4臺300 MW火電機組壽命管理系統的設計與應用

史進淵, 施 俊, 楊 宇, 徐俊強, 徐偉躍, 鄧志成, 吳 茜

(1.上海發電設備成套設計研究院,上海 200240;2.上海外高橋發電有限責任公司,上海 200137)

1 技術背景

火力發電機組的重要部件包括:汽輪機轉子、汽缸、閥殼,鍋爐汽包、集箱、三通、蒸汽管道,發電機轉子護環、定子繞組絕緣,主變壓器絕緣等,其特點是尺寸大、造價昂貴和使用壽命較長.在火力發電機組的啟動、停機和變負荷過程中,由于部件的不均勻加熱或冷卻,會產生比較大的熱應力和低周疲勞壽命損耗,使用操作不當將會縮短重要部件的使用壽命.在火力發電機組的帶負荷運行過程中,高溫部件產生蠕變壽命損耗,電老化與熱老化導致絕緣壽命損耗,這些也會影響重要部件的使用壽命.壽命管理是一種新的設備管理方式,對汽輪機、鍋爐、發電機和主變壓器的重要部件進行壽命管理,使其重要部件的壽命處于受控狀態,可以減少火電機組的非計劃停運次數,避免設備重大事故.上海外高橋發電有限責任公司在多年開展300 MW火電機組狀態檢修的基礎上,立項開展300 MW機組主要設備重要部件的壽命管理系統,對于保障外高橋300 MW火電機組的長期安全運行具有積極作用.應用專利技術[1-5],采用一套壽命管理系統對外高橋300 MW火電機組的幾十個重要部件進行壽命管理,具有強大的生命力和廣闊的應用前景.

2 硬件設計

上海外高橋發電有限責任公司4臺300 MW機組為上海電氣電站集團制造的引進型300 MW機組,其重要部件壽命管理系統的總體結構設計方案見圖1.

圖1 壽命管理系統的總體結構Fig.1 Overall structure of the life management system

該壽命管理系統的硬件支撐平臺由4臺300 MW機組的廠級信息監控系統(SIS)、4臺扭振壽命監測裝置、1臺數據庫服務器、2臺應用服務器、1臺網頁服務器和幾十臺用戶端瀏覽器組成.扭振參數為快變信號,由扭振壽命監測裝置提供,溫度、壓力、流量、壁溫、轉速、功率、電流和電壓等參數為慢變信號,由廠級信息監控系統提供.數據庫服務器保存壽命管理所需要的有關數據,2臺應用服務器完成剩余壽命計算,網頁服務器根據用戶端瀏覽器的請求作出響應,生成壽命管理結果的顯示頁面,供用戶端瀏覽器瀏覽.

4臺機組重要部件整個壽命管理的硬件系統采用3層架構,包括數據服務層、應用計算層和顯示層.中間層為應用計算層,它將數據服務層和顯示層隔開,可完成壽命計算與邏輯判斷,顯示層的網頁服務器必須通過應用計算層才能獲取數據服務層的壽命計算結果.

3 軟件模塊

壽命管理的計算軟件系統采用模塊化技術,各壽命計算軟件模塊可以獨力升級.該4臺300 MW機組壽命管理軟件系統由圖2所示的5個壽命計算軟件和11個軟件模塊組成,其中11個軟件模塊安裝在4臺扭振壽命監測裝置和2臺應用服務器上.由于扭振信號是快變信號,每臺機組配置一臺扭振壽命監測裝置,在每臺軸系扭振壽命監測裝置上均安裝扭振壽命損耗計算軟件模塊.在應用計算層的2臺應用服務器上,安裝壽命管理軟件的其他10個壽命計算軟件模塊.對于4臺300 MW機組,除軸系扭振壽命管理之外其他重要部件的10個壽命管理系統,4臺機組共用一套壽命管理軟件的10個軟件模塊,每個計算軟件采用多線程方式同時進行4臺機組重要部件的壽命計算.

圖2 火電機組重要部件壽命管理系統的軟件模塊Fig.2 Soft ware modules in the life management system for important components of coal-fired power generation units

4 系統功能

4臺300 MW火電機組重要部件的壽命管理系統具有以下5項主要功能.

4.1 在線測點數據監測

汽輪機耐用件壽命管理所需的測點數據包括:汽輪機轉速、發電機有功功率、主蒸汽壓力和溫度、再熱蒸汽壓力和溫度、調節級后蒸汽壓力和溫度、一級抽汽蒸汽壓力和溫度、高壓缸排汽蒸汽壓力和溫度、中壓缸排汽蒸汽壓力和溫度、高壓內缸金屬溫度、中壓內缸金屬溫度、五級抽汽蒸汽壓力和溫度、六級抽汽蒸汽壓力和溫度、七級抽汽蒸汽壓力、八級抽汽蒸汽壓力、凝汽器壓力等,應用于汽輪機耐用部件剩余壽命的在線計算.

鍋爐重要部件壽命管理所需的測點數據包括:過熱蒸汽出口壓力、溫度和流量,再熱蒸汽出口壓力、溫度和流量,汽包出口壓力,再熱器進口壓力,給水壓力、溫度和流量,汽包、集箱、三通、彎頭和管道的99個壁溫測點,過熱器和再熱器管子爐外162個壁溫測點,應用于鍋爐重要部件剩余壽命的在線計算.一臺鍋爐新裝261個壁溫測點,4臺鍋爐新裝261×4=1 044個壁溫測點,應用于鍋爐承壓部件的壽命計算.

發電機與主變壓器壽命管理所需的測點數據包括:發電機轉速、三相電流、三相電壓、有功、無功、功率因數、勵磁電流、勵磁電壓、扭振信號、冷氫溫度、熱氫溫度、氫壓;主變壓器AB相電壓、BC相電壓、CA相電壓、三相電流、頂層油溫、環境溫度、冷卻器出口油溫等,應用于發電機和主變壓器重要部件剩余壽命的在線計算.

數據采樣間隔:扭振信號屬于快變信號,采用非接觸式的雙傳感器專利技術測量[5],采樣間隔設置為1m s,測點數據來自專門配置的軸系扭振壽命在線監測裝置.其他測點數據屬于慢變信號,采樣間隔設置為1 min,測點數據來自300 MW火力發電機組的廠級信息監控系統.

4.2 數據庫管理

壽命管理系統的數據庫服務器負責保存以下4類數據:

(1)來自廠級信息監控系統SIS(eDNA)的在線測點數據,讀取數據的間隔設置為Δτ=1m in,供應用服務器調用,應用于火力發電機組重要部件的剩余壽命計算.

(2)來自用戶端瀏覽器輸入的檢測和維修數據,如鍋爐熱交換管的壁厚測量數據、發電機與主變壓器絕緣電氣預防性試驗數據以及易損件壽命的基礎數據等,供應用服務器調用,應用于火力發電機組重要部件的剩余壽命計算.

(3)來自應用服務器的4臺300MW機組重要部件的剩余壽命計算結果.

(4)來自4臺300 MW機組扭振壽命監測裝置的軸系扭振壽命損耗的計算結果.

4.3 剩余壽命計算

扭振壽命計算:發電機組軸系扭振壽命計算在扭振壽命在線監測裝置上完成,在線計算電氣擾動力造成的軸系11個薄弱截面的扭振疲勞壽命損耗,計算結果送到數據庫服務器,供顯示層的網頁服務器通過應用計算層調用并顯示壽命計算結果.

剩余壽命在線計算:汽輪機耐用部件、鍋爐爐外承壓部件、過熱器和再熱器管子、發電機與主變壓器等重要部件的剩余壽命采用在線實時計算方法.壽命計算軟件安裝在應用服務器上,根據軟件設定的時間間隔,每隔Δτ=1 min從數據庫服務器中分別讀取各主機的在線測點數據,計算得出重要部件的溫度分布、熱應力、蠕變壽命損耗、低周疲勞壽命損耗、累積壽命損耗和剩余壽命等,計算結果送到數據庫服務器,供顯示層的網頁服務器通過應用計算層調用并顯示壽命計算結果.

剩余壽命離線計算:鍋爐水冷壁與省煤器管子、主變壓器絕緣、主機與主要輔機易損件的剩余壽命采用離線計算方法.壽命計算軟件安裝在應用服務器上,壽命計算按指令運行,應用服務器通過網頁服務器接收來自用戶端瀏覽器的請求或指令,讀取數據庫服務器的相關數據,計算剩余壽命,計算結果送到數據庫,供顯示層的網頁服務器通過應用計算層調用并顯示壽命計算結果.

壽命計算方法:汽輪機耐用件采用非對稱循環法計算低周疲勞壽命,采用拉森-米勒參數法計算蠕變壽命;鍋爐過熱器和再熱器管子采用持久壽命損耗法計算剩余壽命,水冷壁與省煤氣管子采用壁厚定期測量法計算剩余壽命,鍋爐爐外受壓部件采用ASM E規范和GB/T 9222—2008計算壽命[6-7];發電機定子繞組絕緣電老化與熱老化以及主變壓器絕緣采用試驗數據回歸得出的數學模型計算壽命,發電機轉子護環的低周疲勞壽命采用非對稱循環法計算,軸系扭振采用雨流法計算;主機與主要輔機易損部件的壽命采用威布爾分布模型計算[8].

4.4 生成結果顯示頁面

4臺300 MW火電機組重要部件的剩余壽命計算結果在網頁服務器上發布.

剩余壽命在線計算結果的顯示:網頁服務器采用了數據推送技術,每隔1 m in通過應用服務器讀取數據庫服務器中4臺300 MW火電機組重要部件的剩余壽命計算結果,并判斷這些數據是否為新數據,是否需要傳送給瀏覽器顯示.如果是新數據,網頁服務器會將數據推送到用戶端瀏覽器,用戶端瀏覽器的silverlight軟件(銀光插件)負責生成重要部件的溫度分布、熱應力、蠕變壽命損耗、低周疲勞壽命損耗和剩余壽命等計算結果的圖形頁面,供用戶端瀏覽器查看.如果不是新數據,網頁服務器就不進行推送.計算結果的顯示頁面每隔1m in自動刷新1次.

剩余壽命離線計算結果的顯示:按照用戶端瀏覽器技術人員發出的請求或指令,網頁服務器通過應用服務器調用4臺300 MW火電機組重要部件剩余壽命的離線計算結果,在網頁服務器上生成結果顯示頁面,供用戶端瀏覽器查看或訪問.

扭振壽命計算結果的顯示:可供繼保室扭振壽命管理裝置就地顯示,且通過電廠內網實現了用戶端瀏覽器的查看或訪問.

4.5 可視化瀏覽

剩余壽命計算結果的瀏覽:各種接入電廠內網的計算機都可以通過操作系統訪問4臺300 MW火電機組壽命管理系統的結果顯示頁面,而且不需要在用戶端加裝任何額外的程序.在用戶端瀏覽器,通過機組編號的切換或部件切換,可以查看不同機組、不同部件剩余壽命的在線計算結果,用來指導4臺300 MW火電機組的運行控制和檢修維護.技術人員可以點擊壽命管理結果顯示頁面的有關菜單,在電廠內網查看4臺300 MW 火電機組主設備重要部件剩余壽命的在線或離線計算結果.點擊“生成報表”菜單,可以得到剩余壽命的條形圖和餅型圖,顯示壽命管理系統推薦的運行控制措施或優化檢修措施.點擊“打印報表”菜單,生成當前壽命評定結果的PDF文件,可供下載后打印.

壽命管理系統的維護:4臺300 MW火電機組重要部件的壽命管理系統需要定期維護.通過用戶端瀏覽器、網頁服務器和應用服務器,定期將熱交換管的壁厚測量數據、發電機與主變壓器絕緣電氣預防試驗數據、汽輪機與鍋爐重要部件探傷結果、易損件壽命統計的基礎數據等輸入數據庫服務器,供應用服務器上4臺300 MW 火電機組重要部件的壽命計算軟件調用.

5 運行控制

在300MW火電機組的啟動、停機和變負荷過程中,重要部件的熱應力和瞬態低周疲勞壽命損耗都比較大,運行控制不當會縮短重要部件的使用壽命.應用4臺300 MW火電機組重要部件的壽命管理系統,可以使重要部件的熱應力、瞬態低周疲勞壽命損耗和累積低周疲勞壽命損耗處于受控狀態.

5.1 單臺機組的運行控制措施

以汽輪機為例進行說明,汽輪機耐用件等效熱應力的絕對值｜σth｜與工作溫度下部件材料的屈服極限.2之比稱為相對熱應力:

應用專利技術[2],在線計算單臺300 MW汽輪機耐用部件的相對熱應力,壽命管理系統生成圖3所示的“熱應力監控”結果顯示頁面.應用專利技術[3],在線計算單臺300 MW 汽輪機耐用部件的瞬態低周疲勞壽命損耗,壽命管理系統生成圖4所示的“壽命監測”結果顯示頁面.

圖3 汽輪機耐用部件相對熱應力的計算結果Fig.3 Calculation results of relative thermal stress of durable turbine components

“熱應力監控”和“壽命監測”結果顯示頁面可劃分為綠色、黃色、橙色和紅色4個區域,針對不同區域,推薦以下運行措施:

(1)相對熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)在綠色區域,表示熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)比較小,汽輪機主蒸汽溫度變化率和負荷變化率按運行規程規定的數值操作.

(2)相對熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)在黃色區域,表示熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)比較大,建議減小汽輪機主蒸汽溫度變化率和負荷變化率,以減小汽輪機耐用部件的熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗).

(3)相對熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)在橙色區域,表示熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)的危害比較大,建議控制汽輪機的主蒸汽溫度變化率和負荷變化率為0,以進一步減小汽輪機耐用部件的熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗).

(4)相對熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)進入紅色區域,表示熱應力(或瞬態低周疲勞壽命損耗)的危害大,建議控制汽輪機的主蒸汽溫度變化率和負荷變化率為0,并發出黃色報警信號.

(5)相對熱應力和瞬態低周疲勞壽命損耗同時進入紅色區域,表示熱應力和瞬態低周疲勞壽命損耗的危害很大,應發出紅色報警信號,建議1 min后停機.

圖4 汽輪機耐用部件瞬態低周疲勞壽命損耗的計算結果Fig.4 Calculation results of instantaneous low cycle fatigue life expenditure of durable turbine components

5.2 多臺機組的運行控制措施

應用專利技術[4]和[5],在線計算 4臺300 MW火電機組重要部件的累積蠕變壽命損耗和累積低周疲勞壽命損耗,推薦以下運行控制措施:

(1)對于累積低周疲勞壽命損耗比較大而累積蠕變壽命損耗又比較小的機組,建議多帶基本負荷和少參與調峰,以延長此類機組的使用壽命.

(2)對于累積低周疲勞壽命損耗比較小而累積蠕變壽命損耗又比較大的機組,建議多參與調峰和少帶基本負荷,以延長此類機組的使用壽命.

6 優化檢修

6.1 單臺火電機組的優化檢修措施

應用專利技術[4]和[5],在線計算單臺 300 MW火電機組重要部件的剩余日歷壽命,得到的結果示于圖5.剩余日歷壽命是以日歷年數表示的汽輪機耐用部件的剩余壽命.重要部件剩余日歷壽命結果顯示頁面劃分為綠色、黃色、橙色和紅色4個區域,針對剩余日歷壽命處于不同區域,推薦以下優化檢修措施:

(1)剩余日歷壽命處于綠色區域,表示剩余日歷壽命比較長,建議按照電廠檢修規程安排汽輪機計劃大修周期和計劃大修項目.

(2)剩余日歷壽命處于黃色區域,表示剩余日歷壽命比較短,建議在下一次計劃大修中予以詳細的探傷檢查.

(3)剩余日歷壽命處于橙色區域,表示剩余日歷壽命短,建議在1～4年內安排計劃大修,予以檢修或更換.

(4)剩余日歷壽命處于紅色區域,表示剩余日歷壽命很短,建議在年內安排計劃大修,予以檢修或更換.

圖5 重要部件剩余日歷壽命的計算結果Fig.5 Calculation results of the residual calendar life of important components

6.2 多臺火電機組的優化檢修措施

應用專利技術[4]和[5],在線計算4臺 300 MW火電機組重要部件的剩余日歷壽命,推薦以下優化檢修措施:

(1)考慮到在夏季和冬季居民與企業用電量都比較大,300MW火電機組的計劃大修應盡可能安排在春季或秋季.

(2)在4臺300 MW 火電機組中,考慮到電廠檢修技術人員的工作量和電網電力需求,同一時間段內優先安排重要部件剩余日歷壽命最短的1臺300 MW機組進行計劃大修.

7 實際應用

廠級4臺300 MW火電機組重要部件的壽命管理系統于2008年10月在上海外高橋發電有限責任公司1號300 MW機組上投入使用,于2009年6月在2號300MW機組上投入使用.經過1年多的實際應用,廠級壽命管理系統已經實現了2臺300 MW火電機組的汽輪機、鍋爐、發電機與主變壓器的轉子、汽缸 、閥殼 、汽包集箱、管道、管子 、三通 、彎頭和絕緣等重要部件的溫度、應力、壽命損耗和剩余壽命的在線監視與控制,實現了測點數據監測、數據庫管理、剩余壽命計算和可視化瀏覽等壽命管理功能,為外高橋發電有限責任公司300 MW火電機組的優化運行、優化檢修和設備管理提供了技術依據.

8 結 論

(1)將汽輪機、鍋爐、發電機及主變壓器等主要設備重要部件的壽命評定技術、易損件的壽命評定技術以及數據庫技術、計算機技術和網絡技術集成起來,設計并研制出廠級4臺300 MW火電機組主設備重要部件的壽命管理系統,實現了使用一套壽命管理系統來管理一座發電廠4臺300 MW火電機組主設備重要部件剩余壽命的技術效果.

(2)廠級4臺300 MW火電機組重要部件的壽命管理硬件系統由4臺機組的廠級信息監控系統、4臺扭振壽命監測裝置、1臺數據庫服務器、2臺應用服務器、1臺網頁服務器和幾十臺用戶端瀏覽器組成,安裝有5個壽命管理軟件的11個壽命計算模塊,具有在線測點數據監測、數據庫管理、剩余壽命計算、結果顯示頁面生成及結果可視化瀏覽等功能,為4臺300MW火電機組的設備管理、運行控制和優化檢修提供了技術依據.

[1] 張恒濤,王世鍵,許楚鎮,等.電站發電機扭振測試方法及設備:中國,85109518[P].1989-11-29.

[2] 史進淵,徐堅,鄒軍,等.汽輪機部件熱應力在線監視與控制裝置及方法:中國,200910050274.0[P].2009-10-21.

[3] 史進淵,徐堅,鄒軍,等.汽輪機部件低周疲勞壽命損耗在線監視與控制裝置及方法:中國,200910050273.6[P].2009-10-21.

[4] 史進淵,楊宇,鄧志成,等.火力發電機組部件剩余壽命在線監視與控制裝置及方法:中國,200910050271[P].2009-10-21.

[5] 史進淵,楊宇,鄧志成,等.廠級多臺發電機組主機重要部件壽命在線管理方法及系統:中國,200710172278.7[P].2008-12-16.

[6] 史平洋,李立人,盛建國,等.電站鍋爐高溫承壓元件蠕變與低周疲勞壽命損傷計算與在線監測[J].動力工程,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] 史進淵,楊宇,鄧志成,等.大容量電站鍋爐可靠性與壽命的設計及評定[M].北京:中國電力出版社,2008.

[8] 史進淵,鄒軍,沈海華,等.電站設備易損件壽命評定與壽命管理技術的研究[J].動力工程,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.