一种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种燃气透平热端部件可靠性监测与评估技术，具体涉及一种用于燃 气轮机热端部件的可靠性监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，燃气轮机组发电技术正日益得到广泛应用。提高燃气温度是提高能量转换 效率的重要措施，世界上先进燃气轮机的透平进口总温已经达到2000K以上，大大超过了 材料的熔点温度，对燃气轮机的热端部件带来了很大的伤害。先进燃气轮机对高参数（高 温、高压）、大容量、长寿命的追求，致使热端部件的寿命设计与服役性能可靠预测，成为对 燃气轮机性能和可靠性有着双重重要影响的关键问题。在服役性能预测层面，随着断裂力 学、损伤力学和现代疲劳设计理论的发展以及高温热端构件监测/失效分析技术的成熟， 人们逐渐意识到：电厂启停等引起热机复杂载荷与高温极端环境交互作用，会极大程度上 加速燃气轮机热端部件的损伤与破坏，这给其性能与寿命预测提出了严峻考验。正如美国 国家航空航天局（NASA)的研究报告指出：蠕变疲劳载荷与环境的耦合作用致使高温部件 加速失效，进而导致燃气轮机事故比率逐年增加，燃气轮机结构完整性评价与可靠性保障 面临新的挑战。在寿命设计层面，基于单纯依据疲劳或蠕变的寿命设计方法，明显不能用于 化学一力学多场耦合条件（疲劳一蠕变一氧化）下的寿命外推，现有模型方法及寿命设计 准则能否适用于关键高温构件的蠕变疲劳寿命评定需重新审核。在运行维护层面，需要开 发出新的方法与技术，在线实时监测燃气轮机关键部件的可靠性情况，及时诊断出关键部 件的剩余寿命，提出科学合理的维护措施，确保燃气轮机的运行安全。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种所需传感器信 号少、不需要增加在役机组的传感器数量、无需测量热端部件金属温度信号、对燃气轮机热 端部件无损伤的用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
[0005] -种用于燃气轮机热端部件的可靠性监测方法，步骤包括：
[0006] 1)采集燃气轮机发电机组的运行参数信号；
[0007] 2)根据运行参数信号中的机组电负荷和转子转速确定燃气轮机发电机组的当前 工况；
[0008] 3)计算燃气轮机发电机组在当前工况下的等效运行小时数；
[0009] 4)根据各个工况下的等效运行小时数累计计算燃气轮机热端部件的等效运行小 时数；
[0010] 5)根据燃气轮机热端部件的等效运行小时数计算燃气轮机热端部件的剩余寿命 及可靠性。
[0011] 优选地，所述步骤1)中的运行参数信号包括：燃气的质量流量、燃气透平进口燃 气温度、机组实际运行小时数、机组电负荷和转子转速。
[0012] 优选地，所述步骤2)的详细步骤包括：
[0013] 2. 1)获取机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数；
[0014] 2. 2)基于运行参数信号以及机组电负荷对时间的导数、转子转速对时间的导数确 定燃气轮机发电机组的当前工况：当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负 荷信号对时间的导数的绝对值接近于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为 带稳定负荷运行；当转子转速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对 时间的导数小于零同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为正常停机；当转子转 速小于额定转速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值趋于 无穷大同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为甩负荷；当转子转速小于额定转 速、转子转速对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的导数小于零、机组电负荷对时间的 导数的绝对值大于第一预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为紧急停 机；当转子转速等于额定转速、机组电负荷大于零、机组电负荷对时间的导数的绝对值大于 第二预设阈值同时成立时，判定燃气轮机发电机组的当前工况为负荷快速变动；所述第一 预设阈值比第二预设阈值大。
[0015] 优选地，所述步骤3)的详细步骤包括：
[0016] 3. 1)检测当前工况的类型，如果当前工况为带稳定负荷运行，则跳转执行步骤 3.2);如果当前工况为正常停机，则跳转执行步骤3.3);如果当前工况为甩负荷，则跳转执 行步骤3.4);如果当前工况为紧急停机，则跳转执行步骤3.5);如果当前工况为负荷快速 变动，则跳转执行步骤3.6);
[0017] 3. 2)计算燃气轮机发电机组输出的电功率Pel;根据电功率P el和燃气轮机发电机 组的额定输出负荷值P+c确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数β p;根据式（1)计算 燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数；
[0018]
(1)
[0019] 式（1)中，拉表示燃气轮机发电机组带稳定负荷运行工况下的等效运行小时数， α表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，βρ表示燃气轮机发电机组的机组电负 荷系数，Tp表示燃气轮机发电机组的实际运行小时数；
[0020] 3. 3)根据式（2)计算燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数；
[0021]
(2)
[0022] 式（2)中，f表示燃气轮机发电机组正常停机工况下的等效运行小时数，α表示 燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，Tsl表示正常停机过程折算的等效运行小时数；
[0023] 3. 4)根据式（3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数；
[0024]
⑴
[0025] 式（3)中，T表示燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效运行小时数，α表示燃 气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，^表示机组甩负荷系数，T s2表示正常停机过程折 算的等效运行小时数；
[0026] 3. 5)根据式（4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数；
[0027]
(4)
[0028] 式（4)中，表示燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数，α表示 燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，β i表示机组紧急停机系数，T s3表示正常停机过 程折算的等效运行小时数；
[0029] 3. 6)根据式（5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数；
[0030]
⑴
[0031] 式（5)中，.$表示燃气轮机发电机组负荷快速变动工况下的等效运行小时数，α 表示燃气轮机热端部件的寿命损伤差异性系数，β 14表示机组快速负荷变动系数，Ts4表示正 常停机过程折算的等效运行小时数。
[0032] 优选地，所述步骤3. 2)中具体是指根据式（6)计算燃气轮机发电机组输出的电功 率 Pel;
[0033]
(6)
[0034] 式（6)中，Pel表不发电机组输出的电功率，n g表不发电机组的效率，〃'?表不燃气 的质量流量，Cp表示空气的定压比热容，T3表示燃气透平进口燃气的热力学温度，τ表示空 气在燃气轮机中的升温比，η表示空气在燃气轮机中的增压比，k表示空气的绝热指数。
[0035] 优选地，所述步骤3. 2)中根据电功率UP燃气轮机发电机组的额定输出负荷值 P+c确定燃气轮机发电机组的机组电负荷系数β p时，当电功率Pel的值为额定输出负荷值 Pel,。的80%以上时，机组电负荷系数β p取值为I. 0 ;当电功率P el的值为额定输出负荷值 Pel,。的80%~90%倍之间时，机组电负荷系数β p取值为L 1。
[0036] 优选地，所述步骤3. 4)中根据式（3)计算燃气轮机发电机组甩负荷工况下的等效 运行小时数时，当燃气轮机发电机组甩80%以上额定负荷时，机组甩负荷系数|^取值为 3. 0 ;当燃气轮机发电机组甩50%以下额定负荷时，机组甩负荷系数^取值为2. 4 ;所述步 骤3. 5)中根据式（4)计算燃气轮机发电机组紧急停机工况下的等效运行小时数时，当燃气 轮机发电机组从80%负荷工况及以上紧急停机时，机组紧急停机系数β ,取值为2. 0,当燃 气轮机发电机组从50%~80%负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数β ,取值为1. 6， 当燃气轮机发电机组从30%~50%负荷工况紧急停机时，机组紧急停机系数β j取值为 1. 4,当燃气轮机发电机组从30%负荷工况及以下紧急停机时，机组紧急停机系数β ,取值 为1. 〇 ;所述步骤3. 6)中根据式（5)计算燃气轮机发电机组负荷快速变动工