智慧汽轮机功能及设计难点探讨.pdf

窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.005智慧汽轮机功能及设计难点探讨智慧汽轮机功能及设计难点探讨第一作者简介院 高展羽 渊1982-冤袁 男袁 大学本科袁 高级工程师袁 毕业于合肥工业大学机械设计制造及其自动化专业袁 主要从事汽轮机本体研发设计工作遥高展羽袁 宋放放袁 马骏渊东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院文章根据智慧电厂的发展需求袁从设备制造厂的角度对智慧汽轮机的功能模块进行了探讨袁着重阐述了智慧汽轮机启停尧运行尧检修以及维护等方面的具体内容尧实现方式及难点遥关键词院汽轮机袁智慧化袁设计中图分类号院TK26文献标识码院A文章编号院1674-9987渊2023冤02-0018-04Discussion on Function and Design Diffculties ofIntelligent Steam TurbineGAO Zhanyu袁 SONG Fangfang袁 MA Jun渊Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 According to the development demand of smart power plant,this paper discusses the function module of smart steam tur鄄bine from the angle of equipment manufacturer.The concrete contents,realization methods and difficulties of smart steam turbinestarting and stopping,operation,overhaul and maintenance are emphatically expounded.Key words院 steam turbine,intelligence,smart power plant1背景工业互联网尧 物联网尧 人工智能尧 大数据和云计算等技术与传统产业的结合和应用是我国未来产业的发展方向袁 对能源系统而言袁 智慧能源也是我国十四五建设的重点方向之一遥 对于火力发电厂而言袁 智慧电厂的概念在电站建设中的呼声越来越高袁 叶国家能源发展 野十三五冶 规划曳尧叶能源发展战略行动计划渊2014-2020 年冤曳和叶中国制造 2025 能源装备实施方案曳 等文件也指出了对智能控制技术的攻关规划袁 中国能建集团尧 国神尧华电等大型电力集团也相继展开了对智慧电厂的关键技术研究袁 2020 年 8 月袁 华电集团结合某项目完成了智慧电厂改造的项目招标袁 根据项目具体要求及建设目标袁 作为设备供应商袁 东方电气承担了智慧化改造的相关内容遥 本文结合汽轮机设备的智慧化进一步展开探讨遥18窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期2智慧汽轮机的基本内容智慧电厂是以安全尧 高效为目标袁 以大数据尧物联网等 5G 技术为支撑袁 以人工智能为灵魂和可视化为主要表现方式的全自动化电厂遥 对汽轮机设备而言袁 汽轮机的智慧化主要表现为对汽轮机本体及辅助系统的智能管理尧 智能控制尧 智能决策和智能维护等方面袁 其汽轮机设备的运行尧 控制和决策均需从整个电厂热力系统的高效运行出发进行统筹考虑袁 此外袁 汽轮机的安装尧 运行和维护也应该考虑智能化尧 人性化和低人工成本遥3智慧汽轮机的功能设想当前袁 在汽轮机的安装尧 启动调试尧 运行控制尧 检修维护及备件管理等方面袁 仍旧采用的是传统的管理和控制模式袁 整个过程相对落后袁 时间和人工成本消耗较多袁 因此袁 智慧汽轮机应从这些方面入手袁 结合数字化技术来完成汽轮机的智慧化设计和管理的提升遥猿.1智能启停当前袁 汽轮机在启动和停机中袁 多采用 野操作员自动方式冶袁 即电厂运行人员根据汽轮机本体状态和说明书提供的启动操作程序手动给定转速或负荷的目标值和变化率袁 由 DEH 的基本控制系统按照运行人员给出的目标值和变化率自动完成冲转尧 升速尧 同步和带负荷操作袁 虽然有些电厂设计了 野一键启停冶 的启动方式袁 但往往由于机组启动过程中的机组胀差尧 轴系振动尧 轴瓦温度等参数的异常袁 不得不进行人工干预袁 并未真正实现 野一键启停冶遥汽轮机的智能启停能以最少的人工干预完成从启动准备直至带满负荷或者从正常运行到停机的整个过程袁 系统自动判断各类运行参数是否满足冲转尧 升速尧 并网尧 变负荷或者停机条件袁 并能根据机组当前的运行参数判断机组运行状态袁特别是能够自动判断转子尧 汽缸的膨胀量及胀差尧阀门开度尧 蒸汽流量等情况袁 自动调整优化升速率尧 暖机时间尧 暖机负荷尧 负荷变化率等直至稳定运行遥大大提高汽轮机的智能化水平和自动化控制程度遥智慧电厂要求汽轮机设计人员必须对汽轮机产品的结构特点尧 材料性能尧 传热原理等进行全面尧 深入的掌握袁 同时袁 需辅以众多电厂的启动停机数据作为支撑袁 并对汽轮机运行限制区间进行合理的设置遥猿.2智能运行汽轮机的智能运行是对汽轮机关键特性数据进行采集尧 管理尧 分析袁 建立设备各参数之间的关联关系袁 并利用计算机对运行大数据进行计算及监控袁 同时袁 基于热力学原理并结合电厂实际运行经验数据对运行状态进行寻优操作指导袁 实现全厂重要经济尧 运行指标的准确计算和可视化监视遥 进一步可通过采集机组实时在线监测数据建立智能运行优化管控体系袁 实现汽轮机实时高效运行遥汽轮机在运行过程中的最终目的是保证电网的负荷需求袁 在机组稳定运行时袁 其性能优劣是通过汽轮机本体及辅机系统的众多测点来体现袁因此袁 汽轮机智能运行的首要任务是合理布置能够真实反应其运行状态的各项测点遥 在实际运行中袁 汽轮机的测点数据与设计数据必定存在偏差袁汽轮机的智能运行要求其必须能够对机组状态进行评判并对机组各辅助系统尧 模块尧 部件等的运行控制提出合理的优化建议袁 当机组进行调频运行尤其是二次调频时袁 智能运行系统需能够针对调频目标优先选择更有利于安全性和经济性的调整方式遥猿.3智能预警作为火力发电厂的三大主机设备之一袁 汽轮机运行的安全性始终是最重要的袁 因此袁 智慧汽轮机的重要功能之一就是能够保障机组运行安全的智能化管理袁 实现机组关键系统及关键部件的性能尧 寿命的智能监测和预警遥 汽轮机智能预警主要包括两部分内容袁 即汽轮机辅助系统及部件偏离正常运行工况的预警和汽轮机关键部件的寿19窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期命预警遥汽轮机辅助系统及部件在运行时产生大量随时间变化而变化的运行数据 渊温度尧 压力尧 振动等冤袁 机组运行状态的实质是由这些数据来反应的袁 数据偏离正常设计值就表示某些相关部件存在非正常运行情况或者故障遥 因此袁 以大数据分析和云计算为基础对这些异常数据的波动幅度尧趋势以及数据之间的关联性进行分析袁 并结合具体的热力学基础理论定性把握运行数据与部件故障之间的关系袁 确定引起故障的关键因素袁 然后通过对运行数据的智能学习及培训指导机组机组运行控制方案袁 从而达到故障预警的目的遥汽轮机关键部件如转子尧 叶片尧 汽缸尧 阀壳尧阀杆尧 高温管道及法兰尧 高温螺栓尧 轴承瓦块等部件均需长期在恶劣环境下运行袁 故保障这些部件的安全运行十分有必要袁 而正常情况下袁 除了部件设计尧 制造因素之外袁 这些部件的寿命损耗还主要取决于与机组运行的压力尧 温度尧 负荷及启停过程的控制情况等袁 因此袁 准确掌握汽轮机关键部件的寿命可以为汽轮机的运行尧 检修尧 维护提供可靠的建议袁 实现机组全生命周期内运行的经济性最大化袁 降低电厂运营成本遥猿.4三维可视化及数字孪生当前袁 电厂的运维系统数据展示及管理多采用二维平面图形对需求信息以文字或逻辑关系图的形式展示袁 这要求操作人员需对电厂的各种系统及设备的工作原理尧 结构进行深入学习尧 研究和掌握袁 对于电厂操作人员的要求较高袁 稍有不慎也可能导致误操作遥 近几年袁 随着虚拟仿真技术尧 计算机图形学尧 大数据和互联网技术的发展袁三维可视化技术在工业行业得到了很好的拓展和应用遥对于汽轮机而言袁 其本体及辅助系统的三维可视化展示就是利用三维数字化技术实现汽轮机视角可调的全景浏览袁 在虚拟空间中将机组虚拟实体模型与运行数据信息有机结合起来袁 能够直观展示机组实时运行信息袁 增强工作人员对汽轮机工作原理的理解和工作状态的直观感受曰 进一步将机组实时运行数据接入虚拟模型对应的结构部位袁 从而反应实体设备全生命周期的运行状态袁实现虚拟模型与机组实体的陪伴运行袁 形成汽轮机的数字孪生系统遥猿.5虚拟现实技术虚拟现实是利用计算机创建一个虚拟环境袁将汽轮机虚拟三维实体和机组动态视景以及使用者的操作行为进行计算机仿真袁 使用户能够 VR辅助穿戴设备在虚拟仿真系统中得到沉浸式体验袁从而更加直观地了解汽轮机结构尧 工作原理和运行过程遥虚拟现实技术常用于娱乐业尧 医疗和建筑设计等行业袁 作为机械设备制造商袁 该技术是智慧汽轮机技术发展的增值服务之一袁 该技术不但可以增进制造厂营销尧 设计尧 制造相关人员对汽轮机的认识袁 提升营销效果尧 设计尧 制造水平袁 而且 VR 技术在机组安装尧 调试尧 运行尧 维护以及大修中的广泛应用袁 还可以协助用户快速解决机组的疑难杂症袁 辅助用户的汽轮机知识培训袁 提升机组运行管理的安全性袁 降低事故风险遥猿.6虚拟装配技术虚拟装配技术在复杂机械的制造尧 装配中已经屡见不鲜袁 其实质就是将设备各部套尧 零件数字化袁 然后用数字化的模型进行电脑端的三维可视化模拟装配袁 从而代替实物的机械试装配过程袁达到减少实际的装配工序及装配时间的目的遥 虚拟装配技术主要包括两个方面袁 一是设计数据模型的虚拟装配袁 二是产品实际测量数据的虚拟装配遥 设计数据模型的虚拟装配是结合设计原始的三维数字模型袁 提取其关键装配参数袁 实现装配过程的模拟尧 装配工序的规划以及部件之间的干涉检测等曰 而实际测量数据的虚拟装配是将制造出来的产品的关键尺寸进行实测尧 汇总尧 分类袁利用这些数据进行建模袁 然后完成虚拟装配以及后期分析遥 两者的区别在于设计数据模型的虚拟装配主要用于使用者对汽轮机结构的总体认识尧装配尧 检修过程的熟悉以及装配要点的深刻掌握袁而实际测量数据的虚拟装配主要用于制造厂内部缩短总装时间尧 优化制造工序和资源配置袁 虽然20窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期后者也具备前者的功能袁 但是由于其收集尧 整理产品实测数据的工作量较大袁 且机组模型通用性较差袁 故对智慧电厂应用的意义不大袁 因此袁 智慧电厂需要的虚拟装配功能采用设计数据模型更为合理遥面向智慧电厂的智慧汽轮机的虚拟装配技术主要是用于电建安装人员和电厂运行尧 维护人员更好尧 更快地掌握汽轮机结构知识袁 缩短培训时间尧 降低培训成本尧 提高培训效果袁 更好地保障机组安全运行遥猿.7数字化档案及管理在现有的电厂技术档案管理中袁 多以纸质版资料管理或者单机电子版资料随机存储的方式进行袁 管理方式落后袁 极易出错遥 智慧汽轮机的数字化档案管理是以全三维数据模型为对象袁 建立整个汽轮机集成的信息管理数据库袁 将机组全生命周期范围内的所有资料进行数字化管理袁 将二维数据和三维模型一一对应袁 可使不同专业的技术人员在同一个平台上开展工作遥在智慧汽轮机的数字化档案规划中袁 汽轮机关键零部件 渊涉及需现场安装尧 检修和重点维护的部件冤 按照统一的编码规则 渊KKS 编码或者制造厂零部件编码冤 建立物料与图纸尧 模型的对应关系袁 关联数据信息袁 便于资料查阅和维护袁 主机设备的关键资料如主机证明书尧 各类说明书尧图纸尧 备件清单尧 检修数据等均采用无纸化管理袁对于机组维护所需的备件及易损件袁 可在数字化档案中给对应的模型对象补充必要的属性信息如材质尧 规格尧 数量尧 参数运行区间等等袁 便于多维度查询遥数字化档案的建立可实现电厂系统信息连通袁方便管理人员对信息的把控袁 在提高电厂的生产管理管控能力尧 制定设备维护计划以及应急预案等方面均有较大发展空间袁 可大大提高电厂的智慧化水平遥源智慧汽轮机的设计难点当前袁 智慧电厂的发展处于初级阶段袁 内容侧重于整个电厂的信息连通尧 系统优化和电厂宏观的智慧管理尧 经营等袁 而设备级的智慧化水平较低遥 对于智慧汽轮机的研究袁 国内几大汽轮机制造商均处于探索阶段袁 在研究过程中还存在一部分亟待解决的难题遥源.1三维模型构建汽轮机三维模型的构建是实现汽轮机可视化技术尧 数字孪生技术和虚拟装配技术等的基础条件袁 在模型设计时袁 一方面需充分考虑汽轮机关键技术对三维模型的保密要求袁 另一方面三维模型须能够满足智慧汽轮机具体功能的需要遥在具体操作过程中袁 模型构建需兼顾以下几方面要求院誗汽轮机关键技术如各类型线和关键结构须进行简化或加密处理曰誗叶片支数进行简化以减少模型的结构面数袁便于模型轻量化曰誗现场不进行拆卸的结构件进行简化或归一化处理曰誗非关键圆角尧 倒角尧 螺纹等结构细节可不进行细化设计袁 以便于模型轻量化曰誗现场拆卸频次较低的零件如部分垫片尧 螺钉和基架尧 轴承箱以及滑销系统的零件简化处理曰誗机组所有测点及其测点对应的结构件需设计独立模型袁 如瓦块尧 测温测压对应部位尧 转速尧胀差测量位置等曰誗汽轮机模型的结构至少应满足电厂操作工在安装尧 拆卸尧 维护方面的培训需要遥源.2智能决策的优化算法汽轮机智慧化的根本体现是在启停尧 运行过程中机组能够自我感知尧 决策和自动控制袁 尤其是自我决策袁 需要建立机组的专家系统袁 专家系统是将专家的思维方式尧 判断方法以固定程序形式植入到智慧汽轮机平台中袁 利用从机组测点系统中提取到的特征数据为输入条件袁 智能地将决策结果输送至自动控制系统中袁 这部分固定程序的本质就是基于特征数据的固定算法袁 是智慧汽轮机的核心技术之一遥渊下转第 39 页冤21窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期渊上接第 21 页冤智能决策的算法是以自然学科的基本原理为基础袁 以汽轮机专业知识和运行经验数据为指导而形成的一种优化算法袁 智慧汽轮机运行的算法主要包括汽轮机启动尧 运行安全性分析 渊如温度场尧 高温部件应力场尧 振动尧 胀差情况尧 关键部件寿命等冤尧 汽轮机实时性能分析计算以及汽轮机运行故障诊断算法等袁 对于不同汽机制造厂或不同系统尧 不同结构的机组而言袁 算法也会有差异遥智能优化算法制定的难点主要在于算法的归纳尧 推演和验证袁 在此过程中袁 不但要参考同一台机组运行的历史数据袁 还需要对大量同类型机组的运行数据和现象进行对比尧 分析和归纳袁 充分掌握机组模块的运行状态和变化机理袁 从而形成更接近机组实际情况的算法公式袁 确保计算结果能够反映机组真实的状态袁 更好地保障机组的安全性和经济性遥4.3保护定值设置汽轮机控制系统中大量的保护如振动尧 胀差尧压力尧 温度尧 偏心尧 转速等是保障机组安全运行和实现一键启动的重要条件袁 保护定值设计是检验智慧汽轮机优化算法的基本方式袁 也是汽轮机实现智慧化的难点之一遥在机组启动过程中袁 往往会因为胀差超限造成机组遮断或者因胀差超出正常值造成碰摩而引起振动大遮断袁 究其原因是由于设计人员对汽轮机本体温度场的分布尧 温度场随时间的变化以及温度场对于本体的热应力作用和结构变形的定量掌握不足而造成的袁 保护定值的设计不但是在智慧汽轮机实现一键启停的关键因素袁 而且也能够从侧面体现汽轮机的设计水平遥4.4材料基础数据在常规汽轮机本体结构设计过程中袁 高温部件的安全性通常采用高温材料工作温度下的屈服尧蠕变和持久等数据作为安全性评价的标准袁 而高温部件的运行环境变化 渊温度尧 压力尧 交变应力尧应力集中等冤 对材料高温性能的影响均由结构设计的安全系数来承担袁 这样做袁 虽然简化了结构设计过程袁 但是却降低了高温部件寿命设计的准确性袁 因此袁 在智慧汽轮机的关键部件寿命预警功能的设计过程中袁 高温材料的疲劳尧 松弛等数据的完善性和准确性更加突出袁 是寿命设计的难点袁 当然袁 除了高温材料本身的试验数据之外袁也需要大量的高温部件运行数据对其设计寿命加以修正遥5总结智慧电厂在国内的发展还处于研究和探索阶段袁 各大发电企业和设备制造厂均加大了研发力度遥 对于制造厂而言袁 智慧汽轮机只是为智慧电厂服务的一个子模块袁 其功能的设计还需要以发电企业的切实需求为目标袁 从方便用户出发袁 并结合未来智慧电厂的应用效果不断完善袁 合理尧准确地指导机组运行尧 检修和维护并创造经济收益遥参考文献1严羿,李启元,熊小聪,等.叶片数字化工厂基础技术J.东方汽轮机,2021渊2冤:41-44.参考文献1何国安,张世军,张学延.大型汽轮发电机组渐变式弯曲转子的动平衡方法研究J.汽轮机技术,2014,56(6):439-442.2黄琪,何东,袁超.弯曲转子振动特性分析及处理J.东方汽轮机,2016(3):14-18.3崔亚辉,张俊杰,陈景明,等.抑制汽轮机转子渐进式弯曲的阻弯动平衡方法J.热力透平,2016,45(1):37-40,56.4钟一谔援 转子动力学M援 北京:清华大学出版社,1987援39