电站锅炉承压部件寿命分析及在线监测

论文摘要

国民经济的高速发展和城乡居民生活水平的不断提高,大大促进了电力工业的发展。火电设备初投资大,占用资金多,保证并延长这些发电设备的使用寿命意义重大。锅炉是火电机组中最重要的部件之一,其中承压部件消耗的钢材占锅炉本体的80%以上,锅炉寿命在很大程度上取决于承压部件的寿命。本文开展对锅炉寿命的研究,针对不同失效机制的承压部件建立了一整套寿命损耗计算模型,自主研发了锅炉寿命在线监测系统,进行了寿命损耗分析。另外,还将数据挖掘技术应用到锅炉寿命管理中,收到了较好的效果。对以疲劳为主导失效机制的承压部件,以汽包为例分析了疲劳寿命损耗规律,并进行了寿命损耗计算。提出了适应在线监测的寿命计算简化方法,在此基础上研发了基于DCS和MIS的汽包寿命在线监测和管理系统。该系统把对实时性要求较高的应力计算放在DCS系统内完成,而将对实时性要求不高的寿命计算放在MIS系统内完成,最大限度地利用了硬、软件资源,易于现场应用。对寿命损耗主导机制为蠕变的高温受热面,以过热器为例对寿命损耗规律进行了分析,建立了寿命损耗计算模型,提出了确定寿命监测危险点的原则。研发了基于SIS的电站锅炉寿命损耗在线监测系统,该系统建立了一个通用的数据交换和处理平台,不仅可以用于过热器,还可以用于其它承压部件。针对寿命分析的关键参数管壁温度进行了深入研究。采用基于热偏差分析的壁温计算方法确定了过热器危险点。特别地,利用薄壳换热模型将烟气和蒸汽两个独立的计算域耦合在一起,借助UDF函数将下炉膛的辐射热按照高斯分布的方式传递给上炉膛,采用非结构化网格,用数值模拟的方法得到了高过和屏过的管壁温度分布。针对受疲劳和蠕变交互作用的承压部件,以汽水分离器为例,运用ANSYS进行了机械和温度载荷共同作用的弹性有限元分析,根据ASME CodeCaseN-201-4提出的规则分析了疲劳蠕变寿命,设计了在线监测方案。将数据挖掘技术应用于锅炉的寿命管理,研发了基于数据挖掘技术的寿命管理系统。引入属性模糊聚类方法进行分析参数的选择,采用多维关联规则对电厂的运行数据进行挖掘,取得了良好的效果。实例证明数据挖掘技术在锅炉寿命管理中的应用是可行和有益的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 我国火电设备寿命管理的现状
• 1.2.2 疲劳寿命的研究动态
• 1.2.3 蠕变及其疲劳-蠕变寿命的研究动态
• 1.2.4 数据挖掘技术及其在电力行业中的应用
• 1.2.5 锅炉承压部件的在线监测和管理
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 以疲劳为主导失效机制的承压部件寿命分析与在线监测
• 2.1 机械应力分析
• 2.2 热应力分析
• 2.2.1 内外壁温差热应力
• 2.2.2 上下壁温差热应力
• 2.3 疲劳寿命分析
• 2.4 锅炉汽包的疲劳寿命计算方法及实例
• 2.5 在线计算中应力幅的计数方法——雨流法
• 2.6 汽包疲劳寿命在线监测方法的设计
• 2.6.1 应力的合成
• 2.6.2 应力幅的确定
• 2.6.3 疲劳寿命的计算
• 2.7 锅炉汽包寿命在线监测和管理系统的开发
• 2.7.1 DCS侧组态的实现
• 2.7.2 MIS侧程序的编制
• 2.8 本章小节
• 第三章 寿命损耗以蠕变为主的承压部件寿命分析与在线监测
• 3.1 高温受热面失效方式
• 3.2 管壁金属蠕变分析
• 3.3 蠕变寿命损耗计算方法
• 3.3.1 寿命损耗计算的几个假设
• 3.3.2 拉森—米勒外推公式
• 3.3.3 罗宾逊法则
• 3.4 金属管壁温度确定
• 3.4.1 管壁温度计算方法
• 3.4.2 内壁氧化层厚度法
• 3.4.3 测量修正法
• 3.5 管壁等效应力确定
• 3.5.1 管内蒸汽压力
• 3.5.2 管壁等效应力
• 3.5.3 管壁厚度
• 3.6 在线监测方案的设计
• 3.6.1 危险点的确定原则
• 3.6.2 实时数据的处理与寿命计算
• 3.7 锅炉寿命在线监测系统的开发
• 3.7.1 系统结构
• 3.7.2 系统的工作原理
• 3.7.3 系统功能
• 3.8 应用实例
• 3.8.1 监测对象简介
• 3.8.2 危险点的确定
• 3.8.3 结果及其分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 电站锅炉高温受热面管壁温度的计算研究
• 4.1 基于热偏差分析的过热器壁温计算
• 4.1.1 吸热不均匀系数的计算
• 4.1.2 热负荷的确定
• 4.1.3 热偏差计算相关参数的确定
• 4.1.4 热量均流系数μ
• 4.1.5 壁温计算实例
• 4.2 过热器壁温的数值模拟方法
• 4.2.1 炉内过程数值模拟
• 4.2.2 屏式过热器数值模拟
• 4.2.3 高温对流过热器数值模拟
• 4.3 过热器换热的数学模型
• 4.3.1 基本守恒方程
• 4.3.2 湍流模型
• 4.3.3 薄壳换热模型
• 4.3.4 边界条件设置
• 4.4 过热器的数值模拟实例
• 4.4.1 炉膛数值模拟结果
• 4.4.2 屏式过热器壁温数值模拟
• 4.4.3 高温过热器的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 疲劳蠕变交互作用的承压部件应力分析与寿命评估
• 5.1 疲劳蠕变交互作用
• 5.2 基于弹性分析的高温部件的损伤分析与寿命预测
• 5.2.1 应力的分类——等效线性化方法
• 5.2.2 需要的原始数据
• 5.2.3 分析步骤
• 5.3 实例计算
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于数据挖掘技术的锅炉承压部件寿命管理
• 6.1 多维关联规则数据挖掘技术
• 6.1.1 多维关联规则基本概念
• 6.1.2 多维关联规则算法过程
• 6.1.3 关联规则应用的问题及改进
• 6.2 属性模糊聚类
• 6.2.1 属性模糊聚类基本理论
• 6.2.2 基于属性模糊聚类分析的步骤
• 6.2.3 属性模糊聚类案例
• 6.3 基于数据挖掘技术的锅炉寿命管理及系统开发
• 6.3.1 基于数据挖掘技术的寿命管理方案
• 6.3.2 系统的设计开发
• 6.3.3 基于数据挖掘的寿命管理系统功能与特点
• 6.4 锅炉过热器寿命及安全的数据挖掘实例
• 6.4.1 利用属性模糊聚类进行参数选择
• 6.4.2 规则挖掘与分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结及对今后工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作