专利名称：虚拟的测温点的制作方法
虚拟的测温点本发明涉及一种确定在厚壁构件，例如集汽箱、蒸汽管路、阀壳、透平 汽釭或透平轴之类的壁或轴内的温度剖面和综合的平均温度和/或轴向温度 的方法。在如尤其在构件壁内，例如汽轮机、阀壳、蒸汽管路内改变工作方式时 发生的加热和冷却过程中，在这些构件的厚壁内形成可导致材料巨大应力的 温度梯度。这些材料应力可导致材料提前磨损直至断裂。为了正是在蒸汽动力装置中使用时监测这种温度梯度，迄今在构件壁内 加入至少一个或多个测温点。根据获得的壁温或工质温度测量值，可以估算 在构件壁内部的温差和尤其确定相关的综合平均壁温。将综合的平均温度与 允许的极值作比较，应将材料热应力保持在允许的界限内。然而这种方法比 较昂贵和容易出错。与之不同，综合的平均壁温也可以在避免昂贵和容易出错地在壁内置入 测量点的情况下或对于那些其中不可能实现任何测量点的构件(例如透平轴) 进行计算。 一种可能的方法是，温度的计算借助用于在金属杆内热传导的尤 其基于贝塞尔方程的等效的数学模型。然而迄今以此为基础在大型工业设备 例如蒸汽动力管的传导技术中实现的系统，取决于工质温度变化的周期倾向 于振动，这种振动限制可靠地评估如此获得的温度值。因此本发明的目的是，提供一种确定综合平均壁温/轴向温度的方法， 它即使不在涉及的壁内使用测温点，也能特别准确地描绘壁温剖面并与此同 时特别耐用和是自稳定的。按本发明为达到此目的采取的措施是，为了确定在加热或冷却过程中综 合的平均壁温使用 一种多层模型，并追溯使用该多层^^型每一层的平均温 度。在使用这种多层模型时，构件壁想象为分成一些平行于表面其数量取决 于壁厚的多个分层。针对每一层使用的材料数据(热容量、热导率)与分层的 几何形状无关。在每一层内实施输入和排出热流非定常的平衡。根据实施的 非定常热平衡确定相应的平均层温。多层模型作为测量值有利地仅采用一些过程参数，亦即蒸汽温度f^和 蒸汽质量流量^^以及壁内原始温度剖面，在平衡的原始状态后者可通过原 始壁温f,。,描述。若不存在蒸汽质量流量测量装置，则蒸汽流量借助一个以 压力P嵐和阀位置Hav或自由通流横截面为基础的等效模型计算。这些过程 参数易于检测以及在工业设备的传导技术中 一般反正是应提供的。尤其不需 要附加的嵌入所涉及壁内的测量点。本发明考虑问题的出发点在于，在加热和冷却过程中壁内的温度剖面并 因而综合平均壁温，在取消昂贵和容易出错的加入在壁内的测量点的情况 下，即使不可能直接测量温度，仍能借助一个多层模型足够准确和稳定地计 算。为此确定瞬时的壁温剖面规定作为非定常热流平衡的函数。原则上用厚 壁构件内和外壁表面温度或甚至用工质温度和周围或隔热装置温度或仅仅 表面温度(例如对于轴)也可以工作。但业已证实特别有利的是，将厚壁分成多个分层。由此得到的优点是能 更好地确定壁温剖面并因而更准确地计算综合平均壁温，因为在厚壁内部的 非定常温度剖面有严重的非线性。这主要源于材料的热导率和单位材料热容 量本身与温度有关。使用多层模型的另一个优点是，在壁足够精细地分成多 个分层时，为了计算与温度有关的热导率和比热容，可以使用向前定向的计 算结构，也就是说用先前层的平均温度取代当前层的平均温度，由此避免可 能有正号的反馈，以及计算线路有非常耐用的特性。热传导系数a的计算优选地在考虑蒸汽凝结、湿蒸汽和过热蒸汽的情况 下进行。为此按一种模型进行工质状态的识别。不仅识别可能的包括相应的 蒸汽份额和水份额的凝结，而且识别过热的蒸汽状态。若仅存在过热蒸汽作 为工质，则用于热流从工质传输到第 一个壁层内的热传导系数(Xam有利地作 为蒸汽流量A詹的函数而形成。若反之出现蒸汽凝结，则热传导系数a按有利的方式如此计算，即，对 于工质已凝结的份额，即所谓的凝结分量，采用恒定的热传导系数aw。为了确定此凝结分量，使用作为压力pAM的函数的饱和温度Ts、工质温度T八M和加热/冷却表面的温度T,(第一层的平均温度)。取两个值中之较大者为厚壁构件第一层的温度T,以及将此结果与可调 的常数K比较。两个值中之较大者构成两个商的分母，它们在分子中有工质 温度与饱和温度TAMTs之差和饱和温度与厚壁构件第一层温度之差Ts-T,。第一个商，如果它是正的，与过热蒸汽的热传导系数OtAM相乘，第二个商， 如果它是正的，与水的热传导系数0tw相乘，为的是考虑凝结。两个乘积之 和与过热蒸汽的热传导系数(Xam比较。两个值中之较大者便是得到的热传导
系数a。
综合平均壁温^,的计算，以特别有利的方式，根据在n个分层内输入 和排出热流的非定常平衡得到。这在n个所述的分层模型中进行。
在第一个分层模型中，借助热传导系数a、工质温度T歲和不仅第一层 平均温度T,而且第二层平均温度T2,计算从工质到第一层内的热流^厕—,和 从第一层到第二层内的工质热流么-2。采用所涉及的层内的原始温度TAnf， 根据从工质到第 一层内的热流与从第 一层到第二层内的热流非定常的差
,-么-2 ，通过对时间积分得出第 一层的平均温度T，。
在第k个分层模型中，借助从第(k-l)层进入第K层内的热流《k-,^与从 第k层到第(k+l)层内的热流^(k+,)的非定常热流平衡，计算第k层的平均温 度Tk。采用第k层内的原始温度TAnfk,根据进入第k层内和从第k层出来 的非定常的热流差《w)—k-t(一，通过对时间积分得出第k层的平均温度Tk。
最后，在最后一个分层模型中，根据从倒数第二层即第(n-l)层进入最 后的第(n)层内与从最后 一层进入隔热装置内的非定常热流平衡 《 —n-^1S。L,计算最后的第(n)层的平均温度Tn。
第k层的热导率4和比热容Ck与温度的关系，恰当地通过多项式，优 选地二阶多项式近似，或通过一些适用的函数表达。
最后，在一个模型中按特别有利的方式通过各层平均温度Tk的权重在 考虑分层材料重量和等效壁段的材料重量的情况下确定综合平均壁温t,。
优选地，所述的整个方法在优选地在蒸汽动力装置的传导技术系统中能 力特别强的数据处理设备内实施。
采用本发明获得的优点尤其在于，厚壁构件的壁温剖面和综合平均壁 温，在取消构件壁内加入测量点的情况下，仅由过程参数，即工质的质量流 量和温度以及壁内的原始温度分布，以及当不存在或不可能直接测量蒸汽流 量时，附加地通过压力和阀位置或自由通流横截面，便能可靠和稳定地说明。 在这里分层数选择得越多，综合平均壁温/轴向温度的确定越准确。
下面借助附图详细说明按本发明的 一种采用三层模型和考虑隔热装置 (第四层)的实施例。其中
图1表示通过蒸汽管的剖面作为一个分成三层的厚壁的例子；
图2表示用于计算热传导系数的模型框图3表示用于计算第一层平均温度的模型框图4表示用于计算第二层平均温度的模型框图5表示用于计算第三层平均温度的模型框图；以及
图6表示用于计算综合平均壁温的模型框图。
在所有的图中相同的部分采用同样的附图标记。
图1表示管段1的剖面作为厚壁的例子。蒸汽管内腔2流过工质(蒸汽)， 热流从这里传入第一层4。与之连接的是第二层6和第三层8。管段l被隔 热装置10包围。
按图2，在蒸汽的情况下，蒸汽流量A^的测量值作为输入信号供给函
数生成器32，它由此计算热传导系数ClAM作为在蒸汽的情况下的工质流量
^^的函数0lAj^f(^^)。这一函数通过一定数量的支持点说明，在这里中间 值通过适用的内插法生成。
为了也能考虑部分凝结的情况，在函数生成器34的进口提供工质压力
Pam,它生成饱和函数T^f(PAM)并因而在其出口提供针对该压力的饱和温度
Ts。这一函数通过支持点(来自蒸汽图表的压力和温度)说明，在这里中间值 通过适用的内插法确定。
工质的温度丁am与饱和温度Ts通过最大值发生器36比较。从较大的值 通过减法器38减去第一层的平均温度T,。差值通过最大值发生器40与可调 的常数K比较。因此在最大值发生器40的出口出现信号
7V = max(max(7^,; 7^) — ^;尺)
它提供给两个除法器42和44的分母进口 。
除法器42在其分子进口得到通过减法器46生成的差值TAM-Ts。若它 是正值，函数发生器48将信号
只进一步传给乘法器50的进口。此信号说明已汽化的工质的百分比份
额，即所谓蒸汽分量。若差值丁AM-Ts为负值，亦即工质温度低于饱和温,
则在乘法器50相应的进口出现信号"零"。
在乘法器50的另一个进口出现蒸汽的热传导系数CIam。
58的其中 一个进口输入用蒸汽分量加权后的热传导系数apD。除法器44在其分子进口得到通过减法器52生成的差值Ts-T"若它是 正值，函数发生器54将信号&一；只进一步传给乘法器56的进口。此信号说明凝结分量的百分比份额。 若差值Ts-T,为负值，亦即第一层的平均温度高于饱和温度，则在乘法器56 相应的进口出现信号"零"。在乘法器56的另一个进口出现水的热传导系数aw。因此在加法器58 的第二个进口输入用凝结分量加权后的热传导系数apW。在最大值发生器60的一个进口针对蒸汽的情况出现热传导系数CIam。在第二个进口针对部分凝结的情况存在由加法器58生成的热传导系数两个值中较大者便是当前的热传导系数a。若不存在任何蒸汽质量流量的测量，则蒸汽质量流量例如借助下列计算 线路计算。在函数生成器12内将阀位置的实际值HAv转换为自由通流面积 AAV。通过乘法器14和16将自由通流面积与适用的换算因子Ku,和Kw相 乘以及输给另一个乘法器18。工质的压力pAM同样通过乘法器20与适用的 换算因子Ku4相乘并传给乘法器18第二进口，它的结果赋予乘法器22的进 口。通过乘法器24与适用的换算因子Ku5相乘得到的工质温度Tam侍給除 法器26的额定进口，它的计数器进口包含一个1。在出口出现倒数值。通过 开方器28将倒数值的根传给乘法器22的第二进口 。在乘法器22出口通过 乘法器30与适用的换算因子Ku3相乘得到的信号描述蒸汽流量A观。总之， 由此为了计算蒸汽流量得到<formula>formula see original document page 7</formula>按图3用于第一层的模型根据非定常的热流平衡确定第一层平均温度 T,。为此，首先通过减法器62根据工质温度TAM和第一层平均温度T,生成 温度差Tam-Tp以及通过乘法器64与热传导系数a相乘。乘法器66将此 信号与 一个适用的可调的系数KAL相乘，它说明用于从工质到构件壁内热传 导的等效的第一表面面积。在乘法器66的出口出现有关从工质到第一层内的热流的信号,=a^(L -。 它提供给减法器68的被减数进口 。第一层的热导率^和比热容c,与温度的关系在本实施例中通过二阶多 项式近似，它用系数W(h、 Wn和W21以及C(h、 Ch和C2,表示。在本例中使 用的多项式有如下形式这通过将工质温度赋予三个乘法器70、72和74进口在线路技术上模拟。 为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统的稳定性，在这里 使用向前定向的结构，也就是说使用工质温度Tam取代第一屋的平均温度 T,。为了计算热导率，在乘法器70的第二进口出现多项式常数Wu。出口 与加法器76的进口连接。在作为乘方器连接的乘法器72出口存在工质温度平方ri的信号。它通 过乘法器78与多项式常数W2,相乘，以及接着传给加法器76的第二进口 。多项式常数W(h与加法器76的第三进口连接。在其出口出现通过上述 表达式得出的取决于温度的热导率^。为了计算比热容，在乘法器74的第二进口加入多项式常数Cn。乘法器 74的出口与加法器80进口相连。在加法器80的第二进口存在多项式常数 C(m。在乘法器72出口存在的工质温度平方r丄借助乘法器82与多项式系数 C2,相乘，并接着提供给加法器80的第三进口。在其出口出现通过上述表达 式得出的取决于温度的比热容c,。减法器84根据第一层与下一层的平均温度生成温差T,-T2。它通过乘法 器86与来自加法器76出口取决于温度的热导率？w相乘，以及通过乘法器 88与常数Kwi相乘，它含有层厚和等效表面面积的关系。在乘法器88出口 存在从第 一层到第二层内的热流信号此信号传给减法器68的减lt进口。在其出口存在热流差^，.,-《.2的信 号，它借助乘法器卯与系数Kt,相乘，它考虑在第一层内与分层材料重量 有关的温度变化速度。得到的信号借助除法器92除以在加法器80出口处存在的取决于温度的 比热容c,。
内层的平均温度4艮据热流差对时间t的积分产生
<formula>formula see original document page 9</formula>
在除法器92出口处出现的信号供给积分器94,它作为起始条件采用第
一层的原始温度TAnfl。
按图4用于第二层的模型根据非定常的热流平衡确定第二层平均温度 T2。为此，首先通过减法器96根据第三层的温度丁3和第二层平均温度T2 生成温度差T2-T3，以及通过乘法器98与第二层取决于温度的热导率、相 乘。乘法器100将此信号与一个适用的可调的系数Kw2相乘，它含有热传导 与层厚和表面面积的关系。在乘法器100的出口出现有关从第二层到第三层 内的热流的信号
々2-3 ^^(K _。
它提供给减法器102的减数进口 。
在减法器102的被减数进口存在从第一层到第二层内热流^的信号。 它的出口提供热流差4,-2-^_3。乘法器104将此信号与一个可调的系数KT2 相乘，它考虑第二层内与分层材料重量有关的温度变化速度。接着，此信号 借助除法器106除以第二层取决于温度的比热容C2，然后提供给积分器108 的进口。积分器108作为起始条件采用第二层的原始温度TA^。在其出口存 在第二层的平均温度
C2 0
第二层的热导率、和比热容C2与温度的关系仍通过二阶多项式和系数
W02、 \￥12和W22以及Q)2、 C,2和C22近似。此多项式为 A2 =『02 +『227
这通过将第一层的平均温度T,赋予三个乘法器110、 112和114进口在 线路技术上模拟。为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统 的稳定性，在这里使用向前定向的结构，也就是说使用第一层平均温度T, 取代第二层的平均温度T2。
为了计算热导率，在乘法器llO的第二进口出现多项式常数Wn。出口与加法器116的进口连接。在作为乘方器连接的乘法器112出口存在第一层平均温度平方f的信号。它通过乘法器118与多项式常数W22相乘，以及接着传给加法器116的第二进口。多项式常数Wo2与加法器116的第三进口连接。在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的热导率、。为了计算取决于温度的比热容，在乘法器114的第二进口加入多项式常 数C,2。乘法器114的出口与加法器120进口相连。在加法器120的第二进 口存在多项式系数Q)2。在乘法器112出口存在的第一层平均温度平方2f借 助乘法器122与多项式系数C22相乘，并接着提供给加法器120的第三进口。 在其出口出现通过上述表达式得出的取决于温度的比热容c2。按图5用于第三层的模型根据热流平衡确定第三层平均温度T3。为此， 首先通过减法器124根据隔热装置的温度TIS0L和第三层平均温度T3生成温 度差OVIW)l)，以及通过乘法器126与一个适用的可调的系数K,soL相乘， 它说明隔热装置热损失的大小。在乘法器126的出口出现有关从第三层到隔 热装置层内的热流的信号(在这里还存在直接说明隔热装置热损失的可能性)(/皿二尺/舰(K _ K舰) 它提供给减法器128的减数进口 。在减法器128的被减数进口存在从第二层到第三层内热流^_3的信号。 它的出口提供热流差l广么一肌。乘法器130将此信号与一个可调的系数K丁3 相乘，它考虑第三层内与分层材料重量有关的温度变化速度。接着，此信号 借助除法器132除以第三层取决于温度的比热容C3，然后提供给积分器134 的进口。积分器134作为起始条件采用第三层的原始温度T Anf3。在其出口 存在第三层的平均温度C3 0第三层的比热容c2与温度的关系通过二阶多项式和系数Ob、 C13和C23 近似。此多项式为<formula>formula see original document page 10</formula>为了避免可能的正反馈(取决于材料性质)并因而提高系统的稳定性，在这里使用向前定向的结构，也就是说在这里使用第二层平均温度丁2取代第 三层的平均温度T3。
这通过将第二层的平均温度T2赋予两个乘法器136和138进口在线路 技术上模拟。在乘法器136的第二进口加入系数C,3。乘法器136的出口与 加法器140进口相连。在加法器140的第二进口存在多项式系数Q)3。在乘 法器138出口存在的第二层平均温度平方r/借助乘法器142与多项式系数 C23相乘，并接着提供给加法器140的第三进口。在其出口出现通过上述表 达式得出的取决于温度的比热容c3。
按图6根据各分层的平均温度T,、 T2、 T3确定综合的平均温度^。三 个乘法器144、 146和148将温度信号与适合的权重因子KG,、 Kg2和Kg3相 乘，它们相应于分层材料的重量为各分层的平均温度加权。加权后的温度信 号到达加法器150的进口。它的出口信号借助乘法器152与系数Kg相乘， 它考虑等效壁段材料总重量的影响。在乘法器152的出口出现综合的平均温 度^的信号。
权利要求
1.一种确定在厚壁或轴内的温度剖面和综合的平均温度和/或轴向温度的方法，其中，为了确定综合平均壁温，在一种多层模型中的加热或冷却过程中利用每一层的平均温度来计算该综合的平均壁温。
2. 按照权利要求1所述的方法，其中，为了计算使用一些参数，即工 质的温度和质量流量以及在厚壁内的原始温度。
3. 按照权利要求1或2之一所述的方法，其中，根据工质的压力和温 度以及阀的自由横截面确定蒸汽流量。
4. 按照权利要求1至3之一所述的方法，其中，在仅为过热蒸汽的情 况下确定从工质向构件壁内热传导的热传导系数作为蒸汽流量的函数。
5. 按照权利要求1至3之一所述的方法，其中，在存在凝结的情况下 确定从工质向厚壁构件内热传导的热传导系数与凝结分量的关系。
6. 按照权利要求1至5之一所述的方法，其中，每一层的平均温度根 据用于该层的非定常热流平衡来计算。
7. 按照权利要求6所述的方法，其中，每一层的热导率随温度的关系 通过多项式，尤其是二阶多项式来近似。
8. 按照权利要求6所述的方法，其中，每一层的比热容随温度的关系 通过多项式，尤其是二阶多项式来近似。
9. 按照权利要求1至8之一所述的方法，其中，在考虑到各层的材料 重量和等效壁段总重量的情况下，根据这些层的平均温度确定所述综合的平 均温度。
全文摘要
本发明涉及一种确定在厚壁或轴内的温度剖面和综合的平均温度和/或轴向温度的方法，其中，为了确定在加热或冷却过程中综合的平均壁温，按一种多层模型根据每一层的平均温度计算该综合的平均壁温。对此按本发明采取的措施是，为了确定在加热或冷却过程中综合的平均壁温使用一种多层模型，并利用各层的平均温度。
文档编号G01K17/20GK101292141SQ200680038844
公开日2008年10月22日 申请日期2006年9月25日 优先权日2005年10月19日
发明者奥尔德里克·扎维斯卡 申请人:西门子公司