4台300 MW火电机组寿命管理系统的设计与应用

史进渊, 施 俊, 杨 宇, 徐俊强, 徐伟跃, 邓志成, 吴 茜

(1.上海发电设备成套设计研究院,上海 200240;2.上海外高桥发电有限责任公司,上海 200137)

1 技术背景

火力发电机组的重要部件包括:汽轮机转子、汽缸、阀壳,锅炉汽包、集箱、三通、蒸汽管道,发电机转子护环、定子绕组绝缘,主变压器绝缘等,其特点是尺寸大、造价昂贵和使用寿命较长.在火力发电机组的启动、停机和变负荷过程中,由于部件的不均匀加热或冷却,会产生比较大的热应力和低周疲劳寿命损耗,使用操作不当将会缩短重要部件的使用寿命.在火力发电机组的带负荷运行过程中,高温部件产生蠕变寿命损耗,电老化与热老化导致绝缘寿命损耗,这些也会影响重要部件的使用寿命.寿命管理是一种新的设备管理方式,对汽轮机、锅炉、发电机和主变压器的重要部件进行寿命管理,使其重要部件的寿命处于受控状态,可以减少火电机组的非计划停运次数,避免设备重大事故.上海外高桥发电有限责任公司在多年开展300 MW火电机组状态检修的基础上,立项开展300 MW机组主要设备重要部件的寿命管理系统,对于保障外高桥300 MW火电机组的长期安全运行具有积极作用.应用专利技术[1-5],采用一套寿命管理系统对外高桥300 MW火电机组的几十个重要部件进行寿命管理,具有强大的生命力和广阔的应用前景.

2 硬件设计

上海外高桥发电有限责任公司4台300 MW机组为上海电气电站集团制造的引进型300 MW机组,其重要部件寿命管理系统的总体结构设计方案见图1.

图1 寿命管理系统的总体结构Fig.1 Overall structure of the life management system

该寿命管理系统的硬件支撑平台由4台300 MW机组的厂级信息监控系统(SIS)、4台扭振寿命监测装置、1台数据库服务器、2台应用服务器、1台网页服务器和几十台用户端浏览器组成.扭振参数为快变信号,由扭振寿命监测装置提供,温度、压力、流量、壁温、转速、功率、电流和电压等参数为慢变信号,由厂级信息监控系统提供.数据库服务器保存寿命管理所需要的有关数据,2台应用服务器完成剩余寿命计算,网页服务器根据用户端浏览器的请求作出响应,生成寿命管理结果的显示页面,供用户端浏览器浏览.

4台机组重要部件整个寿命管理的硬件系统采用3层架构,包括数据服务层、应用计算层和显示层.中间层为应用计算层,它将数据服务层和显示层隔开,可完成寿命计算与逻辑判断,显示层的网页服务器必须通过应用计算层才能获取数据服务层的寿命计算结果.

3 软件模块

寿命管理的计算软件系统采用模块化技术,各寿命计算软件模块可以独力升级.该4台300 MW机组寿命管理软件系统由图2所示的5个寿命计算软件和11个软件模块组成,其中11个软件模块安装在4台扭振寿命监测装置和2台应用服务器上.由于扭振信号是快变信号,每台机组配置一台扭振寿命监测装置,在每台轴系扭振寿命监测装置上均安装扭振寿命损耗计算软件模块.在应用计算层的2台应用服务器上,安装寿命管理软件的其他10个寿命计算软件模块.对于4台300 MW机组,除轴系扭振寿命管理之外其他重要部件的10个寿命管理系统,4台机组共用一套寿命管理软件的10个软件模块,每个计算软件采用多线程方式同时进行4台机组重要部件的寿命计算.

图2 火电机组重要部件寿命管理系统的软件模块Fig.2 Soft ware modules in the life management system for important components of coal-fired power generation units

4 系统功能

4台300 MW火电机组重要部件的寿命管理系统具有以下5项主要功能.

4.1 在线测点数据监测

汽轮机耐用件寿命管理所需的测点数据包括:汽轮机转速、发电机有功功率、主蒸汽压力和温度、再热蒸汽压力和温度、调节级后蒸汽压力和温度、一级抽汽蒸汽压力和温度、高压缸排汽蒸汽压力和温度、中压缸排汽蒸汽压力和温度、高压内缸金属温度、中压内缸金属温度、五级抽汽蒸汽压力和温度、六级抽汽蒸汽压力和温度、七级抽汽蒸汽压力、八级抽汽蒸汽压力、凝汽器压力等,应用于汽轮机耐用部件剩余寿命的在线计算.

锅炉重要部件寿命管理所需的测点数据包括:过热蒸汽出口压力、温度和流量,再热蒸汽出口压力、温度和流量,汽包出口压力,再热器进口压力,给水压力、温度和流量,汽包、集箱、三通、弯头和管道的99个壁温测点,过热器和再热器管子炉外162个壁温测点,应用于锅炉重要部件剩余寿命的在线计算.一台锅炉新装261个壁温测点,4台锅炉新装261×4=1 044个壁温测点,应用于锅炉承压部件的寿命计算.

发电机与主变压器寿命管理所需的测点数据包括:发电机转速、三相电流、三相电压、有功、无功、功率因数、励磁电流、励磁电压、扭振信号、冷氢温度、热氢温度、氢压;主变压器AB相电压、BC相电压、CA相电压、三相电流、顶层油温、环境温度、冷却器出口油温等,应用于发电机和主变压器重要部件剩余寿命的在线计算.

数据采样间隔:扭振信号属于快变信号,采用非接触式的双传感器专利技术测量[5],采样间隔设置为1m s,测点数据来自专门配置的轴系扭振寿命在线监测装置.其他测点数据属于慢变信号,采样间隔设置为1 min,测点数据来自300 MW火力发电机组的厂级信息监控系统.

4.2 数据库管理

寿命管理系统的数据库服务器负责保存以下4类数据:

(1)来自厂级信息监控系统SIS(eDNA)的在线测点数据,读取数据的间隔设置为Δτ=1m in,供应用服务器调用,应用于火力发电机组重要部件的剩余寿命计算.

(2)来自用户端浏览器输入的检测和维修数据,如锅炉热交换管的壁厚测量数据、发电机与主变压器绝缘电气预防性试验数据以及易损件寿命的基础数据等,供应用服务器调用,应用于火力发电机组重要部件的剩余寿命计算.

(3)来自应用服务器的4台300MW机组重要部件的剩余寿命计算结果.

(4)来自4台300 MW机组扭振寿命监测装置的轴系扭振寿命损耗的计算结果.

4.3 剩余寿命计算

扭振寿命计算:发电机组轴系扭振寿命计算在扭振寿命在线监测装置上完成,在线计算电气扰动力造成的轴系11个薄弱截面的扭振疲劳寿命损耗,计算结果送到数据库服务器,供显示层的网页服务器通过应用计算层调用并显示寿命计算结果.

剩余寿命在线计算:汽轮机耐用部件、锅炉炉外承压部件、过热器和再热器管子、发电机与主变压器等重要部件的剩余寿命采用在线实时计算方法.寿命计算软件安装在应用服务器上,根据软件设定的时间间隔,每隔Δτ=1 min从数据库服务器中分别读取各主机的在线测点数据,计算得出重要部件的温度分布、热应力、蠕变寿命损耗、低周疲劳寿命损耗、累积寿命损耗和剩余寿命等,计算结果送到数据库服务器,供显示层的网页服务器通过应用计算层调用并显示寿命计算结果.

剩余寿命离线计算:锅炉水冷壁与省煤器管子、主变压器绝缘、主机与主要辅机易损件的剩余寿命采用离线计算方法.寿命计算软件安装在应用服务器上,寿命计算按指令运行,应用服务器通过网页服务器接收来自用户端浏览器的请求或指令,读取数据库服务器的相关数据,计算剩余寿命,计算结果送到数据库,供显示层的网页服务器通过应用计算层调用并显示寿命计算结果.

寿命计算方法:汽轮机耐用件采用非对称循环法计算低周疲劳寿命,采用拉森-米勒参数法计算蠕变寿命;锅炉过热器和再热器管子采用持久寿命损耗法计算剩余寿命,水冷壁与省煤气管子采用壁厚定期测量法计算剩余寿命,锅炉炉外受压部件采用ASM E规范和GB/T 9222—2008计算寿命[6-7];发电机定子绕组绝缘电老化与热老化以及主变压器绝缘采用试验数据回归得出的数学模型计算寿命,发电机转子护环的低周疲劳寿命采用非对称循环法计算,轴系扭振采用雨流法计算;主机与主要辅机易损部件的寿命采用威布尔分布模型计算[8].

4.4 生成结果显示页面

4台300 MW火电机组重要部件的剩余寿命计算结果在网页服务器上发布.

剩余寿命在线计算结果的显示:网页服务器采用了数据推送技术,每隔1 m in通过应用服务器读取数据库服务器中4台300 MW火电机组重要部件的剩余寿命计算结果,并判断这些数据是否为新数据,是否需要传送给浏览器显示.如果是新数据,网页服务器会将数据推送到用户端浏览器,用户端浏览器的silverlight软件(银光插件)负责生成重要部件的温度分布、热应力、蠕变寿命损耗、低周疲劳寿命损耗和剩余寿命等计算结果的图形页面,供用户端浏览器查看.如果不是新数据,网页服务器就不进行推送.计算结果的显示页面每隔1m in自动刷新1次.

剩余寿命离线计算结果的显示:按照用户端浏览器技术人员发出的请求或指令,网页服务器通过应用服务器调用4台300 MW火电机组重要部件剩余寿命的离线计算结果,在网页服务器上生成结果显示页面,供用户端浏览器查看或访问.

扭振寿命计算结果的显示:可供继保室扭振寿命管理装置就地显示,且通过电厂内网实现了用户端浏览器的查看或访问.

4.5 可视化浏览

剩余寿命计算结果的浏览:各种接入电厂内网的计算机都可以通过操作系统访问4台300 MW火电机组寿命管理系统的结果显示页面,而且不需要在用户端加装任何额外的程序.在用户端浏览器,通过机组编号的切换或部件切换,可以查看不同机组、不同部件剩余寿命的在线计算结果,用来指导4台300 MW火电机组的运行控制和检修维护.技术人员可以点击寿命管理结果显示页面的有关菜单,在电厂内网查看4台300 MW 火电机组主设备重要部件剩余寿命的在线或离线计算结果.点击“生成报表”菜单,可以得到剩余寿命的条形图和饼型图,显示寿命管理系统推荐的运行控制措施或优化检修措施.点击“打印报表”菜单,生成当前寿命评定结果的PDF文件,可供下载后打印.

寿命管理系统的维护:4台300 MW火电机组重要部件的寿命管理系统需要定期维护.通过用户端浏览器、网页服务器和应用服务器,定期将热交换管的壁厚测量数据、发电机与主变压器绝缘电气预防试验数据、汽轮机与锅炉重要部件探伤结果、易损件寿命统计的基础数据等输入数据库服务器,供应用服务器上4台300 MW 火电机组重要部件的寿命计算软件调用.

5 运行控制

在300MW火电机组的启动、停机和变负荷过程中,重要部件的热应力和瞬态低周疲劳寿命损耗都比较大,运行控制不当会缩短重要部件的使用寿命.应用4台300 MW火电机组重要部件的寿命管理系统,可以使重要部件的热应力、瞬态低周疲劳寿命损耗和累积低周疲劳寿命损耗处于受控状态.

5.1 单台机组的运行控制措施

以汽轮机为例进行说明,汽轮机耐用件等效热应力的绝对值｜σth｜与工作温度下部件材料的屈服极限.2之比称为相对热应力:

应用专利技术[2],在线计算单台300 MW汽轮机耐用部件的相对热应力,寿命管理系统生成图3所示的“热应力监控”结果显示页面.应用专利技术[3],在线计算单台300 MW 汽轮机耐用部件的瞬态低周疲劳寿命损耗,寿命管理系统生成图4所示的“寿命监测”结果显示页面.

图3 汽轮机耐用部件相对热应力的计算结果Fig.3 Calculation results of relative thermal stress of durable turbine components

“热应力监控”和“寿命监测”结果显示页面可划分为绿色、黄色、橙色和红色4个区域,针对不同区域,推荐以下运行措施:

(1)相对热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)在绿色区域,表示热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)比较小,汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率按运行规程规定的数值操作.

(2)相对热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)在黄色区域,表示热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)比较大,建议减小汽轮机主蒸汽温度变化率和负荷变化率,以减小汽轮机耐用部件的热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗).

(3)相对热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)在橙色区域,表示热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)的危害比较大,建议控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0,以进一步减小汽轮机耐用部件的热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗).

(4)相对热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)进入红色区域,表示热应力(或瞬态低周疲劳寿命损耗)的危害大,建议控制汽轮机的主蒸汽温度变化率和负荷变化率为0,并发出黄色报警信号.

(5)相对热应力和瞬态低周疲劳寿命损耗同时进入红色区域,表示热应力和瞬态低周疲劳寿命损耗的危害很大,应发出红色报警信号,建议1 min后停机.

图4 汽轮机耐用部件瞬态低周疲劳寿命损耗的计算结果Fig.4 Calculation results of instantaneous low cycle fatigue life expenditure of durable turbine components

5.2 多台机组的运行控制措施

应用专利技术[4]和[5],在线计算 4台300 MW火电机组重要部件的累积蠕变寿命损耗和累积低周疲劳寿命损耗,推荐以下运行控制措施:

(1)对于累积低周疲劳寿命损耗比较大而累积蠕变寿命损耗又比较小的机组,建议多带基本负荷和少参与调峰,以延长此类机组的使用寿命.

(2)对于累积低周疲劳寿命损耗比较小而累积蠕变寿命损耗又比较大的机组,建议多参与调峰和少带基本负荷,以延长此类机组的使用寿命.

6 优化检修

6.1 单台火电机组的优化检修措施

应用专利技术[4]和[5],在线计算单台 300 MW火电机组重要部件的剩余日历寿命,得到的结果示于图5.剩余日历寿命是以日历年数表示的汽轮机耐用部件的剩余寿命.重要部件剩余日历寿命结果显示页面划分为绿色、黄色、橙色和红色4个区域,针对剩余日历寿命处于不同区域,推荐以下优化检修措施:

(1)剩余日历寿命处于绿色区域,表示剩余日历寿命比较长,建议按照电厂检修规程安排汽轮机计划大修周期和计划大修项目.

(2)剩余日历寿命处于黄色区域,表示剩余日历寿命比较短,建议在下一次计划大修中予以详细的探伤检查.

(3)剩余日历寿命处于橙色区域,表示剩余日历寿命短,建议在1～4年内安排计划大修,予以检修或更换.

(4)剩余日历寿命处于红色区域,表示剩余日历寿命很短,建议在年内安排计划大修,予以检修或更换.

图5 重要部件剩余日历寿命的计算结果Fig.5 Calculation results of the residual calendar life of important components

6.2 多台火电机组的优化检修措施

应用专利技术[4]和[5],在线计算4台 300 MW火电机组重要部件的剩余日历寿命,推荐以下优化检修措施:

(1)考虑到在夏季和冬季居民与企业用电量都比较大,300MW火电机组的计划大修应尽可能安排在春季或秋季.

(2)在4台300 MW 火电机组中,考虑到电厂检修技术人员的工作量和电网电力需求,同一时间段内优先安排重要部件剩余日历寿命最短的1台300 MW机组进行计划大修.

7 实际应用

厂级4台300 MW火电机组重要部件的寿命管理系统于2008年10月在上海外高桥发电有限责任公司1号300 MW机组上投入使用,于2009年6月在2号300MW机组上投入使用.经过1年多的实际应用,厂级寿命管理系统已经实现了2台300 MW火电机组的汽轮机、锅炉、发电机与主变压器的转子、汽缸 、阀壳 、汽包集箱、管道、管子 、三通 、弯头和绝缘等重要部件的温度、应力、寿命损耗和剩余寿命的在线监视与控制,实现了测点数据监测、数据库管理、剩余寿命计算和可视化浏览等寿命管理功能,为外高桥发电有限责任公司300 MW火电机组的优化运行、优化检修和设备管理提供了技术依据.

8 结 论

(1)将汽轮机、锅炉、发电机及主变压器等主要设备重要部件的寿命评定技术、易损件的寿命评定技术以及数据库技术、计算机技术和网络技术集成起来,设计并研制出厂级4台300 MW火电机组主设备重要部件的寿命管理系统,实现了使用一套寿命管理系统来管理一座发电厂4台300 MW火电机组主设备重要部件剩余寿命的技术效果.

(2)厂级4台300 MW火电机组重要部件的寿命管理硬件系统由4台机组的厂级信息监控系统、4台扭振寿命监测装置、1台数据库服务器、2台应用服务器、1台网页服务器和几十台用户端浏览器组成,安装有5个寿命管理软件的11个寿命计算模块,具有在线测点数据监测、数据库管理、剩余寿命计算、结果显示页面生成及结果可视化浏览等功能,为4台300MW火电机组的设备管理、运行控制和优化检修提供了技术依据.

[1] 张恒涛,王世键,许楚镇,等.电站发电机扭振测试方法及设备:中国,85109518[P].1989-11-29.

[2] 史进渊,徐坚,邹军,等.汽轮机部件热应力在线监视与控制装置及方法:中国,200910050274.0[P].2009-10-21.

[3] 史进渊,徐坚,邹军,等.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:中国,200910050273.6[P].2009-10-21.

[4] 史进渊,杨宇,邓志成,等.火力发电机组部件剩余寿命在线监视与控制装置及方法:中国,200910050271[P].2009-10-21.

[5] 史进渊,杨宇,邓志成,等.厂级多台发电机组主机重要部件寿命在线管理方法及系统:中国,200710172278.7[P].2008-12-16.

[6] 史平洋,李立人,盛建国,等.电站锅炉高温承压元件蠕变与低周疲劳寿命损伤计算与在线监测[J].动力工程,2007,27(3):463-468.SHI Pingyang,LI Liren,SHENG Jianguo,et a l.Calculation and monitoring of creep and low cycle fatigue life expenditure of power plant boiler's pressurized components[J].Journal of Power Engineering,2007,27(3):463-468.

[7] 史进渊,杨宇,邓志成,等.大容量电站锅炉可靠性与寿命的设计及评定[M].北京:中国电力出版社,2008.

[8] 史进渊,邹军,沈海华,等.电站设备易损件寿命评定与寿命管理技术的研究[J].动力工程,2008,28(4):225-228.SHI Jinyuan,ZHOU Jun,SHEN Haihua,et al.Study on life assessment and life management technology of easily damaged power equipment components[J].Journal of Power Engineering,2008,28(4):225-228.