電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宋萱

摘? 要：為進(jìn)一步探究電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的高效監(jiān)測方法，該文首先對電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測系統(tǒng)整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后基于既有框架，分別對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫等多個(gè)功能的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探討，最后對系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在在線監(jiān)測方面的性能相對較優(yōu)，預(yù)計(jì)其在后續(xù)工作中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；在線監(jiān)測系統(tǒng)；架構(gòu)設(shè)計(jì)；功能設(shè)計(jì)；系統(tǒng)測試

中圖分類號：TM621? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)轉(zhuǎn)子是火電廠運(yùn)行中的一類關(guān)鍵部件，因其運(yùn)行環(huán)境相對較為惡劣，導(dǎo)致其受到的負(fù)面影響較為突出，對于火電廠汽輪機(jī)的正常運(yùn)行也較為不利，因此，準(zhǔn)確判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行狀態(tài)是需要重點(diǎn)探究的內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要構(gòu)建面向汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的在線監(jiān)測系統(tǒng)，從而監(jiān)測其穩(wěn)定性，確保汽輪機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1? 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子監(jiān)測的實(shí)際需要，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、客戶端3個(gè)模塊共同組建系統(tǒng)整體架構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，各功能模塊以此完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)和其他相關(guān)信息的傳遞，具體如圖1所示。

如圖1所示，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)采集模塊將依托于傳感器，按照一定采集頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)收集（包括溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等），這些數(shù)據(jù)將由A/D轉(zhuǎn)換器統(tǒng)一變更為數(shù)字信號存儲。而后主控計(jì)算機(jī)將從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，在預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行邏輯運(yùn)算，以得到熱應(yīng)力、壽命損耗等結(jié)果并傳輸至客戶端，由此用戶即可在客戶端軟件上實(shí)時(shí)監(jiān)控汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行情況[1]。

2? 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

2.1? 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)

由于本次主要需對轉(zhuǎn)子溫度、壓力、轉(zhuǎn)速3個(gè)參數(shù)進(jìn)行采集，因此分別應(yīng)用3類傳感器進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果全部轉(zhuǎn)換為電壓信號。具體的傳感器選型結(jié)果見表1。

選定以上傳感器后，為確保3類數(shù)據(jù)同步傳輸，使用NI-PCI-6221型多功能數(shù)據(jù)采集卡與3類傳感器同時(shí)建立連接，構(gòu)建3個(gè)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行采樣。該數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)如下：6個(gè)模擬輸入通道，采樣率為250 KS/s；信號分辨率為16 Bit；2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器[2]。

2.2? 信號調(diào)理功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，基于數(shù)據(jù)板卡所采集到的數(shù)據(jù)，以A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力、轉(zhuǎn)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?shù)碾妷盒盘柗謩e進(jìn)行處理，處理規(guī)則見表2。

另一方面，研究人員應(yīng)用40腳扁平電纜插座，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集板卡與A/D轉(zhuǎn)換器的連接。由此，如開關(guān)量輸出信號被重置，則板卡處于低電平狀態(tài)，而在開關(guān)量輸入復(fù)位后，由于輸出電流遠(yuǎn)高于輸入電流，則輸入為高電平信號。

2.3? 計(jì)算分析功能設(shè)計(jì)

本次計(jì)算分析功能基于LABVIEW開發(fā)平臺，以虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)?？紤]到轉(zhuǎn)子監(jiān)測的主要內(nèi)容，對以下幾方面進(jìn)行計(jì)算分析。

一是針對轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的計(jì)算分析。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力的計(jì)算公式如下

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

二是對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的合成應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中不僅受到熱應(yīng)力的影響，同時(shí)也可能受到離心應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、剪切應(yīng)力等因素的影響，因此通過Von Mises公式對合成應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合實(shí)際情況，在計(jì)算過程中，對轉(zhuǎn)子表面受力進(jìn)行簡化，忽略徑向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的影響，由此確定合成應(yīng)力的計(jì)算公式如下

式中：F1為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受到的熱應(yīng)力，MPa；F2為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受到的等效機(jī)械應(yīng)力，該數(shù)值通過對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)子受到的合成應(yīng)力σ。

三是對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子疲勞壽命損耗進(jìn)行分析計(jì)算。在已知汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受到的合成應(yīng)力影響因素后，根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式首先計(jì)算每個(gè)循環(huán)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子損傷值

式中：σ為轉(zhuǎn)子受到的合成應(yīng)力，MPa；E為材料的彈性模量，查閱設(shè)計(jì)手冊后確定其為207 GPa；K為轉(zhuǎn)子材料的彈塑性應(yīng)變集中系數(shù)。代入上述數(shù)據(jù)后，即可求得每個(gè)循環(huán)后的轉(zhuǎn)子損傷值ε。而后進(jìn)一步求得本次研究的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的疲勞特性曲線表達(dá)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(dá)式，即可通過每個(gè)循環(huán)后的轉(zhuǎn)子損傷值ε求得循環(huán)次數(shù)N，以此實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子疲勞壽命的預(yù)測。

在確定上述幾方面的分析計(jì)算內(nèi)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(diào)用MATLAB運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子應(yīng)力與疲勞壽命的實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示[3-4]。

2.4? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

結(jié)合數(shù)據(jù)在安全性和穩(wěn)定性等多方面的需求，采用Oracle數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)完成后，為進(jìn)一步發(fā)揮存儲數(shù)據(jù)的作用，應(yīng)用FineReport軟件對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在該軟件的處理過程中，主要步驟如下：①配置數(shù)據(jù)源?；谏衔乃龅膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)源命名，并定義數(shù)據(jù)連接界面，而后匹配數(shù)據(jù)庫和驅(qū)動器，正確填寫URL，以實(shí)現(xiàn)FineReport與數(shù)據(jù)庫的連接。②報(bào)表設(shè)計(jì)。在建立連接后，根據(jù)需要監(jiān)測的指標(biāo)設(shè)計(jì)模板，而后對設(shè)計(jì)模板中單元格進(jìn)行編程，編程內(nèi)容則包括編輯單元格之間的關(guān)聯(lián)形式、邏輯計(jì)算、函數(shù)計(jì)算等。③報(bào)表設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)用FineReport軟件中的報(bào)表發(fā)布功能，將報(bào)表部署在Web服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

2.5? 客戶端與網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

在客戶端程序設(shè)計(jì)中，為確保系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)具備實(shí)時(shí)顯示與更新的能力，在該步驟中，首先，系統(tǒng)到后臺利用對應(yīng)的DAO類取數(shù)據(jù)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(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)顯示。其次，研究人員設(shè)置定時(shí)器運(yùn)行周期為1 s，實(shí)現(xiàn)每1 s即更新一次數(shù)據(jù)并刷新界面，以此進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

另一方面，在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及通信的穩(wěn)定性，本次采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信模式，應(yīng)用ZigBee技術(shù)支撐無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對人員和設(shè)備的有效監(jiān)控與定位，設(shè)計(jì)配置了以下3類節(jié)點(diǎn)：移動定位節(jié)點(diǎn)End Device、參考定位節(jié)點(diǎn)Route、協(xié)調(diào)器中心節(jié)點(diǎn)Co-ordinator。這3類節(jié)點(diǎn)均為Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的主要節(jié)點(diǎn)[5]，以此組成通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在圖2中，Co-ordinator表示協(xié)調(diào)器，Route表示無線路由，End Device表示終端。相對而言，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在靈活性和冗余度等方面均更具優(yōu)勢。

3? 系統(tǒng)測試

在本次電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及功能全部設(shè)計(jì)完成后，為檢驗(yàn)其應(yīng)用效果，對其進(jìn)行以下幾方面的測試。

一是測試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能，以熱應(yīng)力測試為例，對客戶端界面進(jìn)行檢查，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可見，該系統(tǒng)能夠?qū)釕?yīng)力指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測試。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用ANSYS有限元分析方法和理論解析方法分別對相同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力進(jìn)行分析，并與該系統(tǒng)自動求解的熱應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，系統(tǒng)求解的熱應(yīng)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(tǒng)能夠?qū)釕?yīng)力指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析與實(shí)時(shí)的顯示。

二是測試在線監(jiān)測系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子壽命預(yù)測功能。該功能基于章節(jié)2.3構(gòu)建的壽命損耗統(tǒng)計(jì)程序加以運(yùn)行，通過對數(shù)據(jù)采集卡采集到的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行處理，即可得到轉(zhuǎn)子的壽命損耗量，并對轉(zhuǎn)子運(yùn)行壽命進(jìn)行評估，測試結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，查詢界面的顯示方式主要是表格形式，表格對數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的統(tǒng)計(jì)分析，因而對轉(zhuǎn)子壽命損耗情況的評估更加直觀，這也證明該系統(tǒng)在實(shí)用性和便利度等方面均較具優(yōu)勢。

4? 結(jié)束語

整體來看，在本次研究工作中，針對電廠汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測工作方面存在的困難，對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)通信及顯示等各項(xiàng)功能。從實(shí)際測試結(jié)果來看，該系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均保持較優(yōu)水平，預(yù)計(jì)其在今后的相關(guān)工作中也將得到逐步推廣應(yīng)用。

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