DOI:10.13808/jki.issn1674-9987.2023.02.005
智慧汽轮机功能及设计难点探讨
第一作者简介：高展羽(1982-)，男，大学本科，高级工程师，毕业于合肥工业大学机械设计制造及其自动化专业，主要从事汽轮机本体研发设计工作。
高展羽，宋放放，马骏
(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳,618000)
关键词：汽轮机，智慧化，设计
中图分类号:TK26文献标识码:A文章编号:1674-9987(2023)02-0018-04 Discussion on Function and Design Diffculties of
Intelligent Steam Turbine
GAO Zhanyu,SONG Fangfang,MA Jun
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)
Abstract:According to the development demand of smart power plant,this paper discusses the function module of smart steam tur⁃bine from the angle of equipment manufacturer.The concrete contents,realization methods and difficulties of smart steam turbine starting and stopping,operation,overhaul and maintenance are emphatically expounded.
Key words:steam turbine,intelligence,smart power plant
1背景
工业互联网、物联网、人工智能、大数据和
云计算等技术与传统产业的结合和应用是我国未
来产业的发展方向，对能源系统而言，智慧能源
也是我国十四五建设的重点方向之一。对于火力
发电厂而言，智慧电厂的概念在电站建设中的呼
声越来越高,《国家能源发展“十三五”规划》、
《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》和《中国
制造2025能源装备实施方案》等文件也指出了对
智能控制技术的攻关规划，中国能建集团、国神、
华电等大型电力集团也相继展开了对智慧电厂的
关键技术研究,2020年8月，华电集团结合某项
目完成了智慧电厂改造的项目招标，根据项目具
体要求及建设目标，作为设备供应商，东方电气
承担了智慧化改造的相关内容。本文结合汽轮机
设备的智慧化进一步展开探讨。
2智慧汽轮机的基本内容
智慧电厂是以安全、高效为目标，以大数据、
物联网等5G技术为支撑，以人工智能为灵魂和可
视化为主要表现方式的全自动化电厂。对汽轮机
设备而言，汽轮机的智慧化主要表现为对汽轮机
本体及辅助系统的智能管理、智能控制、智能决
策和智能维护等方面，其汽轮机设备的运行、控
制和决策均需从整个电厂热力系统的高效运行出
发进行统筹考虑，此外，汽轮机的安装、运行和
维护也应该考虑智能化、人性化和低人工成本。
3智慧汽轮机的功能设想
当前，在汽轮机的安装、启动调试、运行控
制、检修维护及备件管理等方面，仍旧采用的是
传统的管理和控制模式，整个过程相对落后，时
间和人工成本消耗较多，因此，智慧汽轮机应从
这些方面入手，结合数字化技术来完成汽轮机的
智慧化设计和管理的提升。
3.1智能启停
当前，汽轮机在启动和停机中，多采用“操
作员自动方式”，即电厂运行人员根据汽轮机本体
状态和说明书提供的启动操作程序手动给定转速
或负荷的目标值和变化率，由DEH的基本控制系
统按照运行人员给出的目标值和变化率自动完成
冲转、升速、同步和带负荷操作，虽然有些电厂
设计了“一键启停”的启动方式，但往往由于机
组启动过程中的机组胀差、轴系振动、轴瓦温度
等参数的异常，不得不进行人工干预，并未真正
实现“一键启停”。
汽轮机的智能启停能以最少的人工干预完成
从启动准备直至带满负荷或者从正常运行到停机
的整个过程，系统自动判断各类运行参数是否满
足冲转、升速、并网、变负荷或者停机条件，并
能根据机组当前的运行参数判断机组运行状态,
特别是能够自动判断转子、汽缸的膨胀量及胀差、
阀门开度、蒸汽流量等情况，自动调整优化升速
率、暖机时间、暖机负荷、负荷变化率等直至稳
定运行。大大提高汽轮机的智能化水平和自动化
控制程度。
智慧电厂要求汽轮机设计人员必须对汽轮机
产品的结构特点、材料性能、传热原理等进行全
面、深入的掌握，同时，需辅以众多电厂的启动
停机数据作为支撑，并对汽轮机运行限制区间进
行合理的设置。
3.2智能运行
汽轮机的智能运行是对汽轮机关键特性数据
进行采集、管理、分析，建立设备各参数之间的
关联关系，并利用计算机对运行大数据进行计算
及监控，同时，基于热力学原理并结合电厂实际
运行经验数据对运行状态进行寻优操作指导，实
现全厂重要经济、运行指标的准确计算和可视化
监视。进一步可通过采集机组实时在线监测数据
建立智能运行优化管控体系，实现汽轮机实时高
效运行。
汽轮机在运行过程中的最终目的是保证电网
的负荷需求，在机组稳定运行时，其性能优劣是
通过汽轮机本体及辅机系统的众多测点来体现,
因此，汽轮机智能运行的首要任务是合理布置能
够真实反应其运行状态的各项测点。在实际运行
中，汽轮机的测点数据与设计数据必定存在偏差,
汽轮机的智能运行要求其必须能够对机组状态进
行评判并对机组各辅助系统、模块、部件等的运
行控制提出合理的优化建议，当机组进行调频运
行尤其是二次调频时，智能运行系统需能够针对
调频目标优先选择更有利于安全性和经济性的调
整方式。
3.3智能预警
作为火力发电厂的三大主机设备之一，汽轮
机运行的安全性始终是最重要的，因此，智慧汽
轮机的重要功能之一就是能够保障机组运行安全
的智能化管理，实现机组关键系统及关键部件的
性能、寿命的智能监测和预警。汽轮机智能预警
主要包括两部分内容，即汽轮机辅助系统及部件
偏离正常运行工况的预警和汽轮机关键部件的寿
命预警。
汽轮机辅助系统及部件在运行时产生大量随
时间变化而变化的运行数据(温度、压力、振动
等)，机组运行状态的实质是由这些数据来反应
的，数据偏离正常设计值就表示某些相关部件存
在非正常运行情况或者故障。因此，以大数据分
析和云计算为基础对这些异常数据的波动幅度、
趋势以及数据之间的关联性进行分析，并结合具
体的热力学基础理论定性把握运行数据与部件故
障之间的关系，确定引起故障的关键因素，然后
通过对运行数据的智能学习及培训指导机组机组
运行控制方案，从而达到故障预警的目的。
汽轮机关键部件如转子、叶片、汽缸、阀壳、
阀杆、高温管道及法兰、高温螺栓、轴承瓦块等
部件均需长期在恶劣环境下运行，故保障这些部
件的安全运行十分有必要，而正常情况下，除了
部件设计、制造因素之外，这些部件的寿命损耗
还主要取决于与机组运行的压力、温度、负荷及
启停过程的控制情况等，因此，准确掌握汽轮机
关键部件的寿命可以为汽轮机的运行、检修、维
护提供可靠的建议，实现机组全生命周期内运行
的经济性最大化，降低电厂运营成本。
3.4三维可视化及数字孪生
当前，电厂的运维系统数据展示及管理多采
用二维平面图形对需求信息以文字或逻辑关系图
的形式展示，这要求操作人员需对电厂的各种系
统及设备的工作原理、结构进行深入学习、研究
和掌握，对于电厂操作人员的要求较高，稍有不
慎也可能导致误操作。近几年，随着虚拟仿真技
术、计算机图形学、大数据和互联网技术的发展,
三维可视化技术在工业行业得到了很好的拓展和
应用。
对于汽轮机而言，其本体及辅助系统的三维
可视化展示就是利用三维数字化技术实现汽轮机
视角可调的全景浏览，在虚拟空间中将机组虚拟
实体模型与运行数据信息有机结合起来，能够直
观展示机组实时运行信息，增强工作人员对汽轮
机工作原理的理解和工作状态的直观感受；进一
步将机组实时运行数据接入虚拟模型对应的结构
部位，从而反应实体设备全生命周期的运行状态,
实现虚拟模型与机组实体的陪伴运行，形成汽轮
机的数字孪生系统。
3.5虚拟现实技术
虚拟现实是利用计算机创建一个虚拟环境,
将汽轮机虚拟三维实体和机组动态视景以及使用
者的操作行为进行计算机仿真，使用户能够VR
辅助穿戴设备在虚拟仿真系统中得到沉浸式体验,
从而更加直观地了解汽轮机结构、工作原理和运
行过程。
虚拟现实技术常用于娱乐业、医疗和建筑设
计等行业，作为机械设备制造商，该技术是智慧
汽轮机技术发展的增值服务之一，该技术不但可
以增进制造厂营销、设计、制造相关人员对汽轮
机的认识，提升营销效果、设计、制造水平，而
且VR技术在机组安装、调试、运行、维护以及
大修中的广泛应用，还可以协助用户快速解决机
组的疑难杂症，辅助用户的汽轮机知识培训，提
升机组运行管理的安全性，降低事故风险。
3.6虚拟装配技术
虚拟装配技术在复杂机械的制造、装配中已
经屡见不鲜，其实质就是将设备各部套、零件数
字化，然后用数字化的模型进行电脑端的三维可
视化模拟装配，从而代替实物的机械试装配过程,
达到减少实际的装配工序及装配时间的目的。虚
拟装配技术主要包括两个方面，一是设计数据模
型的虚拟装配，二是产品实际测量数据的虚拟装
配。设计数据模型的虚拟装配是结合设计原始的
三维数字模型，提取其关键装配参数，实现装配
过程的模拟、装配工序的规划以及部件之间的干
涉检测等；而实际测量数据的虚拟装配是将制造
出来的产品的关键尺寸进行实测、汇总、分类,
利用这些数据进行建模，然后完成虚拟装配以及
后期分析。两者的区别在于设计数据模型的虚拟
装配主要用于使用者对汽轮机结构的总体认识、
装配、检修过程的熟悉以及装配要点的深刻掌握,
而实际测量数据的虚拟装配主要用于制造厂内部
缩短总装时间、优化制造工序和资源配置，虽然
后者也具备前者的功能，但是由于其收集、整理
产品实测数据的工作量较大，且机组模型通用性
较差，故对智慧电厂应用的意义不大，因此，智
慧电厂需要的虚拟装配功能采用设计数据模型更
为合理。
面向智慧电厂的智慧汽轮机的虚拟装配技术
主要是用于电建安装人员和电厂运行、维护人员
更好、更快地掌握汽轮机结构知识，缩短培训时
间、降低培训成本、提高培训效果，更好地保障
机组安全运行。
3.7数字化档案及管理
在现有的电厂技术档案管理中，多以纸质版
资料管理或者单机电子版资料随机存储的方式进
行，管理方式落后，极易出错。智慧汽轮机的数
字化档案管理是以全三维数据模型为对象，建立
整个汽轮机集成的信息管理数据库，将机组全生
命周期范围内的所有资料进行数字化管理，将二
维数据和三维模型一一对应，可使不同专业的技
术人员在同一个平台上开展工作。
在智慧汽轮机的数字化档案规划中，汽轮机
关键零部件(涉及需现场安装、检修和重点维护
的部件)按照统一的编码规则(KKS编码或者制
造厂零部件编码)建立物料与图纸、模型的对应
关系，关联数据信息，便于资料查阅和维护，主
机设备的关键资料如主机证明书、各类说明书、
图纸、备件清单、检修数据等均采用无纸化管理,
对于机组维护所需的备件及易损件，可在数字化
档案中给对应的模型对象补充必要的属性信息如
材质、规格、数量、参数运行区间等等，便于多
维度查询。
数字化档案的建立可实现电厂系统信息连通,
方便管理人员对信息的把控，在提高电厂的生产
管理管控能力、制定设备维护计划以及应急预案
等方面均有较大发展空间，可大大提高电厂的智
慧化水平。
4智慧汽轮机的设计难点
当前，智慧电厂的发展处于初级阶段，内容
侧重于整个电厂的信息连通、系统优化和电厂宏
观的智慧管理、经营等，而设备级的智慧化水平
较低。对于智慧汽轮机的研究，国内几大汽轮机
制造商均处于探索阶段，在研究过程中还存在一
部分亟待解决的难题。
4.1三维模型构建
汽轮机三维模型的构建是实现汽轮机可视化
技术、数字孪生技术和虚拟装配技术等的基础条
件，在模型设计时，一方面需充分考虑汽轮机关
键技术对三维模型的保密要求，另一方面三维模
型须能够满足智慧汽轮机具体功能的需要。
在具体操作过程中，模型构建需兼顾以下几
方面要求:
•汽轮机关键技术如各类型线和关键结构须
进行简化或加密处理;
•叶片支数进行简化以减少模型的结构面数,
便于模型轻量化;
•现场不进行拆卸的结构件进行简化或归一
化处理;
•非关键圆角、倒角、螺纹等结构细节可不
进行细化设计，以便于模型轻量化;
•现场拆卸频次较低的零件如部分垫片、螺
钉和基架、轴承箱以及滑销系统的零件简化处理;
•机组所有测点及其测点对应的结构件需设
计独立模型，如瓦块、测温测压对应部位、转速、
胀差测量位置等;
•汽轮机模型的结构至少应满足电厂操作工
在安装、拆卸、维护方面的培训需要。
4.2智能决策的优化算法
汽轮机智慧化的根本体现是在启停、运行过
程中机组能够自我感知、决策和自动控制，尤其
是自我决策，需要建立机组的专家系统，专家系
统是将专家的思维方式、判断方法以固定程序形
式植入到智慧汽轮机平台中，利用从机组测点系
统中提取到的特征数据为输入条件，智能地将决
策结果输送至自动控制系统中，这部分固定程序
的本质就是基于特征数据的固定算法，是智慧汽
轮机的核心技术之一。(下转第39页)
(上接第21页)
智能决策的算法是以自然学科的基本原理为
基础，以汽轮机专业知识和运行经验数据为指导
而形成的一种优化算法，智慧汽轮机运行的算法
主要包括汽轮机启动、运行安全性分析(如温度
场、高温部件应力场、振动、胀差情况、关键部
件寿命等)、汽轮机实时性能分析计算以及汽轮机
运行故障诊断算法等，对于不同汽机制造厂或不
同系统、不同结构的机组而言，算法也会有差异。
智能优化算法制定的难点主要在于算法的归
纳、推演和验证，在此过程中，不但要参考同一
台机组运行的历史数据，还需要对大量同类型机
组的运行数据和现象进行对比、分析和归纳，充
分掌握机组模块的运行状态和变化机理，从而形
成更接近机组实际情况的算法公式，确保计算结
果能够反映机组真实的状态，更好地保障机组的
安全性和经济性。
4.3保护定值设置
汽轮机控制系统中大量的保护如振动、胀差、
压力、温度、偏心、转速等是保障机组安全运行
和实现一键启动的重要条件，保护定值设计是检
验智慧汽轮机优化算法的基本方式，也是汽轮机
实现智慧化的难点之一。
在机组启动过程中，往往会因为胀差超限造
成机组遮断或者因胀差超出正常值造成碰摩而引
起振动大遮断，究其原因是由于设计人员对汽轮
机本体温度场的分布、温度场随时间的变化以及
温度场对于本体的热应力作用和结构变形的定量
掌握不足而造成的，保护定值的设计不但是在智
慧汽轮机实现一键启停的关键因素，而且也能够
从侧面体现汽轮机的设计水平。
4.4材料基础数据
在常规汽轮机本体结构设计过程中，高温部
件的安全性通常采用高温材料工作温度下的屈服、
蠕变和持久等数据作为安全性评价的标准，而高
温部件的运行环境变化(温度、压力、交变应力、
应力集中等)对材料高温性能的影响均由结构设
计的安全系数来承担，这样做，虽然简化了结构
设计过程，但是却降低了高温部件寿命设计的准
确性，因此，在智慧汽轮机的关键部件寿命预警
功能的设计过程中，高温材料的疲劳、松弛等数
据的完善性和准确性更加突出，是寿命设计的难
点，当然，除了高温材料本身的试验数据之外,
也需要大量的高温部件运行数据对其设计寿命加
以修正。
5总结
智慧电厂在国内的发展还处于研究和探索阶
段，各大发电企业和设备制造厂均加大了研发力
度。对于制造厂而言，智慧汽轮机只是为智慧电
厂服务的一个子模块，其功能的设计还需要以发
电企业的切实需求为目标，从方便用户出发，并
结合未来智慧电厂的应用效果不断完善，合理、
准确地指导机组运行、检修和维护并创造经济收
益。
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