汽轮机转子热应力在线监测系统的开发

王光定，郑　率，孟召军，李　格，陈　奇

(1.沈阳工程学院 a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136;

2.辽宁省电力有限公司 锦州检修分公司，辽宁 锦州 121000)



汽轮机转子热应力在线监测系统的开发

王光定1a，郑率2，孟召军1b，李格1a，陈奇1a

(1.沈阳工程学院 a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136;

2.辽宁省电力有限公司 锦州检修分公司，辽宁 锦州 121000)

摘要：在汽轮机启停过程中，转子热应力一直是影响机组使用寿命的重要因素，然而无论是解析计算还是数值计算都无法达到对热应力在线监测的目的。针对这一问题，建立600 MW汽轮机转子热应力数学模型，对所得到的热应力数学模型进行编程，利用组态软件，结合PLC等硬件设备，开发汽轮机转子热应力在线监测系统。最后，利用所开发的系统对机组启动过程中转子热应力进行离线仿真。结果表明，所开发的汽轮机转子热应力在线监测系统能够很好地实现对热应力在线监测。

关键词：汽轮机转子;热应力;在线监测;组态

汽轮机启动、停机以及负荷的变化会导致金属部件温度的变化，属于汽轮机的暂态工况。在暂态工况下，由于蒸汽参数的变化，汽轮机内部的传热过程是不稳定的，进而造成金属内部温度分布不均匀，严重影响机组的使用寿命[1-3]。为了减少暂态过程中汽轮机部件的寿命消耗，必须控制热应力。而汽轮机转子的寿命即代表了机组的使用寿命，因此实现对转子热应力的在线监测对优化机组运行、延长机组使用寿命具有重大的意义。

目前，计算转子热应力的方法有解析法和数值法。解析法建模是将转子看作是无限长圆柱体的一维模型，根据一维不稳定导热微分方程求得温度分布，通过体积平均温度差来计算转子内外表面的热应力，其计算结果误差较大，但计算速度快；而数值方法中，有限元法可较精确地模拟出转子温度场和应力场的分布，但计算时间长，不适用于在线监测系统[4]。

1汽轮机转子热应力数学模型的建立

1.1温度场数学模型

根据一维解析法，假设转子外径为R0，内径为Rb，且断面上的温度是沿转子的轴线对称分布的，并认为其放热系数为常数，则转子上的温度分布仅是时间和半径的函数。其一维非稳态导热微分方程为[4-5]

(1)

当转子的初始温度与初始汽温相同，并处于均匀状态时，根据一维非稳态导热微分方程，当汽温随时间呈线性变化时，转子任意半径处温度随时间的变化可用下式表示[5]：

(2)

(3)

如取r为外半径R0，则可得转子表面的温度为

(4)

如取r为轴中心孔半径Rb，则转子中心孔的近似温度为

(5)

将式(4)与式(5)相减，则可得到转子外表面与中心孔的全温差为

(6)

式(6)表明，转子内外表面的温差与蒸汽的温升率及转子内、外直径的平方差成正比，与材料导温系数α成反比。

由式(2)、式(3)求得转子任一半径r处的温度t后，即可由下列积分式求得转子的体积平均温度：

(7)

1.2热应力数学模型

通过温度场模型计算得到转子任意半径处的温度后，将体积平均温度式(7)和由式(2)算得到的内外表面温度代人热应力基本方程式：

经整理可得到下列内外表面的热应力计算式[5]：

外表面：

(8)

中心孔：

(9)

其中，E为材料弹性模量，β为材料线胀系数，ν为泊桑比，取0.3。

当进入准稳态后，上两式中指数项e-β2πF0趋近于0，两式可化简为

(10)

(11)

2系统硬件设计

汽轮机转子热应力在线监测系统的硬件主要由检测单元、控制单元、24 V直流电源、配电箱等组成。

2.1检测单元

根据所建立的汽轮机转子热应力在线监测数学模型，系统开发所需要的运行参数为转子的温度，考虑到汽轮机转子的工作环境，选用WZP2088型温度传感器对转子温度进行测量，其温度量程范围如表1所示。

表1　WZP2088型温度变送器量程范围

2.2控制单元

控制单元是整个系统的核心，所开发的系统中具有2个数字量、1个模拟量。因此，采用S7-200系列PLC作为系统的控制单元，其结构简单，可靠性极高，易于掌握，具有便捷的操作性。所选用的CPU模块为CPU222，模拟量输入输出模块EM235，EM235模块具有4路模拟量输入，1路模拟量输出，能满足系统的要求。系统的I/O地址分配表如表2所示。

表2　I/O口地址分配

2.3系统工作原理

该系统在工作时，利用温度传感器测取指定处汽缸壁的温度来代替转子的温度，通过变送器转换成4～20 mA电流信号，再由模拟量输入输出模块EM235将所测得的模拟量信号转换成数字量传送到PLC。PLC控制器与上位机之间通过RS485-RS232的转换接口来实现两者之间的通讯，再通过组态监控软件对PLC传送过来的温度参数数据进行监控，对热应力进行实时计算，利用人机界面建立转子热应力实时趋势曲线，实现对汽轮机转子热应力的在线监测。系统硬件结构如图1所示。

图1　系统硬件结构

3监控程序的设计

通过测温设备采集到的汽轮机转子危险部位处的温度数据，经处理器处理后，传输给上位机。在上位机中利用组态软件编写程序计算出汽轮机转子的温度场，进而计算出监测点的热应力。再通过组态软件绘制出汽轮机监测点的实时应力曲线，并生成转子热应力数据报表，通过人机界面显示出来。在编写的程序中，设定应力限值，判断得到的应力值是否超限。如果超限，报警器发出报警指示，指导汽轮机运行人员及时操作；如果所得到的应力值未超过限值，则整个系统继续循环工作。系统软件流程如图2所示。

4系统离线仿真实验

4.1系统监控界面的设计

汽轮机转子热应力在线监测系统进行离线仿真实验时，需在组态软件中对监控界面进行设计。监控界面的设计主要包括硬件配置、建立实时数据库和设计监控画面[6]，所配置的I/O设备如图3和图4所示。

图2　系统软件流程

图3　设置I/O设备相关参数

通过实时数据库，来实现上位机与下位机之间的联系，在屏幕上以动画的形式呈现现场生产过程，迅速传达操作者在上位机前发布的操作指令。数据库中变量的类型包括历史趋势曲线变量、I/O 变量、内存变量、时间变量、报警窗口变量等，如图5所示。

图4　所配置的I/O设备

图5　所需定义的变量

4.2转子热应力在线监测实验结果分析

汽轮机转子热应力在线监测系统仿真实验结果如图6、图7、图8所示。图6为机组启动过程主蒸汽温度实时监测曲线，图7为机组启动过程汽轮机转子热应力实时监测曲线，图8为数据参数动态显示界面。由实验结果可以看出，组态软件不但能通过实时趋势曲线将变量以曲线的形式直观地显示出来，而且还能通过面板数字形式动态地呈现出来。同时，在汽轮机运行过程中，任何所需要监测的变量都可以通过创建实时趋势曲线或者定义变量的形式呈现在监控界面中，实现对变量的在线监测，从而证实了该系统具有良好的监测效果。

图6　机组启动过程主蒸汽温度实时监测曲线

图7　机组启动过程汽轮机转子热应力实时监测曲线

图8　数据参数动态显示界面

5结语

由于汽轮机本身结构和工作条件的束缚，其转子热应力无法通过检测仪表直观地显示出来，只能利用数学解析法和数值法进行计算。而这两种方法本身存在弊端，无法达到在线实时监测的目的，所以只能针对特定机组的转子建立热应力数学模型，利用软件编程开发的方法实现对转子热应力的在线监测。通过对汽轮机转子的温度场和应力场建立数学模型，利用组态软件很好地实现了对转子热应力的在线监测，只要从现场测取的参数准确，就能得到较为精确的计算结果。当机组因启停或变工况而使应力过大或超限时，系统能迅速发出报警信号，指导运行人员进行相应的操作。

参考文献

[1]李维特,黄保海,毕仲波.热应力理论分析及应用[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]孟召军，王光定，孟帅.超超临界600MW汽轮机调节级温度场的分析[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2014,10(3)：217-220.

[3]武新华，宋春汀，张新江，等.汽轮机转子热应力简化计算公式的选取[J].汽轮机技术，2000，42(1)：20-23.

[4]孟召军，王光定，孟帅.600MW超超临界汽轮机转子热应力在线监测模型的研究[J].汽轮机技术，2015,57(1)：23-24.

[5]张保衡.大容量火电机组寿命管理与调峰运行[M].北京：水利电力出版社，2001.

[6]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

(责任编辑张凯校对佟金锴)

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

中图分类号：TK263

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)01-0023-05

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

作者简介：王光定(1989-)，男，安徽合肥人，硕士研究生。通讯作者： 孟召军(1970-)，男，辽宁凌源人，副教授，硕士生导师，主要从事旋转机械状态监测与故障诊断及性能优化方面的研究。

收稿日期：2015-06-12