СПОСОБ ДЛИТЕЛЬНОГО НЕПРЕРЫВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ КОТЛА, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК F22B37/38 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при диагностировании технического состояния котлов для тепловых электрических станций.

Известен способ технического диагностирования труб поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов с использованием магнитной памяти металла, (см. Методические указания по техническому диагностированию труб поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов с использованием магнитной памяти металла. РД 3417446-97, M., 1997; авт. свид. 1769105, 19.09.90 / А.А. Дубов. Способ определения эксплуатационной стойкости труб из ферромагнитных материалов).

Способ заключается в том, что на остановленном котле проводят магнитный контроль металла труб, определяют места концентрации напряжений, предрасположенные к разрушениям, дают рекомендации по необходимости более полного обследования выявленных участков.

Способ реализуется применением комплекса приборов и датчиков.

Этот способ не обеспечивает непрерывный контроль, неприменим на действующем оборудовании, отсутствует прямой расчет определения остаточного ресурса. Ограниченный диапазон охвата диагностируемого оборудования и ручной способ контроля снижают эффективность диагностирования.

Известен способ определения технического ресурса экранных поверхностей нагрева из труб, при котором по измеренным температурам и конструктивным данным труб, измеренным химическим параметрам окружающей их среды определяются текущее и суммарное изменения толщины стенок труб, а также их остаточный ресурс с отражением информации на экране дисплея (см. авт.свид. SU 1768865 А1, 07.02.90. Способ определения технического ресурса экранных поверхностей нагрева из труб).

Этот способ не обеспечивает полного охвата диапазона диагностируемых элементов котла и учет циклических и высокотемпературных нагрузок.

Известны способы определения расчетной температуры стенки (см. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод, 3-е изд., СПб, НПО ЦКТИ, 1998, с.79-100), положенные в основу расчета прочности труб для различных поверхностей нагрева:

где t - температура среды в расчетном сечении;
δ_t - превышение температуры в разведенной трубе над средней;
β - отношение наружного диаметра к внутреннему;
μ - коэффициент растечки тепла;
q_max - максимальное удельное тепловосприятие;
δ - толщина стенки;
λ_M - коэффициент теплопроводности металла трубы;
α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к обогреваемой среде.

Там же даны рекомендации упрощенного определения температуры стенки:
t_CT=t+(30÷70),
где t - температура среды на выходе из пакета.

Недостатком этих способов является то, что расчет по формуле для реально работающего элемента невозможен из-за сложности определения текущих значений удельного тепловосприятия, коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки к трубе, зависящих от искомой температуры коэффициента теплопроводности металла. Упрощенный метод - связан с большими погрешностями.

Известны способы выполнения прочностных расчетов с определением ресурса котла (см. Госгортехнадзор России. Нормы расчета на прочность стационарных котлов. РД-10-249-98. М., 1999, с.4-5), в которых предусматривается выполнение в ходе проектирования расчетов котла на прочность в прямом и обратном порядке. При прямом порядке расчетов в процессе проектирования, исходя из заданного ресурса работы элементов котла, определяются толщины стенок, соответствующие расчетным давлению и температуре, определяются марки применяемых сталей.

При обратном (инверсном) порядке расчета, исходя из реально имеющегося сортамента исходных материалов для изготовления котла (марка стали, диаметры, толщины и др.), технологических возможностей изготовления, уточненных результатов расчета теплотехнических параметров и пр. определяется уточненный расчетный ресурс элементов котла.

В обоих случаях структурно прямая и инверсная математические модели расчетов аналогичны, базируются на одинаковых постоянных данных, формулах и принципах, чем обеспечивается высокий уровень корректности при сравнительных расчетах ресурса.

Недостатком этих способов является то, что для деталей, подверженных частым сменам нагрузки или колебаниям температуры должны выполняться поверочные расчеты на малоцикловую усталость. В нормах не приводится последовательность и методика поверочного расчета, основной задачей которого является обоснование расчетного ресурса эксплуатации.

Известен способ расчета и оценки остаточного ресурса деталей энергооборудования, работающих в условиях малоциклового нагружения (барабаны, гибы труб котлов и т.п.). Расчет заключается в определении запасов по амплитудам местных упруго-пластических деформаций и по долговечности и сопоставлению действующих амплитуд деформаций при заданном числе циклов с допускаемыми, установленными с введением запасов (см. Т.Г. Березина, Н.В. Бугай, И.И. Трунин Диагностирование и прогнозирование долговечности металла теплоэнергетических установок. - Киев: Техника, 1991, с.58-95).

Коэффициенты запаса по местным условным упругим напряжениям для заданного режима нагружения определяются по формуле:

где σ_a - разрушающая амплитуда условных массовых напряжений;
σSa

- рабочая амплитуда в наиболее нагруженной точке в эксплуатации.

Коэффициенты запаса прочности по долговечности определяются по формуле

где N - разрушающее число циклов при σSa

= σ_a;
N^S - эксплуатационное число циклов.

Численное значение коэффициентов n_σ и n_N устанавливается с учетом условий эксплуатации, конструкций, вида машин, области применения и т.п. Используя характеристику металла и коэффициенты запаса, можно установить зависимость σSa

= f(N^S).
При эксплуатационных циклах нагружения допускаемое число циклов рассчитывается по условию:

где n_Si, [N]_i - ожидаемое в эксплуатации и допускаемое число циклов.

Реализация способа выполнена с помощью персонального компьютера.

Тепловое диагностирование и оценка ресурса высокотемпературных деталей оборудования, где основными факторами, влияющими на ресурс металла, являются продолжительность и степень превышения расчетной температуры, состоит в том, что по известной степени пребывания на высокотемпературных ступенях τ_B1 τ_B2 τ_B3 ...τ_Bi определяются соответствующие эквивалентные значения времени τ_Э1 τ_Э2 τ_Э3 ... τ_Эi в переводе на номинальную температуру по параметрической зависимости Ларсена-Миллера P=T(C+tgτ).

С помощью параметра Р оценивают время до разрушения при разных температурах. Затем определяется суммарная приведенная длительность работы детали при номинальной температуре.

Для определения ресурса работы металла в результате суммарных перегревов определяется разность между суммарной приведенной длительностями и фактическим временем:
τ_C-τ_ф = ∑τ_i-∑τ_Bi
Степень остаточного ресурса выражается в виде:

Расчетное время до разрушения при заданном режиме работы металла:
Δτ = τHP

(1-Δτ),
где τHP - время до разрушения при номинальной температуре.

Источником исходных данных являются датчики температуры. Система реализована на вычислительных средствах АСУ ТП энергоблока.

Недостатком этого способа является то, что кривые сопротивления малоцикловой усталости построены в диапазоне температур, где скорость ползучести ограничена и может не приниматься во внимание при расчетах.

Существенно упрощены методики расчетов исчерпания ресурса при циклических и тепловых нагрузках. Для современных котлов, вырабатывающих пар с температурами 545^oС и выше, такие ограничения и упрощения снижают применимость и точность методов. Кроме того, предложенные способы учета влияния тепловой и циклической повреждаемости не дают возможности применить метод их линейного суммирования и не корригируются с нормативными методами прочностных расчетов при создании котлов.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения достоверности, живучести, статической и динамической точности непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, работающих под давлением в течение длительной их эксплуатации. Решаемая задача и используемые алгоритмы являются составной частью общей системы диагностики котла.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе длительного непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, работающих под давлением, включающем определение с помощью измерителей эксплуатационных параметров элементов котла, работающих под давлением, проверку и обработку измерений; выполняют математическое моделирование, формирование массивов постоянных и переменных данных, архивирование, мониторинг и интерфейс, одновременный учет непрерывно определяемых параметров повреждаемости от статических нагрузок, возникающих в результате ползучести, от циклических нагрузок в результате основных циклов, микроциклов, пульсаций давлений, гидравлических испытаний и периодически измеряемых характеристик состояния котла, включающих данные по режимам работы, оперативным наблюдениям, лабораторным исследованиям, ведение записей, вносимых в электронный журнал ремонтов, причем в расчетах используют инверсию математических моделей, характеризуемую изменением нормального положения компонентов прочностных расчетов при прямом проектировании на обратный порядок; электронный журнал ремонтов, выполнен в виде программы, имеющей интерфейс с пользователем, причем вводимые данные автоматически преобразуются для уточнения процесса определения остаточного ресурса; при отказе отдельных измерителей параметров котла, запоминают на время отказа последнее достоверное показание отказавшего измерителя, причем после восстановления измерителя результаты определения остаточного ресурса от даты отказа до даты восстановления корректируются; температуру стенки трубы в обогреваемой зоне после отказа прямого измерителя определяют корреляционными методами, выполняют до отказа измерителя определение численных характеристик совместного распределения (коэффициентов корреляции) нескольких параметров, имеющих значение для температуры стенки.

Отличительными признаками предложенного способа являются: выполнение математического моделирования, формирование массивов постоянных и переменных данных, архивирование, мониторинг и интерфейс, одновременный учет непрерывно определяемых параметров повреждаемости от статических нагрузок, возникающих в результате ползучести, от циклических нагрузок в результате основных циклов, микроциклов, пульсаций давлений, гидравлических испытаний и периодически измеряемых характеристик состояния котла, включающих данные по режимам работы, оперативным наблюдениям, лабораторным исследованиям, ведение записей, вносимых в электронный журнал ремонтов, причем в расчетах используют инверсию математических моделей, характеризуемую изменением нормального положения компонентов прочностных расчетов при прямом проектировании на обратный порядок; выполнение электронного журнала ремонтов в виде программы, имеющей интерфейс с пользователем, причем вводимые данные автоматически преобразуются для уточнения процесса определения остаточного ресурса; при отказе отдельных измерителей параметров котла, запоминают на время отказа последнее достоверное показание отказавшего измерителя, причем после восстановления измерителя результаты определения остаточного ресурса от даты отказа до даты восстановления корректируются; определение температуры стенки трубы в обогреваемой зоне после отказа прямого измерителя корреляционными методами, выполняют до отказа измерителя определение численных характеристик совместного распределения (коэффициентов корреляции) нескольких параметров, имеющих значение для температуры стенки.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображена блок-схема расчета остаточного ресурса, где:
1 - измерители;
2 - блок сбора и достоверизации информации;
3 - первичная обработка информации и оперативный мониторинг;
4 - блок управления;
5 - математические модели;
6 - блок обработки результатов;
7 - блок доступа к постоянным, параметрически зависимым, конструктивным данным и архивам;
8 - постоянные данные;
9 - параметрически зависимые данные;
10 - конструктивные данные;
11 - архивы;
12 - интерфейс;
13 - корректор влияния;
14 - преобразователь;
15 - электронный журнал ремонтов.

На фиг.2 изображена блок-схема формирования непрерывности показаний измерителя при его отказах;
на фиг.3 - блок-схема формирования сигналов по температуре обогреваемой стенки.

Способ осуществляется следующим образом. Измерители 1 (фиг.1) постоянно ведут контроль за состоянием котла и параметрами его элементов, непрерывно передавая информацию в блок 2, где они проходят проверку на достоверность и поступают в блок 3 первичной переработки. Здесь формируется оперативный мониторинг об идентификации режимов работы котла, замеченных отклонениях текущих параметров от нормы, исходные данные для математических моделей 5. В блок 3 поступают также постоянные 8 и конструктивные 10 данные, а также данные, параметрически зависящие от результатов измерений 9.

Блок доступа 7 к данным 8, 9, 10, а также к архивам 11 обеспечивает необходимый поток информации в блок 3, из которого она поступает в математические модели 5, где одновременно и непрерывно ведутся расчеты исчерпания ресурса от статических нагружений в результате ползучести, циклических нагружений от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов "пуск-останов" для элементов, в которых такие нагружения имеются. Результаты работы математических моделей передаются в блок 6, где происходит их обработка, формирование результатов по всем видам нагружений, обобщенных данных, мониторинговых сообщений, информации для отчетов, архивов, интерфейса.

Блок управления 4 обеспечивает заданный режим математических моделей и блока обработки данных 6 и через последний, воздействуя на блок доступа к базам данных 7, подготавливает очередную входную информацию для расчетов, передавая ее в блок 3. Представление данных и связь с пользователем осуществляются через блок средств интерфейса 12. Для учета влияния на результаты диагностирования периодически измеряемых характеристик состояния котла, включающих данные по режимам работы, лабораторным исследованиям, оперативным наблюдениям на работающем или остановленном котле, эти данные вводятся в электронный журнал ремонтов 15 через средства интерфейса 12. Каждое сообщение, поступающее в электронный журнал ремонтов, классифицируется, проходит идентификацию и через блок преобразований информации 14 и корректор влияния 13 направляется в блоки доступа к данным 7 и управления 4, осуществляя таким образом свое влияние на процесс определения остаточного ресурса. Искажение или отсутствие информации фиксируется в блоке 2. В зависимости от назначения отказавшего измерителя генерируются команды на запрет смены предыдущего верного значения параметра и обеспечение непрерывности показаний или на формирование сигналов по температуре обогреваемой стенки корреляционными методами.

В ячейках П0-П2 блока 1 (фиг.2) хранятся значения сигналов измерителя - предыдущее и текущее. Блок 2 проверяет работоспособность измерителя и, если он исправен, его сигнал поступает в блок 3, который проверяет признак восстановления F данных измерителя. В случае, когда признак восстановления F=1, блоки 4 и 5 последовательно выполняют восстановление пропущенных значений в период отказа, и сброс признака восстановления в ноль. Блок 6 получает управление от блока 5 или при невыполнении условия F=1 от блока 3 и сохраняет текущее значение измерителя, после чего выполняется переход к блоку 7. При отказе измерителя блок 8 устанавливает признак обновления в единицу, после чего выполняется переход к блоку 9, который в качестве текущего значения измерителя принимает последнее верное показание измерителя, сохраненное в D₁ блока 6. При восстановлении измерителя управление от блока 2 последовательно передается к блокам 3, 4, 5 и т.д. с интерполяцией пропущенных значений измерителя во время отказа.

При отказе прямого измерителя температуры стенки трубы в обогреваемой зоне заранее определена группа достоверно измеряемых параметров П2-ПN (фиг. 3), существенно влияющих на искомую температуру стенки. В процессе эксплуатации котла в блок 1 производится ввод этих параметров, а также показание измерителя температуры стенки П1. Если измеритель П1 работоспособен, что определяется в блоке 2, в блоке 3 производится определение коэффициентов корреляции и корреляционных отношений между температурой стенки и существенно влияющими на нее параметрами, проводятся другие операции корреляционного анализа, накопление базы данных. При этом в блоке 6 через блок 4 выдается сигнал П0 по температуре стенки от измерителя t_CT. Когда измеритель неработоспособен, значения, существенно влияющие на температуру стенки параметров передаются в блок 5, где корреляционными методами по данным, определенным в блоке 3, производится расчет температуры стенки и вывод этого сигнала П0 через блок 6.

Использование изобретения позволит автоматизировать процесс определения остаточного ресурса, получить совмещаемые для проверки корректности результаты определения остаточного ресурса при эксплуатации и при проектировании, учесть все факторы, влияющие на исчерпание ресурса элементов котла, работающих под давлением, ввести эффективную корректировку на результаты определения остаточного ресурса по данным периодических осмотров и исследований, ввести электронный журнал ремонтов, функционально связанный с определением ресурса, обеспечить живучесть, долговечность и точность системы определения остаточного ресурса, точнее определять объем и сроки проведения ремонтов и контроля металла котла, применить способ для создания комплексной, автоматизированной системы диагностики котла.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при диагностировании технического состояния котлов для тепловых электрических станций. Измерители постоянно ведут контроль за состоянием котла и параметрами его элементов, непрерывно передавая информацию в блок, где они проходят проверку на достоверность и поступают в блок первичной переработки. Здесь формируется оперативный мониторинг об идентификации режимов работы котла, замеченных отклонениях текущих параметров от нормы, исходные данные для математических моделей. В блок первичной переработки поступают также постоянные и конструктивные данные, а также данные, параметрически зависящие от результатов измерений. Блок доступа к вышеуказанным данным, а также к архивам обеспечивает необходимый поток информации в блок первичной переработки, из которого она поступает в математические модели, где одновременно и непрерывно ведутся расчеты исчерпания ресурса от статических нагружений в результате ползучести, циклических нагружений от пульсаций давлений или температур, микроциклов при режимных изменениях нагрузки, вида топлива, других режимных факторов, гидроиспытаний, основных циклов "пуск-останов" для элементов, в которых такие нагружения имеются. Результаты работы математических моделей передаются в блок, где происходит их обработка, формирование результатов по всем видам нагружений, обобщенных данных, мониторинговых сообщений, информации для отчетов, архивов, интерфейса. Блок управления обеспечивает заданный режим математических моделей и блока обработки данных и через последний, воздействуя на блок доступа к базам данных, подготавливает очередную входную информацию для расчетов, передавая ее в блок первичной переработки. Представление данных и связь с пользователем осуществляются через блок средств интерфейса. Эти данные вводятся в электронный журнал ремонтов через средства интерфейса. Каждое сообщение, поступающее в электронный журнал ремонтов, классифицируется, проходит идентификацию и через блок преобразований информации и корректор влияния направляется в блоки доступа к данным и управления, осуществляя таким образом свое влияние на процесс определения остаточного ресурса. Такой способ позволит повысить достоверность, живучесть, статическую и динамическую точность непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ длительного непрерывного автоматического определения остаточного ресурса элементов котла, работающих под давлением, включающий определение с помощью измерителей эксплуатационных параметров элементов котла, работающих под давлением, проверку и обработку измерений, отличающийся тем, что выполняют математическое моделирование, формирование массивов постоянных и переменных данных, архивирование, мониторинг и интерфейс, одновременный учет непрерывно определяемых параметров повреждаемости от статических нагрузок, возникающих в результате ползучести, от циклических нагрузок в результате основных циклов, микроциклов, пульсации давлений, гидравлических испытаний и периодически измеряемых характеристик состояния котла, включающих данные по режимам работы, оперативным наблюдениям, лабораторным исследованиям, ведение записей, вносимых в электронный журнал ремонтов, причем в расчетах используют инверсию математических моделей. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электронный журнал ремонтов выполнен в виде программы, имеющей интерфейс с пользователем, причем вводимые данные автоматически преобразуются для уточнения процесса определения остаточного ресурса. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отказе отдельных измерителей параметров котла, запоминают на время отказа последнее достоверное показание отказавшего измерителя, причем после восстановления измерителя результаты определения остаточного ресурса от даты отказа до даты восстановления корректируются. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру стенки трубы в обогреваемой зоне после отказа прямого измерителя определяют корреляционными методами, выполняют до отказа измерителя определение численных характеристик совместного распределения (коэффициентов корреляции) нескольких параметров, имеющих значение для температуры стенки.