電廠汽輪機轉子在線監測系統設計研究

宋萱

摘? 要：為進一步探究電廠汽輪機轉子的高效監測方法，該文首先對電廠汽輪機轉子在線監測系統整體框架進行設計，而后基于既有框架，分別對數據采集、數據分析、數據庫等多個功能的技術要點進行詳細探討，最后對系統進行測試。測試結果顯示，該系統在在線監測方面的性能相對較優，預計其在后續工作中具有潛在應用價值。

關鍵詞：汽輪機轉子；在線監測系統；架構設計；功能設計；系統測試

中圖分類號：TM621? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0105-04

Abstract： In order to further explore the efficient monitoring method of steam turbine rotor in power plant， this paper first designs the overall framework of the on-line monitoring system of steam turbine rotor in power plant， and then based on the existing framework， the technical key points of data acquisition， data analysis， database and other functions are discussed in detail， and finally the system is tested. The test results show that the performance of the system in on-line monitoring is relatively good， and it is expected to have potential application value in the follow-up work.

Keywords： steam turbine rotor; on-line monitoring system; architecture design; functional design; system testing

汽輪機轉子是火電廠運行中的一類關鍵部件，因其運行環境相對較為惡劣，導致其受到的負面影響較為突出，對于火電廠汽輪機的正常運行也較為不利，因此，準確判斷汽輪機轉子的運行狀態是需要重點探究的內容。為實現這一目標，需要構建面向汽輪機轉子的在線監測系統，從而監測其穩定性，確保汽輪機組的長期穩定運行。

1? 系統整體架構設計

基于汽輪機轉子監測的實際需要，以數據采集、數據分析、客戶端3個模塊共同組建系統整體架構，利用計算機進行統一控制，各功能模塊以此完成現場數據和其他相關信息的傳遞，具體如圖1所示。

如圖1所示，系統在運行過程中，數據采集模塊將依托于傳感器，按照一定采集頻率進行數據收集（包括溫度、壓力、轉速等），這些數據將由A/D轉換器統一變更為數字信號存儲。而后主控計算機將從數據庫中實時調取相關數據，在預先設計的數學模型中進行邏輯運算，以得到熱應力、壽命損耗等結果并傳輸至客戶端，由此用戶即可在客戶端軟件上實時監控汽輪機轉子的運行情況[1]。

2? 系統主要功能設計

2.1? 數據采集功能設計

由于本次主要需對轉子溫度、壓力、轉速3個參數進行采集，因此分別應用3類傳感器進行采樣，并將采樣結果全部轉換為電壓信號。具體的傳感器選型結果見表1。

選定以上傳感器后，為確保3類數據同步傳輸，使用NI-PCI-6221型多功能數據采集卡與3類傳感器同時建立連接，構建3個數據通道進行采樣。該數據采集卡的主要性能指標如下：6個模擬輸入通道，采樣率為250 KS/s；信號分辨率為16 Bit；2個32位定時器/計數器[2]。

2.2? 信號調理功能設計

為實現數據的統一處理，基于數據板卡所采集到的數據，以A/D轉換器來實現對溫度、壓力、轉速3類傳感器信號的采集和處理，采集通道則為1 MΩ輸入阻抗的16路單端或8路雙端輸入。針對不同傳感器傳輸的電壓信號分別進行處理，處理規則見表2。

另一方面，研究人員應用40腳扁平電纜插座，構建數據采集板卡與A/D轉換器的連接。由此，如開關量輸出信號被重置，則板卡處于低電平狀態，而在開關量輸入復位后，由于輸出電流遠高于輸入電流，則輸入為高電平信號。

2.3? 計算分析功能設計

本次計算分析功能基于LABVIEW開發平臺，以虛擬儀器技術進行開發設計。考慮到轉子監測的主要內容，對以下幾方面進行計算分析。

一是針對轉子熱應力的計算分析。根據相關文獻資料，確定汽輪機轉子熱應力的計算公式如下

式中：Tm為物體體積平均溫度，℃；v為轉子材料的泊松比，本次取值為0.3；t為計算節點的溫度，℃；β為轉子材料的線膨脹系數，本次取值為1/℃；E為轉子材料的彈性模量，MPa；r為轉子材料的半徑，m。代入上述已知條件后即可求得轉子的熱應力F1。

二是對汽輪機轉子的合成應力進行分析計算。由于汽輪機轉子在運行過程中不僅受到熱應力的影響，同時也可能受到離心應力、機械應力、剪切應力等因素的影響，因此通過Von Mises公式對合成應力進行計算。結合實際情況，在計算過程中，對轉子表面受力進行簡化，忽略徑向應力和剪切應力的影響，由此確定合成應力的計算公式如下

式中：F1為汽輪機轉子受到的熱應力，MPa；F2為汽輪機轉子受到的等效機械應力，該數值通過對汽輪機轉子應用ANSYS有限元分析方法所求得，單位為MPa，由此即可得到汽輪機轉子受到的合成應力σ。

三是對汽輪機轉子疲勞壽命損耗進行分析計算。在已知汽輪機轉子受到的合成應力影響因素后，根據如下經驗公式首先計算每個循環導致的轉子損傷值

式中：σ為轉子受到的合成應力，MPa；E為材料的彈性模量，查閱設計手冊后確定其為207 GPa；K為轉子材料的彈塑性應變集中系數。代入上述數據后，即可求得每個循環后的轉子損傷值ε。而后進一步求得本次研究的汽輪機轉子的疲勞特性曲線表達式如下

ε=0.004 04 N-0.090 2+1.131 1 N-0.813 1。

基于該疲勞特性曲線表達式，即可通過每個循環后的轉子損傷值ε求得循環次數N，以此實現對轉子疲勞壽命的預測。

在確定上述幾方面的分析計算內容后，使用MATLAB編寫各段代碼以形成程序，并建立MATLAB與LABVIEW之間的連接，從而在LABVIEW程序中調用MATLAB運算，實現轉子應力與疲勞壽命的實時計算與顯示[3-4]。

2.4? 數據庫設計

結合數據在安全性和穩定性等多方面的需求，采用Oracle數據庫進行設計。同時在數據庫設計完成后，為進一步發揮存儲數據的作用，應用FineReport軟件對數據庫數據進行處理，在該軟件的處理過程中，主要步驟如下：①配置數據源。基于上文所述的實時數據庫，將數據源命名，并定義數據連接界面，而后匹配數據庫和驅動器，正確填寫URL，以實現FineReport與數據庫的連接。②報表設計。在建立連接后，根據需要監測的指標設計模板，而后對設計模板中單元格進行編程，編程內容則包括編輯單元格之間的關聯形式、邏輯計算、函數計算等。③報表設計完成后，應用FineReport軟件中的報表發布功能，將報表部署在Web服務器中，實現相關指標數據的實時顯示。

2.5? 客戶端與網絡通信設計

在客戶端程序設計中，為確保系統各項數據具備實時顯示與更新的能力，在該步驟中，首先，系統到后臺利用對應的DAO類取數據庫中的信息，然后在servlet中利用request保存信息，再到主頁面中利用JSTL函數實現數據的循環顯示。其次，研究人員設置定時器運行周期為1 s，實現每1 s即更新一次數據并刷新界面，以此進行數據更新。

另一方面，在系統網絡通信設計中，為實現轉子數據的遠程實時監控及通信的穩定性，本次采用無線傳感網絡通信模式，應用ZigBee技術支撐無線傳感網絡的運行。同時，為實現對人員和設備的有效監控與定位，設計配置了以下3類節點：移動定位節點End Device、參考定位節點Route、協調器中心節點Co-ordinator。這3類節點均為Mesh拓撲結構中的主要節點[5]，以此組成通信網絡結構如圖2所示。

在圖2中，Co-ordinator表示協調器，Route表示無線路由，End Device表示終端。相對而言，這種拓撲結構在靈活性和冗余度等方面均更具優勢。

3? 系統測試

在本次電廠汽輪機轉子在線監測系統架構及功能全部設計完成后，為檢驗其應用效果，對其進行以下幾方面的測試。

一是測試數據實時顯示功能，以熱應力測試為例，對客戶端界面進行檢查，結果如圖3所示。

根據圖3可見，該系統能夠對熱應力指標進行實時測試。在此基礎上，進一步應用ANSYS有限元分析方法和理論解析方法分別對相同狀態下的轉子熱應力進行分析，并與該系統自動求解的熱應力進行對比，結果顯示，系統求解的熱應力值與ANSYS有限元分析方法和理論解析方法相比，其差距分別為0.23%和0.28%，均維持在較小水平，這表明本系統能夠對熱應力指標進行準確的分析與實時的顯示。

二是測試在線監測系統對轉子壽命預測功能。該功能基于章節2.3構建的壽命損耗統計程序加以運行，通過對數據采集卡采集到的運行參數進行處理，即可得到轉子的壽命損耗量，并對轉子運行壽命進行評估，測試結果如圖4所示。

根據圖4可知，查詢界面的顯示方式主要是表格形式，表格對數據進行了簡單的統計分析，因而對轉子壽命損耗情況的評估更加直觀，這也證明該系統在實用性和便利度等方面均較具優勢。

4? 結束語

整體來看，在本次研究工作中，針對電廠汽輪機運行狀態實時監測工作方面存在的困難，對系統架構進行優化設計，以此逐步實現系統數據采集、數據分析、數據通信及顯示等各項功能。從實際測試結果來看，該系統各項指標均保持較優水平，預計其在今后的相關工作中也將得到逐步推廣應用。

參考文獻：

[1] 王加勇，鄧德兵，趙清森，等.汽輪機通流部分狀態監測與診斷方法研究及應用[J].電站系統工程，2023，39（4）：47-49.

[2] 翟小飛，馬仕洪，俞建明.汽輪機潤滑油在線監測與分析技術及系統[J].自動化應用，2022（10）：64-67，70.

[3] 喻松，王欣，王彤臣，等.基于溫度特征的核電汽輪機旁排閥內漏故障監測與診斷研究[J].中國核電，2022，15（4）：565-570.

[4] 林冬修.電廠汽輪機熱狀態動態監測方法分析[J].集成電路應用，2022，39（5）：136-137.

[5] 金健，胡小鋒.汽輪機轉子輪槽精銑刀磨損狀態監測技術研究[J].組合機床與自動化加工技術，2020（5）：90-94.