专利名称：汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置及方法，属于汽轮发电机技术领域。
背景技术：
在汽轮发电机的运行中，转子护环是汽轮发电机中承受应力最大的部件，除了承受转子护环本身旋转产生的离心力外，还要承受汽轮发电机转子端部绕组产生的离心力、护环与转子本体的过盈配合应力、护环与中心环的过盈配合应力以及护环沿径向温度分布不均匀产生的热应力等，转子护环是影响汽轮发电机安全运行的关键部件。在汽轮发电机的启动、停机和负荷变动过程中，汽轮发电机转子绕组的励磁电流会发生变化。励磁损耗与励磁电流的平方成正比，励磁损耗绝大部分转变成热量。汽轮发电机转子端部绕组热量的变化将引起转子护环沿径向温度不均匀而产生大的热应力，导致汽轮发电机护环的等效应力发生变化，若控制不当，将会缩短汽轮发电机转子护环的使用寿命。现有技术中还不能实现汽轮发电机转子护环等效应力的监视与控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置及方法，实现汽轮发电机转子护环的等效应力的在线监视与控制。
为了实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置，其特征在于，包括等效应力计算服务器，等效应力计算服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮发电机的分散控制装置(DCS)相连接。
本发明还提供了上述装置所采用的汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环等效应力的计算机软件，运行在等效应力计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的等效应力在线监视与控制，其具体步骤为 第一步读取汽轮发电机在线测点数据 等效应力计算服务器每隔Δτ＝1秒至300秒，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机的分散控制装置的汽轮发电机的转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度以及热氢温度的数据； 第二步计算汽轮发电机转子护环的热应力 针对转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度和热氢温度的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环的温度场，以及转子护环不同半径处的切向热应力σθth、径向热应力σrth和轴向热应力σzth； 第三步计算汽轮发电机转子护环的离心应力 针对汽轮发电机转速的数据变化，采用现有技术的旋转厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环不同半径处的切向离心应力σθω、径向离心应力σrω和轴向离心应力σzω； 第四步计算汽轮发电机转子护环的复合应力 调用采用现有技术的承内压厚壁圆筒模型事先计算得出的汽轮发电机转子护环在承受过盈配合内压力下不同半径处的切向应力σθp、径向应力σrp和轴向应力σzp，汽轮发电机转子护环不同半径处的切向复合应力σθ、径向复合应力σr和轴向复合应力σz的计算公式分别为 σθ＝σθth+σθω+σθp； σr＝σrth+σrω+σrp； σz＝σzth+σzω+σzp； 式中 σθth——转子护环的切向热应力； σθω——转子护环的切向离心应力； σθp——转子护环由过盈配合产生的切向应力； σrth——转子护环的径向热应力； σrω——转子护环的径向离心应力； σrp——转子护环由过盈配合产生的径向应力； σzth——转子护环的轴向热应力； σzω——转子护环的轴向离心应力； σzp——转子护环由过盈配合产生的轴向应力； 第五步计算汽轮发电机转子护环的等效应力监视值 汽轮发电机转子护环不同半径处的等效应力监视值的在线计算公式为 第六步确定工作温度下材料的屈服极限 采用现有技术，根据汽轮发电机转子护环的材料高温力学性能的试验曲线，确定在工作温度t的汽轮发电机的转子护环材料的屈服极限σt0.2； 第七步在线计算汽轮发电机转子护环的相对等效应力 采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环相对等效应力Rs 第八步确定汽轮发电机转子护环的最大相对等效应力 采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环的n个部位的最大相对等效应力Rm Rm＝max{Rs1，Rs2，...Rsi，...Rsn}； 第九步控制汽轮发电机转子护环的等效应力 若Rm≤80％，按《汽轮发电机运行规程》的规定数值改变汽轮发电机的负荷变化率；若80％＜Rm＜100％，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮发电机转子护环的等效应力；若100％≤Rm＜[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以进一步降低汽轮发电机转子护环的等效应力；[R]为最大相对等效应力的界限值，[R]的取值范围为[R]＝125％～150％，对于基本负荷机组取下限值，对于调峰机组取上限值；若Rm≥[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以控制汽轮发电机转子护环的等效应力，并发出报警，一分钟后停机。
本发明具有以下特点 (1)在计算服务器上安装使用C语言编写的汽轮发电机转子护环等效应力监视值的计算机软件，根据软件设定的时间间隔Δτ＝1秒至300秒，从厂级监控信息装置(SIS)中读取在线监视的汽轮发电机的在线测点数据，在线实时计算汽轮发电机转子护环的等效应力和相对等效应力； (2)厂级监控信息装置(SIS装置)在等效应力控制方面具有两种功能，一是为等效应力监视和控制装置提供汽轮发电机的在线测点数据，二是把汽轮发电机转子护环等效应力控制措施传输给汽轮发电机的分散控制装置(DCS)，用来指导汽轮发电机的运行和操作。
本发明的优点是提供了汽轮发电机转子护环等效应力的在线监视与控制装置，实现了汽轮发电机转子护环等效应力的在线计算与控制。如果汽轮发电机转子护环的相对等效应力偏大时，通过在线实时控制汽轮发电机的负荷变化率来减少汽轮发电机转子护环的等效应力，达到了通过在线监视与控制汽轮发电机转子护环等效应力来保障汽轮发电机转子护环长周期安全运行的技术效果。
图1为本发明汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置的方框图； 图2为本发明汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制方法的流程图； 图3为本发明计算服务器采用的计算机软件框图； 图4为汽轮发电机转子护环相对等效应力计算结果的示意图。
具体实施例方式 下面结合实施例来具体说明本发明。
实施例 如图1所示，本发明汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置的方框图，本发明的汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置，包括汽轮发电机转子护环等效应力的计算服务器，等效应力计算服务器通过厂级监控信息装置(SIS装置)与汽轮发电机的分散控制装置(DCS)连接。
如图2所示，本发明汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制方法的流程图，如图3所示，本发明计算服务器采用的计算机软件框图，该软件安装在汽轮发电机转子护环等效应力的计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环等效应力的在线计算与控制。
对于某型号300MW汽轮发电机，带基本负荷，最大相对等效应力的界限值取为[R]＝125％，对转子护环，采用图1所示的装置、图2所示的流程图和图3所示的计算机软件，得出图4所示的汽轮发电机转子护环相对等效应力计算结果的示意图。
第一步读取汽轮发电机在线测点数据 数据库服务器每隔Δτ＝1秒钟，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机的分散控制装置的汽轮发电机转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度、热氢温度的数据； 第二步计算汽轮发电机转子护环的热应力 针对转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度和热氢温度的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环的温度场，以及不同半径处的切向热应力σθth、径向热应力σrth和轴向热应力σzth； 第三步计算汽轮发电机转子护环的离心应力 针对汽轮发电机转速的数据变化，采用现有技术的旋转厚壁圆筒模型在线计算汽轮发电机转子护环不同半径处的切向离心应力σθω、径向离心应力σrω和轴向离心应力σzω； 第四步计算汽轮发电机转子护环的复合应力 调用采用现有技术的承内压厚壁圆筒模型事先计算得出的汽轮发电机转子护环在承受过盈配合内压力下不同半径处产生的切向应力σθp、径向应力σrp和轴向应力σzp计算汽轮发电机转子护环不同半径处的切向复合应力σθ、径向复合应力σr和轴向复合应力σz； 第五步计算汽轮发电机转子护环的等效应力监视值 汽轮发电机转子护环不同半径处的等效应力监视值的在线计算公式为 第六步确定工作温度下材料的屈服极限 采用现有技术，根据汽轮发电机转子护环的材料高温力学性能的试验曲线，确定在工作温度t的汽轮发电机的转子护环材料的屈服极限σt0.2； 第七步在线计算汽轮发电机转子护环的相对等效应力 采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环相对等效应力Rs 计算得出的该型号300MW汽轮发电机在负荷变动的升负荷过程中，有功从150MW上升至210MW时，汽轮发电机转子护环6个部位的相对等效应力的计算结果如下 a.护环与转子红套部位外表面的相对等效应力Rs1＝73.80％ b.护环与转子红套部位内表面的相对等效应力Rs2＝83.89％ c.护环中间部位外表面的相对等效应力Rs3＝36.90％ d.护环中间部位内表面的相对等效应力Rs4＝45.45％ e.护环与中心环红套部位外表面的相对等效应力Rs5＝53.36％ f.护环与中心环红套部位内表面的相对等效应力Rs6＝55.42％ 第八步确定汽轮发电机转子护环的最大相对等效应力 采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环的6个部位的最大相对等效应力Rm Rm＝max{Rs1，Rs2，...Rs6}； 在该型号汽轮发电机转子护环的6个部位的相对等效应力的计算结果中，最大相对等效应力为Rm＝83.89％； 第九步控制汽轮发电机转子护环的等效应力 若Rm≤80％，按《汽轮发电机运行规程》的规定数值改变汽轮发电机的负荷变化率；若80％＜Rm＜100％，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮发电机转子护环的等效应力；若100％≤Rm＜[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以进一步降低汽轮发电机转子护环的等效应力，[R]为最大相对等效应力的界限值，[R]的取值范围为[R]＝125％；若Rm≥[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以控制汽轮发电机转子护环的等效应力，并发出报警，一分钟后停机。
在该型号汽轮发电机转子护环6个部位的相对等效应力的计算结果中，由于最大相对等效应力80％＜Rm≤100％，该型号300MW汽轮发电机的等效应力控制措施为减小汽轮发电机的负荷变化率，减小幅度为原数值的0.4倍，以减小该型号汽轮发电机转子护环的等效应力。
采用本发明提供的汽轮发电机转子护环等效应力的在线监视与控制装置，在线定量计算300MW汽轮发电机转子护环的等效应力和相对等效应力的监视值，根据最大相对等效应力来控制该型号300MW汽轮发电机在启动、停机和负荷变动过程的负荷变化率，使该型号汽轮发电机转子护环的等效应力处于受控状态，达到了采用等效应力控制装置来监视与控制汽轮发电机转子护环等效应力、指导运行操作以及保障转子护环长周期安全运行的技术效果。
权利要求
1.汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置，其特征在于，包括等效应力计算服务器，等效应力计算服务器通过厂级监控信息装置与汽轮发电机的分散控制装置相连接。
2.权利要求1所述装置采用的汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环等效应力的计算机软件，运行在等效应力计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的等效应力在线监视与控制，其具体步骤为
第一步读取汽轮发电机在线测点数据
等效应力计算服务器每隔Δτ＝1秒至300秒，从厂级监控信息装置读取来自汽轮发电机的分散控制装置的汽轮发电机的转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度以及热氢温度的数据；
第二步计算汽轮发电机转子护环的热应力
针对转速、有功、无功、励磁电流、励磁电压、氢气压力、冷氢温度和热氢温度的数据变化，采用现有技术的厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环的温度场，以及转子护环不同半径处的切向热应力σθth、径向热应力σrth和轴向热应力σzth；
第三步计算汽轮发电机转子护环的离心应力
针对汽轮发电机转速的数据变化，采用现有技术的旋转厚壁圆筒模型，在线计算汽轮发电机转子护环不同半径处的切向离心应力σθω、径向离心应力σrω和轴向离心应力σzω；
第四步计算汽轮发电机转子护环的复合应力
调用采用现有技术的承内压厚壁圆筒模型事先计算得出的汽轮发电机转子护环在承受过盈配合内压力下不同半径处的切向应力σθp、径向应力σrp和轴向应力σzp，汽轮发电机转子护环不同半径处的切向复合应力σθ、径向复合应力σr和轴向复合应力σz的计算公式分别为
σθ＝σθth+σθω+σθp；
σr＝σrth+σrω+σrp；
σz＝σzth+σzω+σzp；
式中
σθth——转子护环的切向热应力；
σθω——转子护环的切向离心应力；
σθp——转子护环由过盈配合产生的切向应力；
σrth——转子护环的径向热应力；
σrω——转子护环的径向离心应力；
σrp——转子护环由过盈配合产生的径向应力；
σzth——转子护环的轴向热应力；
σzω——转子护环的轴向离心应力；
σzp——转子护环由过盈配合产生的轴向应力；
第五步计算汽轮发电机转子护环的等效应力监视值
汽轮发电机转子护环不同半径处的等效应力监视值的在线计算公式为
第六步确定工作温度下材料的屈服极限
采用现有技术，根据汽轮发电机转子护环的材料高温力学性能的试验曲线，确定在工作温度t的汽轮发电机的转子护环材料的屈服极限σt0.2；
第七步在线计算汽轮发电机转子护环的相对等效应力
采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环相对等效应力Rs
第八步确定汽轮发电机转子护环的最大相对等效应力
采用如下公式，计算汽轮发电机转子护环的n个部位的最大相对等效应力Rm
Rm＝max{Rs1，Rs2，...Rsi，...Rsn}；
第九步控制汽轮发电机转子护环的等效应力
若Rm≤80％，按《汽轮发电机运行规程》的规定数值改变汽轮发电机的负荷变化率；若80％＜Rm＜100％，减小汽轮发电机的负荷变化率，减少幅度为原数值的0.2～0.6倍，以减小汽轮发电机转子护环的等效应力；若100％≤Rm＜[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以进一步降低汽轮发电机转子护环的等效应力；[R]为最大相对等效应力的界限值，[R]的取值范围为[R]＝125％～150％，对于基本负荷机组取下限值，对于调峰机组取上限值；若Rm≥[R]，控制汽轮发电机的负荷变化率为0，以控制汽轮发电机转子护环的等效应力，并发出报警，一分钟后停机。
全文摘要
本发明提供了一种汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制装置，其特征在于，包括等效应力计算服务器，等效应力计算服务器通过厂级监控信息装置与汽轮发电机的分散控制装置相连接。本发明还提供了采用上述装置的汽轮发电机转子护环等效应力在线监视与控制方法，其特征在于，采用C语言编写汽轮发电机转子护环等效应力的计算机软件，运行在等效应力计算服务器上，应用于汽轮发电机转子护环的等效应力在线监视与控制。本发明的优点是实现了汽轮发电机转子护环等效应力的在线计算与控制。
文档编号G05B19/418GK101763090SQ20091020140
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者史进渊, 兰吉勇, 欧阳葵, 毛建民, 杨宇, 韩德诚, 陈国华, 陈健中, 邓志成, 汪勇, 吴茜, 张琳 申请人:上海发电设备成套设计研究院, 上海外高桥发电有限责任公司, 上海上发院发电成套设备工程有限公司