一种汽轮机转子监测方法、系统及存储介质

本发明涉及汽轮机监测，尤其涉及一种汽轮机转子监测方法、一种汽轮机转子监测系统，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术：

1、汽轮机转子作为机组的关键部件，也是机组的薄弱环节。其长期高速运行在高温、高压的环境下，一旦出现故障，将会带来十分严重的后果。汽轮机转子工作时与蒸汽之间产生强烈的热交换，尤其在转子启停和变工况的过程中受热更加不均匀，产生的热应力更大。其次，汽轮机转子工作时的转速很高，产生的离心力也十分巨大。汽轮机转子的复杂结构使得转子在很多部位产生应力集中，这很容易使转子所受到的力超过材料的屈服极限，导致汽轮机转子发生断裂，造成不可挽回的严重事故。因此，研究汽轮机转子的监测问题具有十分重要的意义。

2、现有的汽轮机转子监测技术中，大多采用理论数学模型进行计算，然而，该方式无法预测现实中因转子复杂的工况和边界条件的变化带来的各种状态参量。专利申请公布号为cn115828540a《一种基于数字孪生的汽轮机转子服役过程监测方法》的中国专利提供了一种基于数字孪生的汽轮机转子服役过程监测方法，适用于汽轮机转子服役过程的复杂多变情况，为优化汽轮机转子服役监测技术提供了新的思路。然而，该方法无法针对汽轮机转子数字孪生体实现三维动态可视化的实时监测。

3、为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种汽轮机转子监测技术，用于构建汽轮机转子的数字孪生模型与三维可视化模型，从而实现对汽轮机转子服役过程中的实时监测，以提高监测结果的可靠度并降低运维成本。

技术实现思路

1、以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

2、为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种汽轮机转子监测方法、一种汽轮机转子监测系统，以及一种计算机可读存储介质，用于构建汽轮机转子的数字孪生模型与三维可视化模型，从而实现对汽轮机转子服役过程中的实时监测，以提高监测结果的可靠度并降低运维成本。

3、具体来说，根据本发明第一方面提供的汽轮机转子监测方法包括以下步骤：采集汽轮机转子的实时服役工况参数样本和离线属性数据样本，以获取多组样本数据；基于各组所述样本数据，建立所述汽轮机转子的有限元仿真模型，以分别确定对应工况下的仿真结果数据，其中，所述有限元仿真模型至少包括温度模型及应变模型；以各组所述样本数据中的所述实时服役工况参数样本为输入，并以所述有限元仿真模型输出的对应仿真结果数据为真实输出值，构建并训练数字孪生模型；以及将所述汽轮机转子在待测工况下的实时服役工况参数输入完成训练的数字孪生模型，以确定所述汽轮机转子在所述待测工况下的预测结果数据，其中，所述预测结果数据至少包括预测应变数据及预测寿命损耗数据。

4、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述实时服役工况参数样本包括汽轮机转子转速、主蒸汽压力、主蒸汽温度、调节级后蒸汽温度、再热蒸汽温度、主蒸汽流量、再热蒸汽流量、发动机负荷及机组功率中的至少一者，和/或所述离线属性数据样本包括所述汽轮机转子的几何数据、转子型号、转子材料属性及工况种类中的至少一者。

5、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述工况种类包括冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动、滑参数停机、正常停机、事故停机、升负荷及降负荷中的至少一者。

6、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述基于各组样本数据，建立所述汽轮机转子的有限元仿真模型的步骤包括：经由三维建模软件，建立三维的所述汽轮机转子第一有限元仿真模型；对所述第一有限元仿真模型进行材料赋予及网格划分，以得到第二有限元仿真模型；对所述第二有限元仿真模型施加所述汽轮机转子的实测温度及第三类边界条件，并进行瞬态热分析，以得到所述温度模型；以及将所述温度模型作为热载荷，结合所述汽轮机转子自身旋转所需的向心力、汽轮机的叶片对所述汽轮机转子的作用力以及位移边界条件进行热力耦合，以得到所述汽轮机转子服役过程的所述应变模型。

7、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述数字孪生模型至少包括孪生应变模型及寿命损耗模型，所述以各组样本数据中的所述实时服役工况参数样本为输入，并以对应的有限元仿真模型输出的仿真结果数据为真实输出值，构建并训练数字孪生模型的步骤包括：对所述仿真结果数据进行归一化处理，并根据预设比例对经过所述归一化处理的数据进行随机划分，以获得训练集及测试集；将所述训练集中的训练样本数据分批次输入所述数字孪生模型，以计算其输出的预测应变数据与对应的仿真结果数据的第一损失值；通过对所述数字孪生模型进行超参数调优，使所述第一损失值收敛稳定；响应于第一损失值收敛稳定，继续将所述测试集中的测试样本数据输入所述数字孪生模型，以计算其预测应变数据与对应的仿真结果数据的第二损失值；通过对所述数字孪生模型进行超参数调优，使所述第二损失值收敛稳定；以及响应于所述第二损失值函数达到预设要求，判定完成对所述数字孪生模型的训练。

8、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述寿命损耗模型的表达式为

9、d＝df+dc

10、其中，d为蠕变疲劳的总损耗，df为疲劳寿命损耗，dc为蠕变寿命损耗。

11、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述的疲劳寿命损耗df的表达式为

12、

13、其中，εa为所述孪生应变模型的总应变范围，σf′为疲劳强度系数，e为材料弹性模量，n为疲劳循环周次，b为疲劳强度指数，εf′为疲劳塑性系数，c为疲劳塑性指数，df为疲劳寿命损耗，所述的蠕变寿命损耗dc的表达式为

14、

15、其中，p是larson-miller参数，t为绝对温度，th为蠕变断裂寿命，c为材料相关的常数，dc为蠕变寿命损耗，t为工作时间。

16、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述第一有限元仿真模型和所述数字孪生模型均为三维可视化模型，所述监测方法还包括以下步骤：经由模型渲染软件，对所述第一有限元仿真模型进行渲染优化和/或轻量化；以及基于人机交互的方式，向所述数字孪生模型实时同步所述实时服役工况参数数据，以对所述汽轮机转子在所述待测工况下的预测结果数据进行三维可视化演示。

17、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述有限元仿真模型还包括应力模型和/或变形模型，所述基于各组样本数据，建立所述汽轮机转子的有限元仿真模型的步骤还包括：将所述温度模型作为热载荷，结合所述汽轮机转子自身旋转所需的向心力、汽轮机的叶片对所述汽轮机转子的作用力以及位移边界条件进行热力耦合，以得到所述汽轮机转子服役过程的所述应力模型和/或所述变形模型，所述数字孪生模型还包括孪生温度模型、孪生应力模型和/或孪生变形模型，所述预测结果数据还对应地包括预测温度数据、预测应力数据和/或预测变形数据，所述以各组样本数据中的所述实时服役工况参数样本为输入，并以对应的有限元仿真模型输出的仿真结果数据为真实输出值，构建并训练数字孪生模型的步骤还包括：将所述训练集中的训练样本数据分批次输入所述数字孪生模型，以分别计算其输出的预测温度数据、预测应力数据和/或预测变形数据与对应的仿真结果数据的第三损失值；通过对所述数字孪生模型进行超参数调优，使所述第三损失值收敛稳定；响应于第三损失值收敛稳定，继续将所述测试集中的测试样本数据输入所述数字孪生模型，以计算其预测温度数据、预测应力数据和/或预测变形数据与对应的仿真结果数据的第四损失值；通过对所述数字孪生模型进行超参数调优，使所述第四损失值收敛稳定；以及响应于所述第四损失值函数达到预设要求，判定完成对所述数字孪生模型的训练。

18、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述的监测系统还包括以下步骤：将所述汽轮机转子的实测温度分别输入完成训练的孪生温度模型、孪生应力模型和/或孪生变形模型，以分别确定对应的预测温度数据、预测应力数据和/或预测变形数据；以及将所述预测温度数据、所述预测应力数据和/或所述预测变形数据传输至显示端进行显示。

19、进一步地，在本发明的一些实施例中，还包括以下步骤：组建基于tcp/ip网络通讯协议的以太网通信链路，以对所述离线属性数据、所述实时服役工况参数数据及所述预测结果数据的交互进行通信连接；以及将所述离线属性数据样本存储到mysql数据库，并经由所述以太网通信链路将所述实时服役工况参数数据及所述预测结果数据，实时同步存储到所述mysql数据库。

20、此外，根据本发明第二方面提供的汽轮机转子的监测系统包括：物理实体模块，被配置为：采集汽轮机转子的实时服役工况参数样本和离线属性数据样本，以获取多组样本数据；以及虚拟模型模块，被配置为：基于各组所述样本数据，建立所述汽轮机转子的有限元仿真模型，以分别确定对应工况下的仿真结果数据；以各组所述样本数据中的实时服役工况参数样本为输入，以对应的有限元仿真模型输出的仿真结果数据为真实输出值，构建并训练数字孪生模型，其中，所述有限元仿真模型至少包括温度模型及应变模型；以及将所述汽轮机转子在待测工况下的实时服役工况参数输入完成训练的数字孪生模型，以确定所述汽轮机转子在所述待测工况下的预测结果数据，其中，所述预测结果数据至少包括预测应变数据及预测寿命损耗数据。

21、进一步地，在本发明的一些实施例中，所述的监测系统还包括：连接模块，用于组建基于tcp/ip网络通讯协议的以太网通信链路，以对所述离线属性数据、所述实时服役工况参数数据及所述预测结果数据的交互进行通信连接；孪生数据模块，用于经由mysql数据库，存储所述汽轮机转子的所述离线属性数据，并实时同步储存所述汽轮机转子的实时服役工况参数及所述数字孪生模型的预测结果数据；和/或服务模块，用于对汽轮机转子的离线属性数据、所述实时服役工况参数及所述预测结果数据进行三维可视化演示。

22、此外，根据本发明第三方面提供的计算机存储介质，其上存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如本发明第一方面所述的汽轮机转子的监测方法。