[发明专利]一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法

摘要

本发明给出一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法，其特征在于，采用人工神经网络技术可实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线实时计算及在线实时监视与控制，如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数小于给定值，通过在线实时控制汽轮机主蒸汽的温度变化率、汽轮机的负荷变化率来增大汽轮机转子等效应力安全裕度系数，以减小汽轮机转子的低周疲劳寿命损伤，如果汽轮机转子等效应力安全裕度系数达到报警值时，发出报警，并在设定的时间内停机，本发明的优点是实现汽轮机转子等效应力安全裕度系数的快速、高准确性的在线实时计算和在线监视与控制。

主权项

1.一种汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线监控方法，其特征在于，采用人工神经网络技术，其方法由两个流程组成：第一流程：基于人工神经网络确定汽轮机转子等效应力修正系数第一步：采用现有技术的简化模型计算转子外表面名义等效应力σne 采用现有技术的简化模型离线计算汽轮机转子的温度场，把有中心孔的汽轮机转子简化为等厚壁圆筒模型，把无中心孔的汽轮机转子简化为等直径圆柱模型，采用差分法计算该简化模型的温度场；采用现有技术的解析公式计算转子外表面的名义离心应力、名义蒸汽压应力和名义热应力，汽轮机转子外表面名义等效应力σne的计算公式为：${\sigma }_{\mathrm{ne}}=\sqrt{{({\sigma }_{\mathrm{\theta t}}+{\sigma }_{\mathrm{\theta p}}+{\sigma }_{\mathrm{\theta th}})}^2+{\left({\sigma }_{\mathrm{zth}}\right)}^2-({\sigma }_{\mathrm{\theta t}}+{\sigma }_{\mathrm{\theta p}}+{\sigma }_{\mathrm{\theta th}})\left({\sigma }_{\mathrm{zth}}\right)}$ 式中：σθt-转子外表面名义切向离心应力σθp-转子外表面名义蒸汽压应力σθth-转子外表面名义切向热应力σzth-转子外表面名义轴向热应力第二步：确定瞬态等效应力修正系数yi 对于同型号汽轮机的同一根转子，按照实际结构尺寸建立两维或三维有限元模型，给定与步骤一相同的汽轮机的蒸汽温度、压力、转速和功率等的变化条件，采用现有技术的有限元模型离线计算，得出汽轮机转子外表面相同部位的等效应力σeqa，对于汽轮机启动过程、停机过程或负荷变动过程的瞬态时刻ti，有限元模型计算得出的转子外表面等效应力σeqa除以简化模型计算得出的转子表面名义等效应力σne，计算得出转子外表面的等效应力修正系数yi：yi＝σeqa/σne 第三步：建立计算等效应力修正系数y的人工神经网络建立三层人工神经网络模型，包括输入层、隐层和输出层，输入层由5个节点组成，5个输入层节点对应的5个物理量是：汽轮机主蒸汽压力P0、汽轮机主蒸汽温度t0、汽轮机工作转速n、汽轮机转子体积平均温度θm和汽轮机非稳态过程即启动过程、停机过程和负荷变动过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ0 ；隐层由10至20个节点组成；输出层只有一个节点，表示汽轮机转子等效应力的修正系数y；第四步：确定人工神经网络的连接权值及阈值每一个汽轮机转子瞬态等效应力的修正系数yi，都对应有一组汽轮机主蒸汽压力P0i、汽轮机主蒸汽温度t0i、汽轮机工作转速ni、汽轮机转子体积平均温度θmi和汽轮机非稳态过程的起始时刻汽轮机内缸金属监测温度θ0i，对于大量的启动过程、停机过程和负荷变动过程计算得出的Q个汽轮机转子等效应力的修正系数yi和Q组输入值，构成Q组训练样本，对Q组输入样本数据P0i，t0i，ni，θmi，θ0i和Q个输出值yi，采用批处理算法，以网络输出目标值和实际值输出的相对误差平方和作为性能函数进行训练，训练到网络的性能函数达到给定的0.025％，实现输入输出间的非线性映射，就可结束训练，可以得出该人工神经网络输入层节点与隐层节点间的连接权值、隐层节点与输出层节点间的连接权值、隐层节点的阈值和输出层节点的阈值；第五步：编写计算等效应力修正系数的人工神经网络软件由计算汽轮机转子等效应力修正系数y的人工神经网络模型与其节点之间的连接权值与节点的阈值，采用C语言编写计算等效应力修正系数y的计算软件，运行在汽轮机的参数监视与控制的计算机上；第二流程：汽轮机转子等效应力安全裕度系数在线计算、监视与控制第六步：采用简化模型在线实时计算名义等效应力采用现有技术的等厚壁圆筒或等直径圆柱的简化模型，在线实时计算汽轮机转子外表面名义等效应力σne；第七步：使用人工神经网络技术在线实时计算等效应力修正系数y输入在线监测的汽轮机主蒸汽压力P0、汽轮机主蒸汽温度t0、汽轮机工作转速n汽轮机非稳态过程起始时刻内缸金属监测温度θ0及在线计算得出的汽轮机转子体积平均温度θm，使用计算等效应力修正系数y的人工神经网络专用软件，实时计算得出汽轮机转子等效应力修正系数y；第八步：在线实时计算等效应力监视值σeq 使用计算机人工神经网络专用软件，在线实时计算汽轮机转子外表面等效应力的监视值σeq：σeq＝y×σne 第九步：在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σu 在线实时计算汽轮机转子材料的极限应力σu，汽轮机转子材料的极限应力σu取转子工作温度下材料的屈服强度σ0.2和材料工作1000小时的断裂强度σfr 的最小值：σu＝min{σ0.2；σfr}第十步：在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数SSA 在线实时计算汽轮机转子等效应力安全裕度系数，汽轮机转子等效应力安全裕度系数SSA为转子材料的极限应力σu与转子外表面等效应力监视值σeq的差同转子材料的极限应力σu之比：SSA＝(σu-σeq)/σu 第十一步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线监视与控制在线实时计算汽轮机转子的等效应力安全裕度系数SSA并与设定值比较，汽轮机转子等效应力安全裕度系数的监视与控制分为以下三种情况：若SSA≥20％，汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率按《汽轮机运行规程》的规定数值操作；若0＜SSA＜20％，减小汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；若-5％＜SSA≤0％，控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变动率为0，以增大汽轮机转子等效应力的安全裕度；第十二步：汽轮机转子等效应力安全裕度系数的在线报警和打闸停机在线实时计算汽轮机转子的应力安全裕度系数SSA，若-25％＜SSA≤-5％，发出报警，30分钟后跳闸停机；若SSA≤-25％，发出警报，1分钟后跳闸停机。