汽轮机末级叶片容积流量估计方法、颤振预警方法及系统和装置

本发明涉及低负荷工况汽轮机末级叶片容积流量估计及颤振预警方法，属于发电厂热工技术领域。

背景技术：

随着电网对火电机组调峰性能要求的不断提升，火电机组调峰性能正在向深度调峰的方向发展。深度调峰意味着机组会在低负荷状态运行，而低负荷运行将会对汽轮机各部件的安全稳定经济运行产生新的挑战。

随着汽轮机单机功率的增加，末几级叶片越来越长，叶片工作在湿蒸汽环境且经常处于变工况运行，叶片发生事故的危险性增加，叶片振动状态在线监测技术方法的研究和叶片振动状态在线监测系统的研制越来越迫切。同时。低负荷状态长期运行带来了末级叶片的小容积流量工况，因此，如何实现汽轮机末级叶片容积流量的实时准确估计，并如何确保对叶片颤振状态的实时准确评估和预警，确保机组安全经济运行已成为人们关注的焦点。

目前，针对汽轮机的研究主要集中在对汽轮机叶片振动非接触测量，包括利用声发射多谱勒技术、电磁测量频率调制法、光学非接触式叶片测振法、叶间动态间距诊断法以及叶间动态间距诊断法等。而这些方法均存在一定程度的缺陷，包括需要新加装测点、加装装置的可靠性较差、对于机组运行安全性有一定影响等。这些缺陷导致其在实际应用中存在极大的局限性。因此，亟需提供一种能够实时准确估计汽轮机末级叶片容积流量及颤振检测方法。

技术实现要素：

本发明是为了解决传统末级叶片容积流量测量手段难以实时进行准确估计的问题，以及无法通过现有测点获得足够有效信息对颤振进行监测的问题，本发明提供了一种汽轮机末级叶片容积流量估计及颤振预警方法。

一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据机组设计参数，确定第七抽汽点主蒸汽压力额定值p7-rated、第八抽汽点主蒸汽压力额定值p8-rated、凝汽器额定压力pcondenser-rated以及末级叶片可测膨胀比额定值πrated；根据机组实际运行情况，获得实测第七抽汽点主蒸汽压力值p7-measure、第八抽汽点主蒸汽压力值p8-measure与实测凝汽器压力pcondenser，获得实测的第七抽汽点主蒸汽压力标幺值p7-pu以及末级叶片可测膨胀比标幺值πpu：

步骤二、汽轮机机组控制系统基于第七抽汽点主蒸汽压力标幺值p7-pu以及末级叶片可测膨胀比标幺值πpu获取在准稳态条件下的末级叶片容积流量gvsteady：

gvsteady＝k1×p7-pu+k2×πpu+k3×πpu²+c1

其中，k1，k2，k3表示三个系数，c1表示静态常数修正项；

步骤三、汽轮机机组控制系统基于实际动态过程中第八抽汽点压力p8压力的变化差分值对步骤二中输出的末级叶片容积流量gvsteady进行动态修正，获得修正后的末级叶片容积流量gvdynamic，具体计算过程如下；

其中，k4代表动态修正项系数，c2表示动态常数修正项；δt时间变化量。

一种汽轮机末级叶片容积流量估计系统，所述系统用于执行一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法。

一种汽轮机末级叶片容积流量估计装置，所述装置用于存储和/或运行一种汽轮机末级叶片容积流量估计系统。

一种汽轮机末级叶片颤振预警方法，包括以下步骤：

首先，基于汽轮机出厂时对末级叶片所做的动应力测试得到的容积流量与动应力关系曲线；

然后基于末级叶片容积流量gvdynamic，利用容积流量与动应力关系曲线确定动应力值n；所述的末级叶片容积流量gvdynamic利用所述的一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法确定；

当动应力值n＞30n′时，认为汽轮机末级叶片可能发生颤振并预警；所述n′为额定工况动应力。

一种汽轮机末级叶片颤振预警系统，所述系统用于执行一种汽轮机末级叶片颤振预警方法。

一种汽轮机末级叶片颤振预警装置，所述装置用于存储和/或运行一种汽轮机末级叶片颤振预警系统。

本发明带来的有益效果：

本发明的方法充分利用了已有测点可获得的热力参数信息，充分结合汽轮机末级工作原理以及各种因素对于设备特性的影响；基于对于汽轮机末级叶片工作特性的分析以及相关参数的物理内涵，提出了对于末级容积流量的准确估计方法；进而利用估计得到的末级叶片容积流量，对末级叶片动应力进行监测并对叶片是否可能发生颤振进行判断。

附图说明

图1为末级叶片工作原理示意图；

图2为工况标幺值以及凝汽器压力标幺值与末级叶片容积流量标幺值关系示意图；

图3为第七抽汽点压力标幺值以及可测量膨胀比标幺值与末级叶片容积流量标幺值关系示意图；

图4为基于本发明提出的静态估计方法估计效果；

图5为基于本发明提出的静态估计方法估计误差；

图6为基于本发明提出的静态估计方法在实际动态过程的容积流量估计效果；

图7为基于本发明提出的静态估计方法在实际动态过程的估计误差

图8为应用本发明所述一种汽轮机末级叶片容积流量估计及颤振检测方法中，对于动态变工况条件下容积流量的估计误差与静态方法对比示意图；

图9为典型600mw湿冷凝汽式机组末级叶片容积流量与叶片动应力关系，以及易发生颤振区间示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

具体实施方式一：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法，具体包括如下步骤：

步骤一、根据机组设计参数，确定第七抽汽点主蒸汽压力额定值p7-rated、第八抽汽点主蒸汽压力额定值p8-rated、凝汽器额定压力pcondenser-rated以及末级叶片可测膨胀比额定值πrated；根据机组实际运行情况，获得实测第七抽汽点主蒸汽压力值p7-measure、第八抽汽点主蒸汽压力值p8-measure与实测凝汽器压力pcondenser，基于以上参数获得实测的第七抽汽点主蒸汽压力标幺值p7-pu以及末级叶片可测膨胀比标幺值πpu，具体计算过程如下：

步骤二、汽轮机机组控制系统基于第七抽汽点主蒸汽压力标幺值p7-pu以及末级叶片可测膨胀比标幺值πpu获取在准稳态条件下的末级叶片容积流量gvsteady，具体计算过程如下：

gvsteady＝k1×p7-pu+k2×πpu+k3×πpu²+c1

其中，k1，k2，k3表示三个系数，c1表示静态常数修正项，k1、k2、k3和c1由最小二乘法确定；

步骤三、汽轮机机组控制系统基于实际动态过程中第八抽汽点压力p8压力的变化差分值对步骤二中输出的末级叶片容积流量gvsteady进行动态修正，获得修正后的末级叶片容积流量gvdynamic，具体计算过程如下；

其中，k4代表动态修正项系数，c2表示动态常数修正项；δt时间变化量，本实施方式中取1s。

本发明的充分利用了已有测点可获得的热力参数信息，充分结合汽轮机末级工作原理(参见图1)以及各种因素对于设备特性的影响；基于对于汽轮机末级叶片工作特性的分析以及相关参数的物理内涵，完整考虑了末级叶片工作原理、低压给水加热器、扩压导流环的工作原理，提出了基于准稳态的末级容积流量的准确估计方法，进一步对末级叶片动态运行特性进行分析，提出了基于动态修正的末级叶片实时估计方法。

所以，本发明所述的一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法受到物理内涵指导，即考虑影响末级叶片工作状态的本质因素为末级叶片膨胀比以及质量流量，因此对于容积流量估计存在较强的通用性，因不同类型的机组都存在差异，参数的变化受末级叶片尺寸还有一些结构参数的影响，但是对于同等级机组(比如说都是凝汽式600mw机组)参数变化范围不大，即各公式中仅需调整系数即可适应不同类型、不同容量机组的需求。本发明所述方法对于提高机组的安全监控水平具有非常重要的实际意义。

具体实施方式二：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片容积流量估计系统，所述系统用于执行一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法。

具体实施方式三：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片容积流量估计装置，所述装置用于存储和/或运行一种汽轮机末级叶片容积流量估计系统。

本实施方式所述装置包括但不限于计算机以及汽轮机的控制设备。

具体实施方式四：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片颤振预警方法，包括以下步骤：

首先，基于汽轮机出厂时对末级叶片所做的动应力测试得到的容积流量与动应力关系曲线，容积流量与动应力关系曲线为汽轮机出厂时所做实验得到，该过程本领域的公知内容，本发明直接采用容积流量与动应力关系曲线。

然后基于末级叶片容积流量gvdynamic，利用容积流量与动应力关系曲线确定动应力值n；

所述的末级叶片容积流量gvdynamic利用一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法确定；

当动应力值n＞30n′时，认为汽轮机末级叶片可能发生颤振并预警；所述n′为额定工况动应力。

本发明基于一种汽轮机末级叶片容积流量估计方法提出了一种汽轮机末级叶片颤振预警方法，可以有效的对汽轮机末级叶片颤振进行预警。

具体实施方式五：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片颤振预警系统，所述系统用于执行一种汽轮机末级叶片颤振预警方法。

具体实施方式六：

本实施方式为一种汽轮机末级叶片颤振预警装置，所述装置用于存储和/或运行一种汽轮机末级叶片颤振预警系统。

本实施方式所述装置包括但不限于计算机以及汽轮机的控制设备。

实施例

利用具体实施方式一进行进行末级叶片容积流量估计，并利用实施方式四进行末级叶片颤振预警，结合图2至图9说明本实施例。

图2为某实际机组工况标幺值以及凝汽器压力标幺值与末级叶片容积流量标幺值关系示意图，可见三者之间关系为一复杂曲面，无法直接对其进行准确刻画。

图3为第七抽汽点压力标幺值以及可测量膨胀比标幺值与末级叶片容积流量标幺值示意图，可以看出经过转换，三者之间关系较为明确，为一近似平面。根据本发明所述一种汽轮机末级叶片容积流量估计及颤振预警方法，提出了静态以及实时的容积流量估计公式，如下所示。

gvsteady＝0.002016×p7-pu+1.133×πpu-0.159×πpu²+0.01358

图4-图8为末级叶片容积流量估计效果。

从图4中可以看出，在准稳态情况下，本发明所述一种汽轮机末级叶片容积流量估计及颤振预警方法对于末级叶片容积流量的估计精度非常高；从图5中可以看出，估计值与真实值的最大误差不超过0.8％。

从图6与图7中可以看出在动态情况下，容积流量估计误差增大到最大2％，计算误差的均方误差mse值为5.09e-5；从图8中可以看出，在增加了动态修正项的情况下，修正后的容积流量估计误差的均方误差mse值为1.8549e-5，相比于不考虑动态的计算方式估计精度得到了极大的提升。

图9所示为一典型的600mw湿冷凝汽式机组末级叶片容积流量与动应力关系曲线，利用末级叶片容积流量实时监测值gvdynamic进行插值得到动应力估计值，如果处于超过30倍额定动应力的范围(虚线范围)，则认为叶片处于易发生颤振的工作区间，应及时采取措施调整机组运行状态。