基于DCS系統的汽輪發電機轉子溫度監測與應用

張真龍

（貴州烏江水電開發有限責任公司大龍分公司，貴州 銅仁 554001）

0 引言

近年來，隨著國民經濟的蓬勃發展與國民生活水平的日益提高，電力的總體需求量也在逐年提高。由于國內80%以上的發電任務是由汽輪發電機完成的，因此，設法提高汽輪發電機的電機容量成為彌補用電缺口的重要途經。顯而易見，增加機組構型尺寸、提高發電機電磁負荷均能達到上述目標，但受到定子運輸允許尺寸、轉子鍛件與撓度等方面的制約，后者成為實際設計中的常用手段。提高電磁負荷需要增加機組內繞組銅耗，這將導致繞組溫升急劇提升，隨時有超過容許溫升的危險[1]。作為重要發電設備的大型汽輪發電機在正常服役時，不可避免地會因各種損耗（例如轉子損耗、繞組損耗或機械損耗等）而產生熱量，如果這些熱量不能被機組內的冷卻系統及時排出，那么發電機組會因這些逐漸積累的熱量而產生影響其正常運行的高溫。因此，溫度自然而然地成為機組運行時需要實時監測的重要數據，而采用更加精確的氣流量分布與轉子溫升算法可以提前預測機組內各部分的通風量與溫升，為大型汽輪發電機溫度的超前控制、確定檢修維護頻率以及故障診斷分析提供了數據支持。

1 發電機轉子溫度算法模型

大型汽輪發電機均采用密閉式的構型，其運行時產生的熱量先被第一冷卻介質吸收傳遞給機組冷卻器，再在機組冷卻器中與第二冷卻介質進行耗散并釋放至機組外部。因此，汽輪發電機轉子工作溫度的計算本質上是綜合考慮機組冷卻效能與構件發熱總量的耦合問題。

1.1 轉子溫度的計算

影響大型汽輪發電機轉子溫度的主要因素有3 個，即機組內勵磁電流水平、發電機氫氣溫度的高低以及氫氣壓強的大小[2]。其原因是機組內勵磁電流水平越高，轉子線圈所承載的電壓就越高，由歐姆定律可知，其發熱量也越大，從而導致轉子的溫升也越高；當汽輪發電機采用水-氫-氫的冷卻系統時，作為冷卻介質的氫氣的溫度越高，其熱量吸收能力就越差；氫氣的壓強直接影響氫氣的流動性，即氫氣壓強越大，其循環性能就越差，這就進一步降低了冷卻系統的冷卻效果。

綜上所述，汽輪發電機轉子溫度的計算需要提供的輸入參數為勵磁電流、冷卻系統內氫氣的平均溫度以及氫氣的相對壓強。汽輪發電機轉子溫度T如公式（1）所示。

式中：T為汽輪發電機中轉子線圈的溫度；ΔT為轉子線圈的溫升；T0為發電機氫氣相對溫度。

轉子線圈的溫升T0如公式（2）所示。

式中：ΔT0為機組制造常數，ΔT0=1；α為機組制造常數，α=0.065；p為氫氣相對壓力；Pex為勵磁功率。

勵磁功率Pex如公式（3）所示。

式中：Ured為汽輪發電機轉子線圈的電壓；R為汽輪發電機轉子線圈的電阻。

汽輪發電機轉子線圈的電阻R如公式（4）所示。

式中：R95為汽輪發電機在95 ℃時的轉子線圈電阻值。

通過循環迭代公式（1）～公式（4）可以得到汽輪發電機的轉子溫度。當勵磁電流恒定時，汽輪發電機內的線圈電壓與轉子電阻呈正相關；當勵磁電流變化時，汽輪發電機內的線圈電壓與轉子電阻呈非線性。現給出廠家通過試驗得到的不同水平勵磁電流條件下，線圈電壓與轉子電阻的擬合關系（保留1 位有效數字），如公式（5）所示。

式中：U50、U100、U140、U170以及U220分別為勵磁電流為50 A、100 A、140 A、170 A 以及220 A 時的典型值。

1.2 計算算法流程

在實際計算汽輪發電機轉子溫度時，應遵循以下6 個步驟：1） 由DCS 系統提供計算所需的勵磁機勵磁電流、冷卻系統內氫氣的平均溫度以及相對壓強。2） 由公式（4）得到轉子機組內線圈電阻。3） 由公式（5）得到不同磁力電流條件下的轉子線圈電壓。4）根據擬合曲線得到公式（3）所需的轉子線圈的電壓。5） 將結果分別代入公式（1）和公式（2）得到轉子溫升ΔT1，進而得到轉子溫度T。6） 再將得到的轉子溫度代入原式反算出轉子溫升ΔT2，直至2 次計算得到的溫升結果的差值小于允許差值，否則繼續進行迭代計算。

2 基于DCS 系統的轉子溫度算法的實現

目前，包括發電行業在內的絕大多數工業的自動化控制過程中，均不可避免地需要采集大量的數字模擬信號，而利用DCS 系統就能很有效率地完成采集這些數字模擬信號的工作。

2.1 機組DCS 系統

機組分布式計算機控制系統（Distributed Control System，DCS）采用德國SIEMENS 公司開發的TXP 自動化系統，其包括以下5 個組件：操作與監視系統（OM650）、工程系統（ES680）、專家診斷系統（DS670）、自動化系統（AS620）及通信系統（SINET H1）[3]。

操作與監視系統（OM650）中擁有許多類型的報表體系。這些體系按其內容可分為工作順序報表與組件狀態報表。其中，工作順序報表主要呈現的是特定時間段內過程報警事件及系統操作記錄等信息；組件狀態報表則主要用來顯示特定時間段內觀測量與模擬量的狀態、設備各組件運行時長及設備具體組件的啟動或停運次數等信息。

發電廠經常遇到的性能計算如下：1） 效率計算。例如機組效率、汽機效率、熱交換效率以及長用效率等。2） 損耗效率。例如未完全燃燒熱損失、氣煙損失、飛灰損失、熱輻射以及熱傳導損失。3） 累積計算。例如煤炭消耗總量、風流通總量、主汽流量、給水總量以及補水總量等。4） 設備運行時間。例如各荷區段內機組運行時間、循環水泵、送風機、引風機、磨煤機、電泵以及汽泵等運行時間。以上許多性能計算均可以在工程系統（ES680）內置的FUR-Editor組件中完成。該系統中預制的100 多個與外部硬件相匹配的計算功能模塊，完全能夠勝任各種熱力學函數（例如熵焓運算、效用損失運算等）與發電廠專用函數（例如機組損耗與全壽命監測、機組特征值運算以及給水加熱器特征值運算等）的運算。

除了擁有過程控制系統各子系統（TELEPERM XP）所具有的自我診斷功能，專家診斷系統（DS670）還為DCS 系統提供了更加全面且精細的故障分析功能、故障診斷功能以及更加人性化的故障維護指導功能。

自動化系統（AS620）負責完成具體工業控制過程的自動化任務，具體流程如下：首先，自動化系統從工業控制過程中獲得實時觀測項目的狀態與數值。其次，進行閉環或開環控制。最后，校正觀測數值并對其過程進行反饋。

通信系統（SINET H1）則負責關聯所有子系統至DCS系統的數據及信息傳輸，由信源、信道及信宿等組件組成。與同類別DCS 系統中的通信能力相比，SINET H1 傳輸的數據量更多、信息熵值更低，這就為系統的全壽命監測與及時反饋、補償奠定了基礎。

2.2 測量汽輪發電機轉子繞組溫度的方法

理論上，可采用直接測量法或間接測量法獲取大型汽輪發電機正常運行時轉子的工作溫度，實現動態監測其服役水平的目標。但轉子工作時處于高速旋轉的運動狀態，既增加了將傳感器直接置于轉子線圈內的難度，又為汽輪發電機的安全運行留下了隱患。因此，實際上對大型發電機組轉子溫度的動態監測多采用先測得轉子工作電阻值，再由轉換模型計算間接獲得其工作溫度的方法。伴隨計算機技術的不斷發展，基于DCS 系統對發電廠各重要組件進行實時監控的技術也日益成熟，這就使從前難以完成的測控任務變得相對容易了。

2.3 動態直流電阻采集原理

直流電阻就是在直流條件下測得的電氣組件的電阻。在現場，首先通過直流電壓變送器與直流電流變送器將汽輪發電機內轉子繞組兩端的直流勵磁電壓監測值Uf流經轉子的勵磁電流監測值If分別轉化成4 mA～20 mA。其次，將其傳送至電氣控制系統（Electric Control System， ECS）進行A/D轉換并記錄這個時刻的實際運行參數。最后，通過調用DCS系統中的直流勵磁電壓、直流勵磁電流的實際運行參數，在ES680 中組態得到轉子的動態直流電阻值R2。

2.4 冷態直流電阻獲取途徑

與上述動態直流電阻的采集原理相似，綜合汽輪發電機出廠說明書提供的相關參數與現場試車調試結果可得到這個時刻機組定子繞組的直流電阻測量值，當所測溫度與冷卻介質的溫差小于2 K 時，則該直流電阻測量值即為冷態直流電阻。

3 大型汽輪發電機轉子溫度動態監測應用實例

3.1 發電機機組

圖1 動態直流電阻采集流程

該監測對象的發電設備是2 臺型號為東方電機股份有限公司生產的三相兩極同步發電機（編號為QFSN-300-2-20B），該設備采用水-氫-氫的冷卻系統，即定子引線、定子過渡引線以及出線采用水內冷卻，轉子線圈采用氫內冷卻，定子內芯與端部結構采用氫表冷卻，集電環采用氣冷卻。其中，機組內部的氫氣由安置在轉子兩側的軸流式風扇輔助流動并進行密閉循環。機組內部的勵磁機采用機端變壓器式靜止整流的自并勵勵磁系統，其主要參數見表1。

表1 大型汽輪發電機主要性能參數

此外，通過查閱上述2 臺汽輪發電機的出廠說明書可知，1號發電機的環境溫度為19 ℃，對應實測直流電阻為0.161 5 Ω；2號發電機的環境溫度為15 ℃，對應實測直流電阻為0.155 1 Ω。

3.2 轉子溫度監測方案

參考相關操作規范可知，汽輪發電機的轉子溫度信號為非安全級DCS 系統信號，因此整個動態監測過程的數據流均應在TXP 自動化系統中完成，即輸入信號的采集由操作與監視系統（OM650）來完成，數據的轉換與實時計算由工程系統（ES680）來完成，結果的終端顯示由自動化系統（AS620）來完成，數據在整個過程中的流向則由通信系統（SINET H1）來完成。具體的監測方案如圖2 所示。

由圖2 的監測方案可以得出：1） 由TXP 系統中熱電阻采集模塊FUM232 獲取汽輪發電機內氫氣的4 處溫度信號（GRH411MT、GRH412MT、GRH413MT 及GRH414MT），以得到機組內氫氣的平均溫度；由AI 采集模塊FUM230 分別獲取機組內勵磁電流信號（GEX413MI）、機組內氫氣相對壓強信號（GRV001MP）。2） 借助通信系統將得到的6 組信號傳送至自動化AP 系統進行處理。3） AP 系統通過系統環網總線Plant bus 與PU 系統進行通信并在PU 系統的工程系統（ES680）中完成組態計算。4） 在2 層PU 系統中引入用來實現汽輪發電機轉子溫度計算的第三方程序。5） 將轉子溫度的結果信號GRH101MY 傳送到2 層畫面系統中并以顯示信號GRH001YCD 的格式呈現出來。

圖2 轉子溫度監測方案

在上述過程中，雖然SIEMENS 公司DCS 系統中的屬于1 層離線組件的工程系統（ES680）以及TEC4 系統已經為用戶提供了許多熱力學函數與效能函數，但無法實現該文所采用的用于計算汽輪發電機轉子溫度的迭代擬合算法。因此，就需要借助PU 系統中的K_R 功能模塊解決該問題。K_R 功能模塊本質上是通信接口模塊，主要用來負責連接第三方應用程序計算所得到的結果并將其傳輸至PU 系統。

4 結語

理論上，可采用直接測量法或間接測量法獲取大型汽輪發電機正常運行時轉子的工作溫度，實現動態監測其服役水平的目標。但轉子工作時處于高速旋轉的運動狀態，既增加了將傳感器直接置于轉子線圈內的難度，也為汽輪發電機的安全運行留下了隱患。因此，該文結合汽輪發電機中勵磁電流與轉子直流電阻的關系以及轉子直流電阻與轉子實際工作溫度的關系，利用DCS 系統動態監測機組內勵磁電流水平、氫氣平均溫度及氫氣壓強值，采用K_R 功能模塊連接根據循環迭代公式（公式（1）～公式（4））編寫的二次開發程序計算得到的結果，達到間接測得汽輪發電機轉子工作溫度的目的。

與以往間接測量法（例如磁傳感器與工作電壓測量法、典型工況推算法等）相比，該方法主要具有以下4 個優勢：1） 無須對機組進行額外改裝。2） 統一了轉子溫度測量界面與發電機DCS 系統界面。3） 能夠實時并連續地對轉子工作溫度進行動態監測。4） 間接降低了機組維護檢修的頻率。基于以上優勢并結合該文所提供的動態監測實例可以證明，該方法對目前大型汽輪發電機轉子溫度的動態監測具有一定的借鑒意義與推廣價值。

此外，進一步研究發現，根據需要解決問題的具體模型進行二次程序開發，采取與該文對轉子工作溫度動態監測相似的步驟并依托功能強大的DCS 系統，能實現對汽輪發電機轉子繞組匝間短路進行實時預警及連續巡檢機組各構件工作溫度的功能。