[发明专利]虚拟的测温点

说明书

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 汽缸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，并追溯使用该多层模型每一层的平均温 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_AM和阀位置H_AV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α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α_AM有利地作 为蒸汽流量的函数而形成。

若反之出现蒸汽凝结，则热传导系数α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α_W。为 了确定此凝结分量，使用作为压力p_AM的函数的饱和温度T_S、工质温度T_AM和加热/冷却表面的温度T₁(第一层的平均温度)。