ_θij、复合径向应力σ_rij和复合轴向应力σ_zij：

σ_θij＝σ_θthij+σ_θmchij；

σ_rij＝σ_rthij+σ_rmchij；

σ_zij＝σ_zthij+σ_zmchij；

第五步、计算重要部件的等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的等效应力的在线计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{eqij}}={\left[\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;ij}}-{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{rij}})}^2+{({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{rij}}-{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{zij}})}^2+{({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{zij}}-{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;ij}})}^2}{2}\right]}^{\frac{1}{2}};$

第六步、确定三个复合应力的最大应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最大应力σ_max的在线计算公式为：

σ_max＝max(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第七步、确定三个复合应力的最小应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最小应力σ_min的在线计算公式为：

σ_min＝min(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第八步、计算重要部件的实数域等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的实数域等效应力的在线计算公式为；

σ_ij＝σ_eqij×sign(σ_max+σ_min)；

式中，sign(σ_max+σ_min)为符号函数，若(σ_max+σ_min)>0，则sign(σ_max+σ_min)＝1；若(σ_max+σ_min)<0，则sign(σ_max+σ_min)＝-1；

第九步、划分具有相同正负号的应力时段：

针对第i台火力发电机组第j个重要部件实数域等效应力σ_ij的在线计算结果，根据实数域等效应力σ_ij的正数与负数的转变时刻，把实数域等效应力σ_ij在线计算结果的历史数据按照在线监视的时间顺序，区分为σ_ij≥0时段和σ_ij<0时段；

第十步、确定σ_ij≥0时段的峰值应力：

在某一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₁个实数域等效应力σ_ij均大于或等于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

σ_ijp＝max(σ_ij1，σ_ij2，…，σ_ijn1)；

第十一步、确定σ_ij<0时段的峰值应力σ_ijp：

在另一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₂个实数域等效应力σ_ij均小于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

σ_ijp＝max(|σ_ij1|，|σ_ij2|，…，|σ_ijn2|)；

第十二步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳应变幅：

采用如下公式计算i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称疲劳循环的低周疲劳应变幅ε_aij：

ε_aij＝(1+μ)σ_ijp／(1.5E)

式中，μ为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的泊松比，E为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的弹性模量；

第十三步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用重要部件材料的低周疲劳曲线ε_aij＝F(N_fij)，每隔Δτ计算1次，得出第i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称循环的低周疲劳寿命N_fij；

第十四步、计算重要部件峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗d_ijp：

d_ijp＝(2N_fij)^-1×100％：

第十五步、计算重要部件的累积低周疲劳寿命损耗：

第i台火力发电机组第j个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗E_Nij的在线计算公式表示为：

E_Nij＝E_Nij0+d_ijp；

式中，E_Nij0为第i台火力发电机组第j个重要部件累加前一个峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗后计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；

第十六步：确定第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗的最大值：

在第i台火力发电机组的m个重要部件中，累积低周疲劳寿命损耗的最大值E_Nmaxi的在线计算公式表示为：

E_Nmaxi＝max(E_Ni1，E_Ni2，…，E_Nim)；

第十七步、计算第i台机组的日历寿命损耗允许值：

在设计寿期内服役的第i台火力发电机组的日历寿命损耗允许值[E]_i的在线计算公式表示为：

第十八步、计算第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度：

第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i的在线计算公式表示为：

ΔE_i＝0.75×[E]_i-E_Nmaxi-0.25；

在累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i计算公式的等号右侧的0.75[E]_i，表示寿命损耗留有0.25的安全余量，以备高温部件的蠕变寿命损耗与低温部件的其他寿命损耗；

第十九步、第i台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

通过厂级监控信息装置和火力发电机组分散控制装置来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若0<ΔE_i<0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态，推荐的优化控制措施是按照火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来进行机组的启动、停机与负荷变动；

(2)若ΔE_i≥0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大，推荐的优化控制措施是增大主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，增大幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.1～0.3倍，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

(3)若ΔE_i≤0，表明第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小且累积低周疲劳寿命损耗大，建议减少主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，减少幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.2～0.6倍，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

第二十步：厂级多台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

把厂级多台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i从小到大排序，按照ΔE_i的大小进行厂级多台火力发电机组的优化运行控制，通过厂级监控信息装置和运行部门值长的优化调度来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若ΔE_i小表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小剩余寿命短，推荐的优化控制措施是多带基本负荷、少参与调峰，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

(2)若ΔE_i大表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗不大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大、剩余寿命长，推荐的优化控制措施是多参与调峰，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

第二十一步、打印输出结果：

根据需要打印输出火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线计算结果与控制措施，应用于火力发电机组的优化运行控制。

某座火力发电厂安装了3台亚临界300MW火力发电机组，对高压调节阀、高压转子、发电机护环、锅炉锅筒共4个重要部件，采用图1所示的装置、图2所示的方法和图3所示的计算机软件，计算得出的该座火力发电厂的3台火力发电机组的12个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗计算结果列于图4。

第一步：每隔Δτ＝1分钟，通过厂级监控信息***从3台火力发电机组的分散控制***及在线测点读取主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、汽轮机转速、功率、凝汽器压力、给水压力、给水温度、发电机有功功率、功率因数、三相电流与电压、励磁电流、冷氢温度和热氢温度、锅炉锅筒的壁温测点数值；

第二步和第十五步：从投产至2012年12月31日24时，3台300MW火力发电机组的4个重要部件的4个部位的累积低周疲劳寿命损耗E_Nij的计算结果列于表1；

[表1]

第十六步和第十八步：从投产至2012年12月31日24时，3台300MW火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗的最大值E_Nmaxi、日历寿命损耗允许值[E]_i、0.75[E]_i和累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i的在线计算计算结果列于表2；

[表2]

序号	重要部件名称	1号机组	2号机组	3号机组
					1	累积低周疲劳寿命损耗的最大值ENmaxi	0.3395	0.3305	0.4045
2	日历寿命损耗允许值[E]i	0.5933	0.5700	0.5367
					3	0.75[E]i	0.4450	0.4275	0.4025
3	累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔEi	0.1055	0.0970	-0.0020

第十九步：单台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

通过厂级监控信息装置和火力发电机组分散控制装置来控制这3台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)由于1号机的ΔE_i＝0.1055≥0.1，表明1号火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大，推荐的优化控制措施是增大主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，增大幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.1倍，以合理使用1号火力发电机组的剩余寿命；

(2)对于2号机的ΔE_i＝0.0970，由于0<ΔE_i<0.1，表明2号火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态，推荐的优化控制措施是按照火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来进行2号火力发电机组的启动、停机与负荷变动；

(3)因为3号机的ΔE_i＝-0.0020≤0，表明3号火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小且累积低周疲劳寿命损耗大，建议减少主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，减少幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.3倍，以延长3号火力发电机组的使用寿命；

第二十步至第二十一步：

通过厂级监控信息装置和运行部门值长的优化调度来控制这3台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：该座火力发电厂的3台火力发电机组的ΔE_i从小到大排序为：3号机ΔE_i＝-0.0020，2号机ΔE_i＝0.0970，1号机ΔE_i＝0.1055；3号机的ΔE_i最小表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小、剩余寿命短，推荐的优化控制措施是3号机多带基本负荷、少参与调峰，以延长3号火力发电机组的使用寿命；1号机的ΔE_i最大表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗不大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大、剩余寿命长，推荐的优化控制措施是1号机多参与调峰，以合理使用该台火力发电机组的低周疲劳寿命；打印该座火力发电厂单台与多台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制的输出结果，应用于该座火力发电厂的3台火力发电机组的优化运行控制。

采用本发明提供的火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的在线监视与控制装置及方法，可以在线定量计算该座火力发电厂3台300MW火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗，根据累积低周疲劳寿命损耗安全裕度来进行优化控制，1号机多参与调峰，3号机多带基本负荷、少参与调峰；1号火力发电机组增大主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动；2号火力发电机组按火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来进行机组的启动、停机与负荷变动；3号火力发电机组减少主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动；可以使这3台300MW火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态，达到了使用一套累积低周疲劳寿命损耗控制装置在线监视与控制该电厂3台300MW火力发电机组多个重要部件累积低周疲劳寿命损耗的技术效果。

Claims (1)

1.一种火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监控方法，其特征在于，采用C语言编写火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗的计算机软件，运行在累积低周疲劳寿命损耗在计算服务器上，应用于火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线监视与控制，其具体步骤为：

第一步、读取火力发电机组在线测点数据：

数据库服务器每隔Δτ＝0.1分钟至5分钟，通过厂级监控信息***从火力发电机组的分散控制***及在线测点读取主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽压力、再热蒸汽温度、调节级后蒸汽压力、调节级后蒸汽温度、一抽蒸汽压力、一抽蒸汽温度、高排蒸汽压力、高排蒸汽温度、中排蒸汽压力、中排蒸汽温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五抽蒸汽压力、五抽蒸汽温度、六抽蒸汽压力、六抽蒸汽温度、七抽蒸汽压力、八抽蒸汽压力、汽轮机转速、功率、凝汽器压力、给水压力、给水温度、发电机有功功率、功率因数、三相电流与电压、励磁电流、冷氢温度和热氢温度、锅炉锅筒的壁温测点数值、汽水分离器的壁温测点数值、高温集箱的壁温测点数值、低温集箱的壁温测点数值、主蒸汽管道的壁温测点数值、再热蒸汽管道的壁温测点数值；

第二步、计算重要部件的热应力：

针对火火力发电机组在线测点的数据变化，采用现有的简化模型，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的温度场以及切向热应力σ_θthij、径向热应力σ_rthij和轴向热应力σ_zthij；

第三步、计算重要部件的机械应力：

针对火火力发电机组在线测点的数据变化，采用现有的简化模型，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件由于工作介质压力或工作转速引起的切向机械应力σ_θmchij、径向机械应力σ_rmchij和轴向机械应力σ_zmchij；

第四步、计算重要部件的复合应力：

按照下列公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的复合切向应力σ_θij、复合径向应力σ_rij和复合轴向应力σ_zij：

σ_θij＝σ_θthij+σ_θmchij；

σ_rij＝σ_rthij+σ_rmchij；

σ_zij＝σ_zthij+σ_zmchij；

第五步、计算重要部件的等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的等效应力的在线计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{eqij}={\&lsqb;\frac{{({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;}ij}-{\mathrm{\&sigma;}}_{rij})}^2+{({\mathrm{\&sigma;}}_{rij}-{\mathrm{\&sigma;}}_{zij})}^2+{({\mathrm{\&sigma;}}_{zij}-{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{\&theta;}ij})}^2}{2}\&rsqb;}^{\frac{1}{2}};$

第六步、确定三个复合应力的最大应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最大应力σ_max的在线计算公式为：

σ_max＝max(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第七步、确定三个复合应力的最小应力：

在第i台火力发电机组第j个重要部件的三个复合应力中，确定最小应力σ_min的在线计算公式为：

σ_min＝min(σ_θij，σ_rij，σ_zij)；

第八步、计算重要部件的实数域等效应力：

第i台火力发电机组第j个重要部件的实数域等效应力的在线计算公式为：

σ_ij＝σ_eqij×sign(σ_max+σ_min)；

式中，sign(σ_max+σ_min)为符号函数，若(σ_max+σ_min)＞0，则sign(σ_max+σ_min)＝1；若(σ_max+σ_min)＜0，则sign(σ_max+σ_mm)＝-1；

第九步、划分具有相同正负号的应力时段：

针对第i台火力发电机组第j个重要部件实数域等效应力σ_ij的在线计算结果，根据实数域等效应力σ_ij的正数与负数的转变时刻，把实数域等效应力σ_ij在线计算结果的历史数据按照在线监视的时间顺序，区分为σ_ij≥0时段和σ_ij＜0时段；

第十步、确定σ_ij≥0时段的峰值应力：

在某一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₁个实数域等效应力σ_ij均大于或等于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{ijp}=\max ({\mathrm{\&sigma;}}_{ij1},{\mathrm{\&sigma;}}_{ij2},...,{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{ijn}}_1});$

第十一步、确定σ_ij＜0时段的峰值应力σ_ijp：

在另一时段，有第i台火力发电机组第j个重要部件的n₂个实数域等效应力σ_ij均小于0，则该时段第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力σ_ijp的在线计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{ijp}=\max \left(\left|{\mathrm{\&sigma;}}_{ij1}\right|,\left|{\mathrm{\&sigma;}}_{ij2}\right|,...,\left|{\mathrm{\&sigma;}}_{{\mathrm{ijn}}_2}\right|\right);$

第十二步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳应变幅：

采用如下公式，计算i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称疲劳循环的低周疲劳应变幅ε_aij：

ε_aij＝(1+μ)σ_ijp/(1.5E)；

式中，μ为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的泊松比，E为第i台火力发电机组第j个重要部件工作温度下材料的弹性模量；

第十三步、计算重要部件峰值应力对应的低周疲劳寿命：

采用现有技术，使用重要部件材料的低周疲劳曲线ε_aij＝F(N_fij)，每隔Δτ计算1次，得出第i台火力发电机组第j个重要部件峰值应力对应的对称循环的低周疲劳寿命N_fij；

第十四步、计算重要部件峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗：

采用如下公式，在线计算第i台火力发电机组第j个重要部件的峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗d_ijp：

d_ijp＝(2N_fij)^-1×100％；

第十五步、计算重要部件的累积低周疲劳寿命损耗：

第i台火力发电机组第j个重要部件的累积低周疲劳寿命损耗E_Nij的在线计算公式表示为：

E_Nij＝E_Nij0+d_ijp；

式中，E_Nij0为第i台火力发电机组第j个重要部件累加前一个峰值应力对应的瞬态低周疲劳寿命损耗后计算得出的累积低周疲劳寿命损耗；

第十六步、确定第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗的最大值：

在第i台火力发电机组的m个重要部件中，累积低周疲劳寿命损耗的最大值E_Nmaxi的在线计算公式表示为：

E_Nmaxi＝max(E_Ni1，E_Ni2，…，E_Nim)；

第十七步、计算第i台机组的日历寿命损耗允许值：

在设计寿期内服役的第i台火力发电机组的日历寿命损耗允许值[E]_i的在线计算公式表示为：

第十八步、计算第i台机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度：

第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i的在线计算公式表示为：

ΔE_i＝0.75×[E]_i-E_Nmaxi-0.25；

在累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i计算公式的等号右侧的0.75[E]_i，表示寿命损耗留有0.25的安全余量，以备高温部件的蠕变寿命损耗与低温部件的其他寿命损耗；

第十九步、第i台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

通过厂级监控信息装置和火力发电机组分散控制装置来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若0＜ΔE_i＜0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态，推荐的优化控制措施是按照火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的数值来进行机组的启动、停机与负荷变动；

(2)若ΔE_i≥0.1，表明第i台火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大，推荐的优化控制措施是增大主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，增大幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.1～0.3倍，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

(3)若ΔE_i≤0，表明第i台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小且累积低周疲劳寿命损耗大，建议减少主蒸汽温度变化率和负荷变化率来进行机组的启动、停机与负荷变动，减少幅度为火力发电机组制造企业提供的“产品使用说明书”的规定主蒸汽温度变化率和负荷变化率的原数值的0.2～0.6倍，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

第二十步、厂级多台机组累积低周疲劳寿命损耗的优化控制：

把厂级多台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗安全裕度ΔE_i从小到大排序，按照ΔE_i的大小进行厂级多台火力发电机组的优化运行控制，通过厂级监控信息装置和运行部门值长的优化调度来控制第i台火力发电机组累积低周疲劳寿命损耗：

(1)若ΔE_i小表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度小、剩余寿命短，推荐的优化控制措施是多带基本负荷、少参与调峰，以延长该台火力发电机组的使用寿命；

(2)若ΔE_i大表明该台火力发电机组的累积低周疲劳寿命损耗不大、累积低周疲劳寿命损耗安全裕度大、剩余寿命长，推荐的优化控制措施是多参与调峰，以合理使用该台火力发电机组的剩余寿命；

第二十一步、打印输出结果：

根据需要打印输出火力发电机组重要部件的累积低周疲劳寿命损耗在线计算结果与控制措施，应用于火力发电机组的优化运行控制。