汽輪機轉子表面溫度測量的模擬試驗研究

吳 波, 王 坤, 呂方明, 黃樹紅, 賀國強, 童杏林

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院,武漢 430074;2.武漢理工大學 光纖傳感技術與信息處理教育部重點實驗室,武漢 430074)

隨著火電機組容量的大型化和高參數化,汽輪機轉子壽命問題的研究對確保設備的安全、經濟運行具有重要意義.造成汽輪機轉子壽命損耗的主要原因是機組啟停過程中交變熱應力產生的低周疲勞損耗以及轉子長期在高溫區工作產生的高溫蠕變疲勞損耗.汽輪機轉子表面溫度信息是對其進行高溫蠕變損傷分析以及轉子熱應力、熱疲勞分析的關鍵條件之一.

目前汽輪機轉子表面溫度的檢測主要是采用溫度探針檢測轉子表面附近蒸汽溫度,然后通過某種換熱模型間接獲得轉子表面的溫度.文獻[1-3]表明上述方式估算轉子表面溫度存在較大誤差.實際上在轉子變工況以及啟停過程中蒸汽換熱情況比較復雜,轉子表面附近結構、換熱類型差異很大,對于超臨界參數機組甚至采用冷卻技術等,因此換熱系數的準確確定存在極大困難[4].雖然這種方法已經應用在工業現場,但因其并不能獲得精確的轉子溫度及應力分布,給汽輪機轉子部件的安全性監測和評價帶來很大不確定性.

2000年前后,日本東芝及中部電力株式會社等通過填埋熱電偶的方式對裝機容量220 MW、主蒸氣壓力169 kg f/cm2、主蒸氣溫度556℃的汽輪機組高壓段葉片根部溫度在不同負荷下進行了測量,為其熱疲勞分析提供溫度數據[5].試驗中熱電偶引線鋪設在轉子表面凹槽中并對其采取了一系列的保護措施,但在試驗過程中仍然出現了信號引線斷裂現象.試驗表明,這種接觸式測溫方式在汽輪機轉子高速旋轉、振動及高溫高壓水蒸氣環境條件下,熱電偶焊接的穩固性、其對轉子動平衡的影響、測量信號的可靠引出及測量系統長期運行的可靠性等因素使其在現階段還難以應用于汽輪機轉子的在線監測系統.光纖測溫是近年發展起來的一種較為先進的測溫方式,關榮峰[6-7]等人進行了光纖對發電機轉子表面溫度測量的模擬試驗研究,結果顯示在0～150℃范圍內測溫誤差較小,但是將其應用于汽輪機缸內進行轉子溫度測量的研究還未見公開文獻發表.

針對以上情況,筆者擬對上述三種方式進行試驗研究,深入比較其測量特點,重點分析紅外非接觸式測溫的相對優勢,并在理論上論述其應用于高參數汽輪機轉子表面溫度測量的可行性.

1 汽輪機轉子紅外測溫原理及特點

自然界一切溫度高于絕對零度的物體,由于分子的熱運動,都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波,通過對物體自身輻射的紅外能量進行測量,便能準確地測定它的表面溫度.基于普朗克定律[8]

式中:E(λ,T)為物體實際光譜輻射力,W/m3;λ為波長,m;T為理論上黑體的熱力學溫度,K;ε為發射率;c1為第一輻射常數,3.742×10-16W?m2;c2為第二輻射常數,1.438 8×10-2m?K;

得到在波段(λ1,λ2)內物體輻射能M(λ,T)為:

基于波爾茲曼定律[8]

式中:σ為黑體輻射常數,5.67×10-8W/(m2?K4).

紅外測溫儀通過吸收物體表面向外輻射的紅外能量來測定物體表面溫度,紅外探頭將檢測到的紅外能量轉化為電信號,再經過電路運算處理,最終轉換成線性的溫度信號值,以便實現進一步的信號處理及控制.其特點是測溫元件不需與被測介質接觸、測溫范圍廣、不受測溫上限的限制、不會破壞被測物體的溫度場及反應速度一般比較快,但容易受外界因素的影響,存在一定的測量誤差.

由于汽輪機內環境比較復雜,所以其轉子表面溫度紅外測量系統應達到紅外探頭耐高溫、高壓以及具有良好抗震性的基本要求.除此之外,由于轉子處于水蒸氣包圍之中,在不同工況下水蒸氣自身溫度可能高于或者低于轉子溫度.在這種條件下,水蒸氣自身的紅外能量輻射及其對轉子輻射能的吸收,是能否采用紅外方式測量轉子表面溫度的重要影響因素.

由文獻[8]可知,水蒸氣對在其中間傳播的紅外輻射能量具有選擇吸收性.圖1為水蒸氣在1～15 μm區域的低分辨率吸收光譜.水蒸氣主要吸收光帶有3個:2.55～2.84μm、5.6～7.6μm 和12～30μm.

圖1 1～15μm紅外輻射光譜Fig.1 Infrared radiation spectrum in 1-15μm

由圖1可知,若紅外測溫儀合理選擇水蒸氣紅外吸收的窗口波段,則能有效獲取轉子表面的輻射能信息,進而對汽輪機轉子表面溫度進行準確測定.

已知常規作為測溫視窗的藍寶石和紅外石英玻璃均有較好的紅外窗口,其應用波段范圍分別為0.2～7μm和0.260～3.5μm,可以與水蒸氣紅外吸收窗口進行合理匹配,且具有一定的強度和耐溫性能.

由上述分析可知,采用紅外輻射式測量方法對汽輪機轉子表面溫度進行測量在理論上具有很好的可行性.

2 轉子測溫的試驗研究

2.1 光纖測溫的試驗研究

目前,光纖溫度檢測系統有2種:分布式光纖溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器.通過對兩種光纖溫度檢測系統的性能比較分析,光纖光柵測溫方式是點式接觸測量,傳感頭結構簡單、尺寸小,而且抗干擾能力、抗腐蝕能力強,能夠應用于高溫高壓的環境,理論上能夠獲得物體表面所需位置的局部溫度.

圖2為光纖光柵溫度傳感器在旋轉體表面光纖埋設形式的照片.在該方案中,旋轉體表面制作了汽輪機轉子與軸封近似的汽封齒,使用高溫膠將光纖按照螺旋方式引出汽封段.

圖2 信號引出方式Fig.2 The way of signal derivation

在方案的準備過程中發現該測溫方式與傳統熱電偶測溫比較相似,同樣存在傳感器的固定與可靠引出等障礙,同時還發現光纖比電纜更難固定也更易折斷.因此,要能實際應用尚需要解決以下問題:在長期運行中保證高溫膠及光纖不被高溫、高速汽流破壞;光纖能耐受轉子振動的影響;需要比導電滑環(集流環)更精密的光路信號引出裝置、且不受機組運行的影響.

在上述基礎上,筆者重點對熱電偶及紅外測溫兩種方式進行試驗研究.

2.2 熱電偶以及紅外測溫的試驗研究

2.2.1 試驗臺架簡介

擬通過單輪盤轉子在旋轉、加熱狀態下采用兩種方式進行表面溫度測量,來對比分析旋轉和振動狀態下兩種測量方式的特點,并部分驗證紅外在汽輪機轉子表面測溫的可行性.試驗分為三部分:升速試驗、速度突降試驗以及穩態時停功率停轉速試驗.

試驗中用42CrM o材料制作了特定結構的輪盤模擬汽輪機轉子部件,通過電熱絲加熱以及輪盤的高速旋轉來模擬汽輪機中高溫、旋轉的環境.高溫試驗臺架見圖3.

圖3 高溫試驗臺架Fig.3 High-tem perature test bed

圖4為輪盤加熱和測溫示意圖.模擬汽輪機轉子的輪盤固定于軸上并與電動機相連,電動機轉速通過可控硅變頻器調節;輪盤外設置加熱保溫罩對輪盤進行加熱保溫,在輪盤上埋設了熱電偶;在加熱保溫罩中間的水平處開設方形觀測窗,觀測窗外架設了紅外測溫儀,用于對觀測窗附近輪盤表面溫度進行檢測.

圖4 輪盤加熱及測溫示意圖Fig.4 Sketch of heating and temperaturemeasuremen t for disc rotor

紅外探頭與輪盤距離100 mm,視窗中心線與傳動軸以及輪盤中心在一條直線上,且探頭處于所測表面法線方向.電熱絲沿輪盤圓周方向布置,懸空固定于保溫罩上,且與輪盤絕緣.電熱絲主要通過近距離紅外輻射方式對輪盤進行加熱.鎧裝熱電偶的末端為90°直角,插入輪盤中心輻板特制的孔型通道中,熱電偶測量端部與輪盤中心外表面用導熱氧化鎂粉填充并用高溫膠密封.熱電偶引線段直接固定于傳動軸上,引線與導電滑環相連,通過銅刷將信號傳遞至靜止滑環,最后由信號采集系統進行數據采集、轉換和記錄.

2.2.2 紅外選型以及發射率的調試

考慮到汽輪機轉子材料對測溫精度的影響、紅外測溫范圍、紅外波段和距離等因素,試驗中選取了美國雷泰FA 2A紅外測溫儀,其性能參數見表1.

表1 紅外測溫儀性能參數Tab.1 Per formance parameters of in frared thermometer

FA 2A屬于單色測溫儀(有背景輻射補償).單色測溫儀在進行測溫時,被測目標面積應與測溫儀規定光路吻合,如果目標尺寸小于設計光路對應的尺寸,背景輻射能量會進入測溫探頭從而造成測量誤差[9].在實際試驗過程中,探頭距離輪盤 100 mm,輪盤直徑為 127 mm,外緣寬 70 mm.根據FA 2A光路圖可知在輪盤表面視場直徑約5mm,與鎧裝熱電偶端部感知范圍接近.紅外測量所需目標表面發射率通過熱電偶進行間接估算[10].

2.2.3 試驗過程、數據及分析

試驗開始前開啟加熱電源對輪盤進行加熱,加熱過程中控制變頻器使輪盤以低轉速進行盤車,當輪盤本體溫度處于穩定階段后(15m in左右波動1 K),用熱電偶測量結果校準紅外測溫儀(通過校調紅外發射率設定值進行).

升速試驗分兩個溫度段進行,在加熱功率恒定以及輪盤本體溫度場穩定的前提下,通過不斷改變輪盤的轉速來觀測熱電偶以及紅外測溫儀所測溫度的變化情況,以此判斷轉速對紅外測溫的影響.

圖5為初始穩定溫度為325℃時的升速試驗.由圖5可以看出,熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度在輪盤轉速為1 200 r/min之前基本沒有變化,之后隨著轉速的上升溫度開始下降,熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度差隨著溫度的下降不斷增大.

圖5 325℃左右升速試驗曲線Fig.5 Temperatu remeasu red in speed-up p rocessat abou t 325℃

圖6為初始穩定溫度為400℃左右時的升速試驗.圖6中顯示的試驗規律和圖5的升速試驗類似,不同的是在高轉旋速時熱電偶和紅外測溫儀測得的溫差更大.

圖6 400℃左右升速試驗曲線Fig.6 Temperatu remeasu red in speed-up p rocessat abou t 400℃

在圖6所示的升速試驗中,將升速間隔從300 r/m in降為120 r/m in,同時延長每個轉速的穩定時間.圖5顯示的熱電偶和紅外測溫儀在升速過程中的溫度變化曲線與圖6的溫度變化曲線相比較可以看出,轉速區間相同,圖5中熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度降幅比圖6中的小很多.由此可以得出,在高轉速時紅外測溫儀溫度示值的下降很大程度上是因為輪盤表面對流換熱作用強烈而使輪盤表面的實際溫度下降[7].

試驗初期在短時間內紅外溫度有略微的上升趨勢,在后期高轉速條件下輪盤溫度迅速下降.上述現象應是輪盤轉速提高時電爐絲與輪盤內緣的對流換熱及輪盤與外界空氣對流換熱作用加強所致(試驗中輪盤高旋速轉時,在軸與保護罩結合處可感知強烈的氣流).

通過上述試驗可知,在采用熱電偶接觸方式測溫時,鎧裝熱電偶存在自身的導熱和對流換熱現象,將導致其測得的溫度與所測輪盤表面溫度存在較大的差異.

針對升速試驗中紅外溫度的變化情況,設置了速度突降試驗,即先設定輪盤轉速,調整加熱功率使熱電偶和紅外測溫儀的溫度顯示在該轉速下穩定一段時間,然后控制變頻器使輪盤在極短的時間(約1 s)內停轉(試驗過程中熱電偶與紅外測溫儀溫度采集程序設定的采集時間間隔為1 s),目的是利用輪盤溫度場變化的熱慣性來觀察紅外測溫儀以及熱電偶溫度顯示值在測溫目標運動和靜止之間的差別,以研究轉速變化對紅外測溫的影響.由于在之前試驗中已了解到加熱電源電磁特性可能對紅外測溫有一定的影響,因此在這兩個試驗中同時也設置了斷電的對照組(表2和表3).

表2 300℃附近速度突降試驗紅外溫度示值變化Tab.2 Temperaturemeasured by in frared therm ometer with sudden d rop in speed at about 300℃

表3 400℃附近速度突降試驗紅外溫度示值變化Tab.3 Temperaturemeasured by in frared therm ometer with sudden drop in speed at about 400℃

由于輪盤停止轉動是在很短時間內完成的(約1 s),在試驗之前輪盤的溫度狀態、熱電偶和紅外測溫儀的溫度示值均穩定.在輪盤瞬間停轉時,根據傳熱理論和工程經驗,輪盤外表面與外界的換熱(對流及輻射換熱)并不會在短時間內導致輪盤溫度的劇烈變化.這時通過紅外溫度示值的變化就可以判斷轉速因素對紅外測溫的影響.由試驗結果可知,切斷電源同時停止輪盤轉動時,紅外測溫儀溫度值的變化情況和僅切斷電源一樣,即旋轉和振動的變化對紅外測溫基本沒有影響.

在速度突降試驗中引用了輪盤瞬間停轉時其本體的溫度不會劇烈變化這一假設,為了驗證該假設,特別做了一組穩態停功率停轉速降溫過程試驗,所得的溫度變化曲線如圖7所示.

圖7 停轉并切斷保溫電源后溫度下降曲線圖Fig.7 Tem perature cu rve after stopping the disk rotor and sw itching off the power supply for heat preservation

由圖7可以看出,在輪盤停轉且加熱電源被切斷之后的5 min內,熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度僅下降2 K,在開始的1 min內溫度沒有變化.由此可以斷定,在速度突降試驗過程中輪盤瞬間停轉,其本體的溫度并不會發生劇烈改變.

3 試驗結果分析

在試驗之前對熱電偶進行標定,其高溫(400℃)穩定狀態時誤差為±1.5 K,低溫(100℃)穩定狀態時誤差為±0.5 K.由表1可知,如設置符合實際的發射率,紅外測溫儀的測溫精度在高溫(400℃)時的誤差為±1.2 K,250℃時誤差為0.75 K.

如圖4所示,熱電偶所測的為輪盤外緣中心溫度,此位置溫度相對較低且相對穩定,在不同的試驗工況中受加熱電源變化的影響相對小,由于采用環形對稱電熱絲加熱,輪盤外緣中心處的溫度在輪盤周向上差別很小,因此試驗過程中只需要一個熱電偶就可獲取輪盤外緣中心處溫度.雖然輪盤的高速旋轉會導致熱電偶與輪盤換熱,但是綜合以上試驗結果及對比分析可知,轉子的高速旋轉對紅外測溫影響很小.

4 振動對紅外測溫影響的理論分析

在試驗臺架的組裝過程中,可能會有支座松動或不對中等現象存在,同時輪盤上置入熱電偶后會產生不平衡現象,所以在試驗過程中輪盤不可避免地會有振動存在.振動對紅外測溫存在一定的干擾,主要是影響發射率變化.振動會使測溫時紅外探頭不能垂直于測溫表面而是與被測表面的法向存在一定夾角.由于實際物體的定向輻射強度在不同方向上存在較大差異,如果這一角度超出了一定的范圍,則發射率會有明顯變化,此時不可忽略其對所測溫度值的影響.

對于金屬材料 ,從 θ=0°開始,在 40°范圍內,定向發射率ε(θ)可認為是個常數,然后隨角度θ的增加急劇地增大.在接近90°的極小角度范圍內,又有所減小[11].圖8為本試驗中紅外測溫幾何簡圖.由圖8可以看出當θ接近40°時,輪盤的理論振動幅值已經達到27 mm,然而在試驗實際及運行中汽輪機轉子不可能產生如此大幅值的振動,即試驗過程中的振動不會對ε(θ)產生顯著影響,且轉子半徑越大影響越小.所以理論上,在實際汽輪機轉子測溫過程中,振動對紅外測溫產生的影響可以忽略不計.

圖8 測溫簡單幾何尺寸圖Fig.8 Geometry sketch for infrared temperaturemeasuremen t

5 結 論

(1)光纖測溫以及傳統的接觸式熱電偶測溫在實際應用中易受轉子振動和高溫高速汽流等因素影響而容易折斷,且光纖和熱電偶信號引線的固定問題很難解決;另外,傳統的接觸式測溫方式測溫元件與被測介質將進行熱交換,需要一定的時間才能達到熱平衡狀態,所以存在測溫偏差及測溫延遲等現象;同時這些方式的實施也受耐高溫材料的限制.因此這些方式目前較難應用于轉子表面溫度的長期在線測量;

(2)紅外測溫響應速度快,能夠在一定程度上較好地測量汽輪機轉子的表面溫度并且能長期對轉子表面溫度進行在線監測;轉子的高速旋轉、振動對紅外測溫影響很小.因此,紅外測溫是未來汽輪機轉子測溫的發展方向之一.

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