一种适合灵活性调峰的集汽联箱寿命在线评估方法

技术领域

本发明涉及燃煤机组集汽联箱技术领域，具体涉及一种适合灵活性调峰的集汽联箱寿命在线评估方法。

背景技术

煤电将由过去的“主体电源、基础地位、支撑作用”，转向近中期(2021～2030年)“基荷电源与调节电源并重”，煤电将发挥在煤炭转化、电热供应、系统调峰等方面的基础性作用，到远期(2031～2050年)煤电将成为单纯的“调节电源”，为保障电力安全供应兜底，为全额消纳清洁能源调峰。

随着燃煤机组大量参与电网调峰和调频的工作，煤电灵活性运行成为常态化运行，但是，机组锅炉集汽联箱在工作中不仅承受压应力带来的应力变化，而且承受压力和温度变化带来的集汽联箱并联分支管在管座处引起的应力集中问题，造成锅炉安全性的降低，如何保证厚壁部件在灵活性运行下的安全性成为关注方面。

目前燃煤机组锅炉最高的变负荷范围达到了30-100％BMCR，最大负荷变化范围已经达到了20％BMCR以下。因此，机组的灵活性运行过程中承受的应力幅变化范围变得比设计范围更大。按照应力设计原则，燃煤机组主要是由内压应力和热应力组成机组的应力幅作用，热应力在冷态启动初期，由于内压不能快速变化引起温度的剧烈变动，启动初期温度的剧烈变化会造成合成应力为负值，变化速度越大那么热应力为负值，变得更小。因此，如果能够根据在线监测获得集汽联箱的寿命损耗情况，从而可以迅速获得机组的疲劳和蠕变造成损耗情况。

燃煤机组锅炉厚壁部件集汽联箱冷态启动初期，热应力变化剧烈主要集中在联箱分支管管座位置，如果能够对这些部位根据在线数据获得应力幅变化数据，就会有效降低压应力和热应力对机组灵活性运行的限制。防止集汽联箱内压应力和热应力不均引起的局部金属热疲劳和高温的蠕变损伤。

综上所述，现今煤电机组亟需一种技术能够在线监测锅炉集汽联箱灵活性运行过程中集汽联箱的疲劳和蠕变损耗情况。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种适合灵活性调峰的集汽联箱寿命在线评估方法，包括如下步骤：

计算集汽联箱内机械应力和热应力，通过机械应力和热应力计算等效应力；

通过等效应力合成应力评价标准，确定特定负荷时间历程的疲劳循环和次数；

根据疲劳循环次数计算集汽联箱的疲劳寿命损耗；

计算集汽联箱的蠕变寿命损耗；

通过疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗计算总累积损伤，并获取集汽联箱一分钟的平均温度和压力数据，每分钟对平均温度和压力数据进行一次应力和蠕变计算，将得到的数值进行比较和验证后进行存储，通过存储的数值计算集汽联箱寿命。

进一步地，所述集汽联箱内机械应力的计算方法为：

计算集汽联箱内机械的轴向应力

r

式中，i、o代表内径和外径，r为联箱的半径，单位m，p为工作压力，单位MPa。

进一步地，所述热应力的计算方法为：

通过使用数学模型预测集汽联箱的内壁温度，从而预测c联箱内的轴向热应力

式中，α为热膨胀系数，E为弹性模量，ν为泊孙比。

进一步地，所述通过机械应力和热应力计算等效应力的具体方法为：

通过叠加原理计算集汽联箱内关键点的联箱厚壁金属中的轴向主要结构应力σ

通过轴向主要结构应力σ

5.进一步地，所述通过等效应力合成应力评价标准，确定特定负荷时间历程的疲劳循环和次数的具体方法为：

通过等效应力合成两种应力评价标准，两种应力评价标准的定义公式如下：

σ

通过雨流循环计数算法分析不规则变化应力得出应力循环，根据应力循环，使用材料疲劳曲线计算疲劳循环应力幅，从而确定特定负荷时间历程的疲劳循环和次数。

进一步地，所述根据疲劳循环次数计算集汽联箱的疲劳寿命损耗的具体方法为：

通过疲劳循环确定对集汽联箱造成的损坏后，将不同应力水平下的疲劳循环应力幅值进行求和计算线性损伤总损伤分数ΔD

式中，n

进一步地，所述计算蠕变寿命损耗的计算方法为：

定义拉森-米勒参数，定义公式如下：

LMP＝T(logtr+C)

式中，T是开尔文温度，tr是蠕变断裂时间，C是20量级的常数；

根据联箱获得的环向应力绘制拉森-米勒参数，然后使用罗宾逊寿命分数规则来确定蠕变寿命分数，蠕变寿命损耗计算公式如下：

其中T

进一步地，所述通过疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗计算总累积损伤，并获取集汽联箱一分钟的平均温度和压力数据，每分钟对平均温度和压力数据进行一次应力和蠕变计算，将得到的数值进行比较和验证后进行存储，通过存储的数值计算集汽联箱寿命的具体方法为：

通过疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗获得的疲劳和蠕变损伤应用线性损伤规则，并根据获得的疲劳和蠕变损伤应用线性损伤规则计算总累积损伤；

获取集汽联箱一分钟的平均温度和压力数据，每分钟对平均温度和压力数据进行一次应力和蠕变计算，将值与预设的最小值和最大值以及先前的计算值进行比较并检查计算值是否由于设备故障而确定数据取舍，来完成测量数据的验证；

对验证后的数据进行存储，通过存储的数值计算集汽联箱寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

超(超)临界锅炉联箱即承受疲劳损伤，又承受疲劳损伤，这两者的交互影响会造成联箱在灵活运行下寿命损耗快速降低，对联箱安全运行造成影响，通过本专利可以让运行和检修人员了解冷态、温态、热态和极热态下联箱的寿命损耗情况，针对寿命损伤中疲劳和蠕变损伤采用定量的分析进行评估，能够帮助运行人员和管理人员，掌握联箱在每一次负荷变化和启停工况下的寿命消耗情况，通过本发明，可以针对联箱形成不同运行下的应力和寿命损耗历史记录，并可以进行查询和分析，有助于运行人员掌握每次运行操作引起的联箱疲劳和蠕变的变化，帮助检修人员确定寿命消耗速度和进度，进而能够有针对性的采取措施，开展专项检查。

附图说明

图1为不同强度铁素体钢的S-N曲线图；

图2为恒载荷蠕变的经典时间-应变曲线图；

图3为钢的蠕变断裂曲线图；

图4为联箱疲劳和蠕变在线计算和评估方法图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供一种适合灵活性调峰的集汽联箱寿命在线评估方法，包括如下步骤：

步骤一、计算集汽联箱内的机械应力和热应力，通过机械应力和热应力计算等效应力；由压力引起的集汽联箱内机械应力的计算方法为：

计算集汽联箱内机械的轴向应力

r

式中，i、o代表内径和外径；r为联箱的半径，单位m；p为工作压力，单位MPa。

热瞬变引起的应力更难估计。当部件壁上存在温差时，会产生热应力。在锅炉联箱内由管道内流体温度的变化引起。通过使用数学模型预测内壁温度，从而预测热应力。热应力的计算方法为：

通过使用数学模型预测集汽联箱的内壁温度，从而预测c联箱内的轴向热应力

式中，α为热膨胀系数，E为弹性模量，ν为泊孙比。

通过叠加原理计算集汽联箱内关键点的联箱厚壁金属中的轴向主要结构应力σ

通过轴向主要结构应力σ

步骤二、通过等效应力，冯·米塞斯和特雷斯卡提出两个合成应力评价标准，两种应力评价标准的定义公式如下：

σ

通过雨流循环计数算法分析不规则变化应力得出应力循环，根据应力循环，使用材料疲劳曲线(图1所示)计算疲劳循环应力幅，从而确定特定负荷时间历程的疲劳循环和次数。雨流法是循环处理的一种公用方法，可以将获得的应力幅分成可以单独计算的多个应力循环，最终用于应力幅计算不规则变化是指应力幅数值变为高低交互变化的一系列数据，这样用于雨流法的计数。

步骤三、集汽联箱的疲劳是由重复加载和卸载引起的材料损坏。加载和卸载的顺序通常称为疲劳循环。在确定循环对材料造成的损坏时，最具决定性的因素是循环的最大应力和最小应力之间的差值，称为应力幅：

式中，σ

通常应力循环由R值描述，定义为：

R＝σ

式中，R值为-1表示平均应力为零的循环。R值为零，表示最小应力为零的循环。

疲劳可进一步分为低周疲劳和高周疲劳。在高周疲劳中，应力和应变的幅度在材料的弹性极限内，并且发生失效所需的载荷量很大。在低周疲劳中，应力至少在加工硬化发生之前的开始阶段引起部分塑性变形。与高循环疲劳相比，失效所需的循环次数相对较少。在动力锅炉受压部分，低周疲劳通常是人们关注的机制，尤其是由热应力和启动时发生的大压力波动以及其他负载变化引起的变形是造成最大损害的原因。通常，100000次循环后失效被认为是低循环疲劳和高循环疲劳之间的界限。

对于许多材料(例如不同钢材)，存在一定的应力幅值，在该应力幅值下不会引起疲劳，该应力值称为疲劳强度或耐力极限，对于金属，该值通常约为拉伸强度的三分之一，然而，其他一些材料则不具备这一点。

图1给出双对数循环应力范围与N曲线，这种曲线被称为S-N曲线，用于寿命损耗评估。

评估应力循环引起的疲劳时还需要考虑的另一件事是，计算平均应力为零的循环的疲劳，并且S-N图通常是根据这种假设来计算的，然而，随着平均应力的增加，循环引起的疲劳损伤也会增加。当材料经历多个负载循环时，它们造成的损坏会累积。确定累积损伤的最简单方法是将不同应力水平下的它们简单地求和，故：

通过疲劳循环确定对集汽联箱造成的损坏后，将不同应力水平下的疲劳循环应力幅值，这些幅值将使用材料疲劳曲线(图1)，从Y应力幅值轴，获得X轴对应的允许应力循环次数Ni，进行求和计算线性损伤总损伤分数ΔD

式中，n

步骤四、蠕变，有时也称为冷流，是一种物理现象，其中固体物质的原子在应力下在低于熔点的温度下移动，导致应变并最终导致材料破裂。和以前一样，重点关注晶体物质，特别是金属，具有足够热能的原子移动到钢晶体结构内的空位，这种扩散导致位错平面中的原子四处移动，并允许位错从位置上松开，从而允许位错由于影响材料的应力而四处移动，直到再次被钉扎，然后重复该循环，这种变形有时称为爬升，发生在熔点35％以上的温度下。

图2显示了通常用于描述时间-应变曲线上的蠕变的三种不同状态。在初级蠕变状态，应变是由位错攀爬引起的，通常很小，应变率降低是由于微观结构的变化阻碍了位错运动。

二次或稳态蠕变状态是锅炉应用中最受关注的状态之一，根据温度的不同，位错攀爬或扩散引起的蠕变是此处的驱动机制，这里应变硬化是由晶体结构的恢复引起的。当材料由于晶界中存在过多的空隙而开始颈缩时，就会发生三次蠕变。第三级蠕变非常快，一旦颈缩开始发生，断裂就会很快发生。因此，在进行设计考虑时，三次蠕变通常不太受关注。

在二级和三级蠕变状态下发生的幂律蠕变引起的应变率通常可表示为

式中，Q

对于材料中发生的宏观变形，晶体之间也必须存在相互作用，扩散发生在晶体之间，其中晶界充当空位和原子的源和汇；晶界处的原子和足够的能量然后可以从晶粒跳跃到晶粒以填充此类空位。这种机制对晶体产生的与应力平行的应变率类似于粘性流，可以表示为：

其中C是常数，金属的指数项约为18。值得注意的是，与晶粒直径d的平方成反比关系，这意味着晶粒尺寸较小的材料的变形大大加速，因此，许多高温应用青睐大晶粒尺寸的钢，而一些特殊应用则使用单晶叶片来完全避免这种蠕变。当原子从一个晶体扩散到另一个晶体时，它们在边界中留下空位，导致空隙在垂直于应力的边界上成核，如果有足够的时间，这些空隙可能会连接起来，并且在某些时候，这些晶界之间可能会发生断裂，一般来说，该机制发生需要高于熔化温度70％的温度。

出于设计目的，应了解材料抵抗蠕变的能力，通常这是通过在恒温下对材料施加恒定的拉伸应力并测量应变来完成的；例如，考虑高温钢应用计算标准要求测量1％伸长率和断裂的时间，蠕变断裂强度定义为在大气条件下在特定时间和温度范围内发生断裂的应力，通常断裂强度值显示在应力-对数时间曲线上，如图3所示。

通常，这些测量是在不同的温度范围和应力下进行的，以便进行更准确的预测。由于动力锅炉组件可能使用数年，因此可以推断较短测试时间的结果以进行较长时间的预测。一种常见且相当简单的外推方法是使用拉森-米勒参数(LMP)。它被定义为：

LMP＝T(logtr+C)

式中，T是开尔文温度，tr是蠕变断裂时间，C是20量级的常数；

可以根据联箱获得的环向应力绘制拉森-米勒参数(LMP)，然后使用罗宾逊寿命分数规则来确定蠕变寿命分数，它指出，在不同的条件下，蠕变寿命损耗计算公式如下：

其中T

当方程等于1时，蠕变断裂的概率预计非常高。该方法甚至不尝试精确，但它尝试将剩余寿命置于可能值范围内，这里描述的方法还包括固有的误差源，因为它不考虑材料特性的变化，这种变化是由氧化和腐蚀引起的，这两种情况在发生蠕变的锅炉区域都很常见。

这种方法可以有效地反映集汽联箱在灵活性调峰过程中的寿命消耗情况，为集汽联箱的安全运行和维护提供科学依据

步骤五、锅炉集汽联箱疲劳和蠕变交互作用的在线监测方法,计算程序基于以上方法的集汽联箱疲劳和蠕变寿命计算方法，通过疲劳寿命损耗和蠕变寿命损耗获得的疲劳和蠕变损伤应用线性损伤规则，并根据获得的疲劳和蠕变损伤应用线性损伤规则计算总累积损伤，将疲劳损伤和蠕变损伤相加就可以得到总的累计损伤；，获取集汽联箱一分钟的平均温度和压力数据，每分钟对平均温度和压力数据按照轴轴向应力

计算将较大的应力波动存储到关系数据库中以供疲劳计算使用，该数据库还包括计算所使用的材料数据，疲劳计算以较长的时间间隔(例如一天)执行，它对通过应力计算出的应力和先前计算的剩余应力序列应用范围进行交变循环计数，分析负荷周期被存储到关系数据库中，疲劳计算还产生长期平均和求和数据，用于长期存储和报告目的。

产生的应力、疲劳和蠕变值存储在历史数据库中。为了提高分析数据的能力，还存储了温度变化率、厚壁部件的壁温差以及测量和计算有效性计算的文件，对于蠕变损伤，将蠕变寿命消耗率与部件的设计寿命消耗进行比较，获得无量纲蠕变损伤指数,记录在数据库中。

联箱的在线评估框图如下图4所示，代表了在线计算的主要计算输入和计算关系，以及输出型式。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。