華 偉，郭 旭，年 華，賈長(zhǎng)武

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司,長(zhǎng)春 130021;2.大唐東營發(fā)電有限公司，山東 東營 257200)

某新建電廠為高參數(shù)超超臨界機(jī)組，全廠范圍內(nèi)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)、輔助車間/系統(tǒng)、發(fā)變組、廠用電系統(tǒng)在分散控制系統(tǒng)(DCS)的一體化監(jiān)視和控制并設(shè)置帶斷點(diǎn)的“一鍵啟?！?APS)功能。工程采用爐、機(jī)、電集中控制方式，兩臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)集中控制室。該項(xiàng)目在國內(nèi)設(shè)計(jì)的火電廠中首次采用了基于Predix邊緣計(jì)算的智能壽命監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)(LTMS)。該系統(tǒng)滿足歐洲EN 12952標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)鍋爐主要高溫部件和高溫管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐高溫部件、主蒸汽和再熱管道的壽命監(jiān)測(cè)和分析。

1 高溫部件和管道壽命的主要影響因素和計(jì)算方法

鍋爐高溫部件和管道主要是指過熱器出口聯(lián)箱、再熱器出口聯(lián)箱、分離器(超臨界機(jī)組)或汽包(亞臨界機(jī)組)、主蒸汽管道、冷再熱管道和熱再熱管道。目前，對(duì)于鍋爐高溫部件和管道疲勞壽命的在線計(jì)算和分析方法并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大多以推薦和建議的形式出現(xiàn)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系中，主要包括美國ASME、英國BS PD5500、德國TRD和歐洲EN 12952等標(biāo)準(zhǔn)。其中EN 12952-3(壓力部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算)和EN 12952-4(鍋爐運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)計(jì)算)兩部分是分析和計(jì)算疲勞和蠕變對(duì)鍋爐主要高溫部件壽命產(chǎn)生影響的主要依據(jù)[1]。

對(duì)高溫部件和管道進(jìn)行量化計(jì)算、分析以及實(shí)時(shí)評(píng)估其使用狀況，是實(shí)現(xiàn)鍋爐高溫部件和管道的可預(yù)測(cè)性維護(hù)、降低維護(hù)時(shí)間和成本，提高工作效率的有效手段。根據(jù)相應(yīng)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況的研究和分析，影響這些高溫部件和管道使用年限的主要因素包括以下幾個(gè)方面。

a. 蠕變破壞。金屬在高溫下所受到的應(yīng)力長(zhǎng)期作用而發(fā)生的緩慢塑性變形叫做蠕變?；鹆Πl(fā)電廠超超臨界機(jī)組的大量應(yīng)用，使鍋爐蒸汽聯(lián)箱和主、再蒸汽管道等高溫受熱部件設(shè)計(jì)參數(shù)不斷增加，主蒸汽設(shè)計(jì)參數(shù)最高能達(dá)到30 MPa，609 ℃左右，由于長(zhǎng)期在高溫高壓的惡劣工況下運(yùn)行，容易出現(xiàn)因?yàn)槿渥円鸬牟馁|(zhì)老化和損傷積累。

b. 疲勞損傷。疲勞損傷是指在循環(huán)載荷過程中的損傷累積。一般分為高周期疲勞和低周期疲勞。對(duì)于火電機(jī)組，高溫部件的壽命是由啟動(dòng)和停止過程中部件壁面熱應(yīng)力引起的低周疲勞(LCF)決定的。隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，可再生能源發(fā)電比例增加，使得大型超超臨界機(jī)組也不得不參與調(diào)峰，且通常處于低負(fù)荷運(yùn)行；另外當(dāng)前火電廠寬負(fù)荷和靈活性工況越來越多，導(dǎo)致啟停次數(shù)增加和負(fù)荷變化劇烈，最終使高溫部件和管道的低周期疲勞引起的壽命消耗劇烈增加。伴隨著高溫引起的蠕變和頻繁啟停引起的低周疲勞及其之間的相互作用和影響，更容易引起材料疲勞等危害。

目前主要根據(jù)歐洲EN 12952標(biāo)準(zhǔn)來分別計(jì)算和量化蠕變和疲勞累積的程度，兩者之和作為疲勞-蠕變相互作用下的壽命損耗，主要方式為測(cè)量管件內(nèi)壁和中壁溫度并導(dǎo)出溫度梯度后再進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算過程同時(shí)要考慮啟停頻次和鍋爐啟動(dòng)、停止、運(yùn)行、變負(fù)荷工況下介質(zhì)的壓力、溫度、流量等參數(shù)對(duì)應(yīng)力計(jì)算的影響。

c. 變形應(yīng)力。現(xiàn)代電站的運(yùn)行特點(diǎn)是蒸汽具有極高的溫度，過熱蒸汽流經(jīng)管道上部時(shí)，在管道下部的低點(diǎn)可能會(huì)有積水的情況發(fā)生。這導(dǎo)致高溫管道積水點(diǎn)周圍的溫差加大，有時(shí)甚至?xí)^200 ℃，這一溫差的存在，導(dǎo)致厚壁部件存在極大的變形應(yīng)力。另外，過熱器和再熱器減溫水在某些工況下會(huì)出現(xiàn)“過噴”現(xiàn)象，使管道和厚壁構(gòu)件受到熱沖擊，出現(xiàn)的變形應(yīng)力足以導(dǎo)致對(duì)管道壽命的損耗。這種損耗的程度是通過對(duì)易進(jìn)水位置和冷蒸汽處的上、下壁溫差進(jìn)行計(jì)算局部變形應(yīng)力來評(píng)估的。

d. 其他潛在應(yīng)力。支吊架對(duì)管道產(chǎn)生的應(yīng)力，或由于部件或管道無法正常膨脹移動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力增高等也是導(dǎo)致高溫管道壽命損耗的一個(gè)主要因素。對(duì)于這些潛在應(yīng)力的計(jì)算需要把管道系統(tǒng)有代表性位置的X和Y向位移值以及支吊架Z向的重力測(cè)量值作為輸入，通過計(jì)算外部的熱膨漲位移、支吊架摩擦力等對(duì)管件產(chǎn)生的應(yīng)力來評(píng)估損耗[2]。但目前電廠并不對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量，因此可以暫不考慮這部分應(yīng)力對(duì)于管道或部件壽命的不利影響。

通過對(duì)以上四個(gè)方面的損傷和應(yīng)力計(jì)算求和，可以量化高溫部件和管道在啟停和運(yùn)行等工況下的壽命損耗累積，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全生命周期內(nèi)的在線監(jiān)測(cè)和分析；另外，鍋爐制造商通過對(duì)部件和管道的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)以及材料特性的掌握而形成的“知識(shí)庫”，也是進(jìn)行壽命分析計(jì)算和評(píng)估的重要影響因素。

2 物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算

隨著“工業(yè)4.0”和“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的對(duì)接和整合，智能電廠建設(shè)中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IIOT)已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)之一。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集設(shè)備數(shù)據(jù)并整合其他運(yùn)營數(shù)據(jù)，建立各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和邏輯，進(jìn)行大數(shù)據(jù)的高級(jí)分析、計(jì)算和可視化后，可用于運(yùn)行維護(hù)服務(wù)、備件庫存管理、運(yùn)營的優(yōu)化和投資決策。

云計(jì)算平臺(tái)面臨著海量設(shè)備接入、海量數(shù)據(jù)、帶寬不夠和功耗過高等高難度挑戰(zhàn)。就目前的帶寬水平來說，還無法支持設(shè)備到云端之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，這使得云計(jì)算中心實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)決策也變成了不可能的任務(wù)。但在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣形成融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，把計(jì)算任務(wù)從云計(jì)算中心遷移到產(chǎn)生源數(shù)據(jù)的邊緣設(shè)備上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的邊緣處理、分析和計(jì)算的方式，已經(jīng)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

對(duì)于實(shí)時(shí)的IIOT數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行計(jì)算可加快資料的處理與傳送速度，減少延遲，降低能耗和費(fèi)用，更適合實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和智能化處理。LTMS可以通過DCS或支持物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能檢測(cè)元件來采集火電廠的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合邊緣計(jì)算功能來對(duì)各種工況進(jìn)行分析和應(yīng)力計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)高溫管道和部件的壽命分析評(píng)估，而且可以把計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的管理決策和智能化應(yīng)用，這正是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和預(yù)測(cè)性維護(hù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。

3 實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

一般情況下，關(guān)于蠕變和疲勞損傷計(jì)算所需的溫度測(cè)點(diǎn)需要分別測(cè)量管道的內(nèi)壁溫度和中壁溫度。雖然這是歐洲標(biāo)準(zhǔn)中推薦的安裝方式，但存在不利于安全運(yùn)行且現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)試不便等缺點(diǎn)。

由于疲勞損傷是通過部件由內(nèi)至外的溫度梯度來計(jì)算的，而測(cè)量介質(zhì)溫度和金屬表面溫度就可計(jì)算梯度，因此無論是通過內(nèi)壁溫度、中壁溫度還是表面溫度來進(jìn)行蠕變計(jì)算，計(jì)算出的蠕變消耗應(yīng)該基本相同。因此，該工程采用介質(zhì)溫度和金屬壁溫代替計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)壁溫度和中壁溫度測(cè)量也是可行的。

對(duì)于聯(lián)箱等厚壁高溫部件，一般在其兩端1/4處的頂部和底部分別成對(duì)安裝壁溫?zé)犭娕紒碛?jì)算蠕變和疲勞損傷，同時(shí)在每個(gè)過熱減溫器和再熱減溫器的下游安裝一對(duì)上下壁溫?zé)犭娕?，以檢測(cè)由于過度噴水引起的溫差。本工程單元機(jī)組各種聯(lián)箱及汽水分離器一共安裝壁溫?zé)犭娕?4支并硬接線連接至DCS。

主蒸汽和再熱高溫管道上測(cè)點(diǎn)的初始位置需根據(jù)啟動(dòng)、停止和正常運(yùn)行期間預(yù)期的熱變化確定，除了安裝用于蠕變計(jì)算所需的壁溫?zé)犭娕纪?，還將安裝在位于蒸汽管道低點(diǎn)以檢測(cè)積水情況的壁溫?zé)犭娕?。本單元機(jī)組各大管道一共安裝34支熱電偶并硬接線連接至DCS。

本工程由于受到資金的限制，沒有對(duì)支吊架的位移和受力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。在有條件時(shí)完全可以利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用專門的傳感器、有線或無線終端實(shí)現(xiàn)這部分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸、采集和轉(zhuǎn)換，并利用邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)完整的部件壽命計(jì)算和分析。

3.2 軟硬件配置和網(wǎng)絡(luò)連接

本工程全廠設(shè)置1套高溫部件和管道智能LTMS，布置在靠近廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)這個(gè)數(shù)據(jù)源頭的邊緣。雖然沒有設(shè)置基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能檢測(cè)儀表，但其所需的溫度、壓力、流量、運(yùn)行方式等大量數(shù)據(jù)全部來自SIS，并在2套Predix邊緣計(jì)算服務(wù)器內(nèi)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式和鍋爐的“知識(shí)庫”實(shí)施數(shù)據(jù)計(jì)算和壽命分析，LTMS依然具有基于邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和智能化處理功能。

Predix邊緣計(jì)算服務(wù)器部署Predix Machine軟件，支持應(yīng)用開發(fā)和管理，并內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，降低惡意軟件入侵的可能性；利用Predix APM的狀態(tài)監(jiān)視和預(yù)測(cè)維護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算和分析結(jié)果的可視化功能，使管理人員在任何時(shí)間、任意地點(diǎn)都能對(duì)機(jī)器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障進(jìn)行在線監(jiān)視，并通過預(yù)測(cè)設(shè)備故障，減少非計(jì)劃停機(jī)造成的損失和維護(hù)成本來提高工作效率[3]。

為了滿足IEC 62443規(guī)定的信息安全要求，LTMS從位于全廠的辦公網(wǎng)和SIS之間的安全隔離區(qū)(DMZ)內(nèi)的Web服務(wù)器中以TEXT通訊協(xié)議讀取全廠各臺(tái)機(jī)組的DCS數(shù)據(jù)，主要包括壁溫、運(yùn)行方式、介質(zhì)溫度、壓力和流量、啟動(dòng)/停止?fàn)顟B(tài)等參數(shù)，在服務(wù)器中計(jì)算應(yīng)力并在工程師站上形成可視化的狀態(tài)監(jiān)視和壽命分析及評(píng)估結(jié)果，同時(shí)在辦公網(wǎng)的授權(quán)客戶端上經(jīng)過瀏覽器也可查看相關(guān)信息，并可以通過互聯(lián)網(wǎng)把重要的計(jì)算分析結(jié)果上傳至企業(yè)云端，實(shí)現(xiàn)云端管理和決策。

4 結(jié)論

目前新建的大型超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)越來越高，高溫部件和管材的設(shè)計(jì)余量也越來越小，對(duì)高溫部件進(jìn)行在線監(jiān)視顯得尤為重要。利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用邊緣計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和高溫管道的壽命智能分析和評(píng)估，不但可以實(shí)現(xiàn)單一電廠高溫部件的監(jiān)視和管理，也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備全生命周期內(nèi)的可視化預(yù)測(cè)性維護(hù)，保證了電廠的安全運(yùn)行。通過公司或集團(tuán)級(jí)別的云端計(jì)算，可獲取不同地區(qū)、不同環(huán)境下設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘分析后實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行、維護(hù)和庫存的優(yōu)化，可為企業(yè)、集團(tuán)的智能化運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支撐，成為向智能制造升級(jí)轉(zhuǎn)型的重要工具和手段。