汽輪機(jī)高溫?zé)岵考勖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

王 鵬，李瀟瀟，李文福，陳 鋼

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240； 2.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

以故障維修、預(yù)防性計(jì)劃?rùn)z修為主的檢修體制曾經(jīng)是電廠機(jī)組設(shè)備檢修的主要方式。故障維修是當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生故障后再進(jìn)行維修的方法，屬事后維修，難以保證設(shè)備的安全性和可靠性。預(yù)防性計(jì)劃?rùn)z修多以機(jī)組的等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)(壽命)確定大修間隔，容易帶來維修不足或過度維修的問題：維修不足可能使得設(shè)備的故障率提高，可靠性降低，過度維修又意味著運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的降低。隨著發(fā)電設(shè)備向高參數(shù)、大容量、復(fù)雜化方向發(fā)展，其安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)社會(huì)的影響越來越大，這使得檢修投入也大幅度上升，該檢修機(jī)制也日益暴露出其缺陷。因此對(duì)設(shè)備實(shí)行更先進(jìn)、更科學(xué)的管理和檢修機(jī)制，無(wú)論從電廠自身的利益還是從社會(huì)的要求出發(fā)，都勢(shì)在必行[1]。

狀態(tài)檢修是一種新的檢修模式，通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段、設(shè)備特性評(píng)價(jià)方法去監(jiān)測(cè)和評(píng)估設(shè)備的實(shí)際工作狀況，基于對(duì)設(shè)備安全可靠性的定量評(píng)估結(jié)果，指導(dǎo)后續(xù)運(yùn)行計(jì)劃及檢修安排工作。狀態(tài)檢修技術(shù)可幫助電廠延長(zhǎng)定期檢修間隔，減少檢修時(shí)間，提高設(shè)備可靠性。

閥門、汽缸和轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)機(jī)組的三大重要高溫?zé)岵考?，也是檢修工作的重點(diǎn)對(duì)象，其壽命消耗以低周疲勞和高溫蠕變損傷為主。低周疲勞取決于循環(huán)(啟停)次數(shù)及瞬態(tài)變化過程中的應(yīng)力峰值大小，蠕變損傷主要取決于高溫工況下累積運(yùn)行的時(shí)間和部件體內(nèi)部應(yīng)力水平的高低。疲勞和蠕變損傷累積達(dá)到“1”，便意味著機(jī)組部件無(wú)裂紋壽命的終止。

除此之外，靈活運(yùn)行和優(yōu)化運(yùn)行一直是汽輪機(jī)行業(yè)研究和發(fā)展的重要方向。靈活運(yùn)行一般要求機(jī)組具有快速啟動(dòng)、頻繁啟動(dòng)的能力，并能夠支持負(fù)荷快速變化，以適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)能結(jié)構(gòu)深度調(diào)峰、快速調(diào)峰的性能要求。上述這些動(dòng)作將會(huì)引起蒸汽參數(shù)在機(jī)組內(nèi)部空間和時(shí)間維度上發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致部件內(nèi)部形成較大的徑向溫度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，由此造成的低周疲勞壽命損耗是機(jī)組靈活運(yùn)行面臨的首要問題。優(yōu)化運(yùn)行不僅要求提高機(jī)組的循環(huán)效率，還以降低啟動(dòng)、停機(jī)及變負(fù)荷過程中部件結(jié)構(gòu)的疲勞壽命損耗為目標(biāo)?？梢?，部件結(jié)構(gòu)的疲勞壽命損耗是汽輪機(jī)靈活運(yùn)行以及優(yōu)化運(yùn)行的主要依據(jù)之一。

上海汽輪機(jī)廠(下稱上汽廠)所開發(fā)的汽輪機(jī)高溫?zé)岵考勖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過借助機(jī)組現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，記錄關(guān)鍵熱部件，如閥門、汽缸、轉(zhuǎn)子關(guān)鍵區(qū)域等的熱應(yīng)力載荷譜，并結(jié)合基于物理機(jī)理模型的分析計(jì)算方法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法，對(duì)重要高溫?zé)岵考钠谌渥儔勖鼡p傷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)基于對(duì)關(guān)鍵部件健康狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)電廠狀態(tài)檢修提供有力支撐，而且可完成對(duì)實(shí)際運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)分析和評(píng)估，探討滿足業(yè)主私人定制要求的啟動(dòng)方案，制定優(yōu)化啟動(dòng)策略，如給出優(yōu)選的升速率以及負(fù)荷和蒸汽溫度變化率，并可指導(dǎo)機(jī)組的啟停、變工況運(yùn)行，優(yōu)化機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性和靈活性運(yùn)行指標(biāo)。

1 健康-壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

1.1 基本架構(gòu)

圖1所示為汽輪機(jī)高溫?zé)岵考勖O(jiān)測(cè)模塊的基本架構(gòu)。該模塊是在現(xiàn)有廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Information System，SIS)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，包括數(shù)字電液(Digital Electric Hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)的基礎(chǔ)上，通過增加數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)，并將計(jì)算獲得的壽命損耗結(jié)果(部件健康狀態(tài))實(shí)時(shí)在線顯示，供用戶查看。

圖1 壽命在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖(就地部署方案)

基于該架構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)具有單向傳遞的特點(diǎn)，布置時(shí)只需向工業(yè)過程實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)索取數(shù)據(jù)“讀取”權(quán)限。該系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)對(duì)電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更改，更不會(huì)對(duì)DEH、DCS底層控制系統(tǒng)構(gòu)成危險(xiǎn)，保證了機(jī)組的運(yùn)行和控制安全。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器和網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器單獨(dú)配置，不影響現(xiàn)有控制系統(tǒng)架構(gòu)。模塊采用B/S架構(gòu)模式，電廠用戶通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽器或移動(dòng)終端訪問的方式，能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)組高溫關(guān)鍵熱部件的壽命損耗情況。

1.2 工作流程

汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)模塊的工作流程及大致內(nèi)容如圖2所示，可細(xì)分為數(shù)據(jù)層、處理層、結(jié)果層以及信息挖掘?qū)?。該模塊的運(yùn)作需要借助部件的材料數(shù)據(jù)(包含物理性能數(shù)據(jù)、疲勞特性數(shù)據(jù)、高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)等)和幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并需要詳細(xì)的有限元模型(Finite Element Model，F(xiàn)EM)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)流場(chǎng)仿真分析結(jié)果?；谄?、蠕變以及二者交互作用下的數(shù)學(xué)損傷模型，汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過分析挖掘機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并采用基于機(jī)理模型的分析計(jì)算方法[2-4]或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法(如圖3所示)，可實(shí)時(shí)獲得機(jī)組關(guān)鍵熱部件的壽命損傷狀況，即健康狀態(tài)。

圖2 汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意圖

圖3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法的汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意圖

通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可基于即時(shí)壽命消耗量指出現(xiàn)有操作中的不合理項(xiàng)，并給出優(yōu)化運(yùn)行建議；累積壽命消耗量的信息可幫助用戶制定后續(xù)運(yùn)行方案，優(yōu)化現(xiàn)有運(yùn)行策略，也可為機(jī)群內(nèi)多臺(tái)機(jī)組的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供指導(dǎo)；部件的剩余壽命量的信息可為電廠狀態(tài)檢修模式提供支撐，并可提供重點(diǎn)排查建議，明確重點(diǎn)檢修部件。借助熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電廠狀態(tài)檢修機(jī)制，并可為機(jī)組實(shí)現(xiàn)靈活、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供指導(dǎo)。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

關(guān)于熱部件疲勞蠕變壽命損傷的評(píng)估已不是一個(gè)新話題，許多高校院所和電科院等都已開展研究，相關(guān)報(bào)道也很多[5-7]，但由于缺乏真實(shí)材料數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)幾何數(shù)據(jù)的支撐，以及對(duì)汽輪機(jī)高溫部件壽命損傷機(jī)理認(rèn)知不足，導(dǎo)致所能監(jiān)測(cè)的部件只局限于轉(zhuǎn)子[5-6]，而不能對(duì)其他設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行全面把握，所作出的壽命損傷評(píng)估也與實(shí)際存有較大偏差，致使其對(duì)狀態(tài)檢修模式的支撐力度大打折扣。

提高熱部件壽命健康監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度是發(fā)展壽命在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心。上汽廠在該方面已開展大量研究工作，大致涉及如下方面：

1)數(shù)學(xué)損傷模型的建立。疲勞及蠕變損傷是汽輪機(jī)高溫關(guān)鍵熱部件的主要壽命損傷形式。上汽廠通過調(diào)研國(guó)際主流結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(如美國(guó)ASME BPVC、歐盟EN12952、英國(guó)R5規(guī)范、法國(guó)RCC-MR規(guī)范等)以及國(guó)外先進(jìn)設(shè)備制造商的分析計(jì)算方法，結(jié)合相關(guān)疲勞蠕變力學(xué)理論知識(shí)，建立了適用于汽輪機(jī)高溫部件的壽命損傷評(píng)估方法體系。

2)監(jiān)測(cè)手段的完善。汽輪機(jī)一鍵啟停自動(dòng)控制功能在上汽廠設(shè)計(jì)的機(jī)組中已被廣泛應(yīng)用，而且上汽廠對(duì)高溫部件配備有完善的溫度監(jiān)測(cè)機(jī)制。無(wú)需新增測(cè)點(diǎn)，該系統(tǒng)可直接借助現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)完成熱部件壽命損耗的定量分析評(píng)估工作。對(duì)于運(yùn)行過程中希望配置該系統(tǒng)的機(jī)組，汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，確定部件當(dāng)前狀態(tài)的已有壽命損耗量，并作為基礎(chǔ)值開展后續(xù)的壽命評(píng)估工作。

對(duì)于未配備一鍵啟停技術(shù)的機(jī)組，當(dāng)高溫關(guān)鍵熱部件的溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不足時(shí)，可以新增測(cè)點(diǎn)。目前，上汽廠成立的專業(yè)小組可在機(jī)組檢修期間完成現(xiàn)場(chǎng)增補(bǔ)溫度測(cè)點(diǎn)的技術(shù)制定、工藝方案實(shí)施工作，并已在某1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組上成功開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作，如圖4所示。現(xiàn)場(chǎng)共布置測(cè)點(diǎn)186處，涉及高壓閥門、高壓汽缸、中壓內(nèi)外汽缸等部件。該工作為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。此外，所搭建的汽輪機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸功能，為后續(xù)展開的故障遠(yuǎn)程診斷打通了“脈絡(luò)”。

(a)中壓內(nèi)缸溫度測(cè)點(diǎn)布置

(b)中壓外缸溫度測(cè)點(diǎn)布置

(c)高壓外缸溫度測(cè)點(diǎn)布置

3)原始運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效處理。來自電廠工業(yè)過程實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速、功率、蒸汽溫度、部件金屬溫度等，均會(huì)被數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采集。合理制定運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效性判斷機(jī)制和冗余測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的篩選處理機(jī)制，是獲取可信的監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)的前提。上汽廠結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，通過改進(jìn)控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中冗余測(cè)點(diǎn)信號(hào)、壞點(diǎn)信號(hào)、超限測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等的處理方法，制定了原始運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理規(guī)則，保證了運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效性、真實(shí)性及可靠性。

4)循環(huán)計(jì)數(shù)法的精確化。計(jì)數(shù)法是用來將應(yīng)力/載荷-時(shí)間歷程簡(jiǎn)化為一系列全循環(huán)或半循環(huán)的過程，用以循環(huán)計(jì)數(shù)的方法。其主要可分為單參數(shù)和雙參數(shù)計(jì)數(shù)法，前者如峰值計(jì)數(shù)、穿級(jí)計(jì)術(shù)、量程計(jì)數(shù)等，后者如雨流計(jì)數(shù)法、過渡矩陣計(jì)數(shù)法等。對(duì)于比較規(guī)則的應(yīng)力載荷譜，選擇上述任意一種計(jì)數(shù)法都不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。但汽輪機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、變負(fù)荷等瞬態(tài)運(yùn)行工況會(huì)導(dǎo)致部件內(nèi)部產(chǎn)生極不規(guī)則的應(yīng)力載荷譜，采用不同的計(jì)數(shù)方法，可能會(huì)得到迥異的計(jì)算分析結(jié)果。上汽廠根據(jù)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)件的載荷譜類型特點(diǎn)，在開展了大量相關(guān)的材料試驗(yàn)后，確定了一種具有工程預(yù)測(cè)精度的計(jì)數(shù)方法，用于對(duì)實(shí)時(shí)記錄的部件應(yīng)力載荷譜進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)。利用該方法，上汽廠已對(duì)數(shù)十臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，達(dá)到了預(yù)期效果，進(jìn)而保證了壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

5)收集真實(shí)的部件疲勞蠕變特性數(shù)據(jù)。將宏觀唯象的損傷力學(xué)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壽命計(jì)算和安全分析中，該理論方法使用方便，但它著重考慮了損傷對(duì)材料宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，以及結(jié)構(gòu)的損傷演化過程，而不考慮損傷的物理背景和材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化。而細(xì)觀方法下的損傷力學(xué)則指出，部件表面的粗糙度、材料結(jié)構(gòu)組織的晶粒度等都是影響部件壽命的主要因素。不同的制造、鍛造、冶煉工藝以及加工技術(shù)要求等，都會(huì)造成上述因素的不同。此外服役環(huán)境、部件尺寸大小等也會(huì)給部件的壽命預(yù)測(cè)帶來較大的差異。不同制造廠的材料體系、加工制造技術(shù)要求不同，而這些差異又會(huì)導(dǎo)致部件壽命預(yù)測(cè)的較大偏差。上汽廠根據(jù)部件的服役特點(diǎn)，大量開展工廠體系內(nèi)材料的疲勞及蠕變特性研究，獲取了可靠的部件疲勞蠕變特性數(shù)據(jù)，這些都為部件疲勞蠕變壽命損傷的預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

6)關(guān)鍵部件的全覆蓋。借助CFD和FEM仿真分析手段，上汽廠通過跟蹤模擬機(jī)組的真實(shí)啟動(dòng)、停機(jī)及變負(fù)荷等瞬態(tài)過程中的部件溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化歷程，確定閥門、汽缸和轉(zhuǎn)子部件的危險(xiǎn)區(qū)域，并針對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力變化與監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的溫度數(shù)據(jù)，建立其空間及時(shí)間上的映射關(guān)系，以進(jìn)行部件壽命損傷的精準(zhǔn)評(píng)估。壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有關(guān)鍵熱部件的覆蓋式監(jiān)測(cè)。

7)運(yùn)行優(yōu)化建議的制定。監(jiān)測(cè)部件的壽命損耗量，為狀態(tài)檢修模式提供數(shù)據(jù)支撐，是汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)主要功能，而如何優(yōu)化運(yùn)行方案，也是本系統(tǒng)的一個(gè)重要任務(wù)。本系統(tǒng)通過對(duì)部件的運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，結(jié)合疲勞損傷數(shù)學(xué)模型，指導(dǎo)現(xiàn)有操作和運(yùn)行過程，給出改變升負(fù)荷率、升速率、蒸汽溫度變化率等操作建議，保證部件壽命的合理充分利用，提高機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。優(yōu)化前后的兩種啟動(dòng)方案對(duì)應(yīng)的部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化歷程如圖5所示，可見花費(fèi)相同的啟動(dòng)時(shí)間，優(yōu)化后的啟動(dòng)方案所消耗的壽命量明顯減少。

圖5 優(yōu)化前后啟動(dòng)方案對(duì)應(yīng)的部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化歷程的對(duì)比

3 成果展示

3.1 現(xiàn)場(chǎng)布置

系統(tǒng)配置部署工作可采用就地布置方案在電廠控制系統(tǒng)機(jī)房快速完成。汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)模塊硬件系統(tǒng)可以以圖6所示的機(jī)柜模塊化交付用戶。機(jī)柜布置于電廠DCS或SIS機(jī)房，其尺寸與電廠的機(jī)房機(jī)柜相同，整體布置美觀。

圖6 汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)模塊硬件系統(tǒng)

3.2 系統(tǒng)畫面展示

汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)模塊采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)模式，電廠用戶通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽器或移動(dòng)終端訪問的方式，能夠?qū)崟r(shí)了解機(jī)組高溫關(guān)鍵熱部件的壽命損耗情況，壽命監(jiān)測(cè)模塊的部分顯示畫面如圖7所示。

(a)壽命狀態(tài)監(jiān)測(cè)畫面

(b)部件詳細(xì)狀態(tài)信息畫面

熱部件壽命監(jiān)測(cè)畫面匯總展示了所監(jiān)測(cè)的汽輪機(jī)高溫部件的低周疲勞壽命損傷、蠕變損傷以及二者交互作用導(dǎo)致的總壽命損傷量。此外，該系統(tǒng)還對(duì)機(jī)組的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)次數(shù)、等效運(yùn)行小時(shí)數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)展示。

部件詳細(xì)展示畫面則以所監(jiān)測(cè)的所有高溫部件為單位，詳細(xì)展示部件內(nèi)部的溫度實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)，并可按月度對(duì)壽命累積損傷量進(jìn)行展示。

3.3 運(yùn)行業(yè)績(jī)

上汽廠開發(fā)的汽輪機(jī)熱部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已被應(yīng)用于某1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)和350 MW超臨界空冷機(jī)組。作為電廠智慧化建設(shè)的重要組成部分，該系統(tǒng)為按需、科學(xué)地檢修機(jī)組設(shè)備，以及機(jī)組的靈活優(yōu)化運(yùn)行提供了支撐。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了上汽廠所研發(fā)的汽輪機(jī)高溫?zé)岵考勖诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)展示了系統(tǒng)的架構(gòu)、工作流程及功能內(nèi)容。相比市場(chǎng)上的已有產(chǎn)品，上汽廠借助設(shè)備制造商的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，所研發(fā)的汽輪機(jī)高溫?zé)岵考勖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更高的預(yù)測(cè)精度，可為優(yōu)化電廠設(shè)備狀態(tài)檢修模式提供有力支撐，同時(shí)還可為優(yōu)化機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行中的操作提供指導(dǎo)。