电厂汽轮机转子在线监测系统设计研究

宋萱

摘  要：为进一步探究电厂汽轮机转子的高效监测方法，该文首先对电厂汽轮机转子在线监测系统整体框架进行设计，而后基于既有框架，分别对数据采集、数据分析、数据库等多个功能的技术要点进行详细探讨，最后对系统进行测试。测试结果显示，该系统在在线监测方面的性能相对较优，预计其在后续工作中具有潜在应用价值。

关键词：汽轮机转子；在线监测系统；架构设计；功能设计；系统测试

中图分类号：TM621      文献标志码：A          文章编号：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

汽轮机转子是火电厂运行中的一类关键部件，因其运行环境相对较为恶劣，导致其受到的负面影响较为突出，对于火电厂汽轮机的正常运行也较为不利，因此，准确判断汽轮机转子的运行状态是需要重点探究的内容。为实现这一目标，需要构建面向汽轮机转子的在线监测系统，从而监测其稳定性，确保汽轮机组的长期稳定运行。

1  系统整体架构设计

基于汽轮机转子监测的实际需要，以数据采集、数据分析、客户端3个模块共同组建系统整体架构，利用计算机进行统一控制，各功能模块以此完成现场数据和其他相关信息的传递，具体如图1所示。

如图1所示，系统在运行过程中，数据采集模块将依托于传感器，按照一定采集频率进行数据收集（包括温度、压力、转速等），这些数据将由A/D转换器统一变更为数字信号存储。而后主控计算机将从数据库中实时调取相关数据，在预先设计的数学模型中进行逻辑运算，以得到热应力、寿命损耗等结果并传输至客户端，由此用户即可在客户端软件上实时监控汽轮机转子的运行情况[1]。

2  系统主要功能设计

2.1  数据采集功能设计

由于本次主要需对转子温度、压力、转速3个参数进行采集，因此分别应用3类传感器进行采样，并将采样结果全部转换为电压信号。具体的传感器选型结果见表1。

选定以上传感器后，为确保3类数据同步传输，使用NI-PCI-6221型多功能数据采集卡与3类传感器同时建立连接，构建3个数据通道进行采样。该数据采集卡的主要性能指标如下：6个模拟输入通道，采样率为250 KS/s；信号分辨率为16 Bit；2个32位定时器/计数器[2]。

2.2  信号调理功能设计

为实现数据的统一处理，基于数据板卡所采集到的数据，以A/D转换器来实现对温度、压力、转速3类传感器信号的采集和处理，采集通道则为1 MΩ输入阻抗的16路单端或8路双端输入。针对不同传感器传输的电压信号分别进行处理，处理规则见表2。

另一方面，研究人员应用40脚扁平电缆插座，构建数据采集板卡与A/D转换器的连接。由此，如开关量输出信号被重置，则板卡处于低电平状态，而在开关量输入复位后，由于输出电流远高于输入电流，則输入为高电平信号。

2.3  计算分析功能设计

本次计算分析功能基于LABVIEW开发平台，以虚拟仪器技术进行开发设计。考虑到转子监测的主要内容，对以下几方面进行计算分析。

一是针对转子热应力的计算分析。根据相关文献资料，确定汽轮机转子热应力的计算公式如下

式中：Tm为物体体积平均温度，℃；v为转子材料的泊松比，本次取值为0.3；t为计算节点的温度，℃；β为转子材料的线膨胀系数，本次取值为1/℃；E为转子材料的弹性模量，MPa；r为转子材料的半径，m。代入上述已知条件后即可求得转子的热应力F1。

二是对汽轮机转子的合成应力进行分析计算。由于汽轮机转子在运行过程中不仅受到热应力的影响，同时也可能受到离心应力、机械应力、剪切应力等因素的影响，因此通过Von Mises公式对合成应力进行计算。结合实际情况，在计算过程中，对转子表面受力进行简化，忽略径向应力和剪切应力的影响，由此确定合成应力的计算公式如下

式中：F1为汽轮机转子受到的热应力，MPa；F2为汽轮机转子受到的等效机械应力，该数值通过对汽轮机转子应用ANSYS有限元分析方法所求得，单位为MPa，由此即可得到汽轮机转子受到的合成应力σ。

三是对汽轮机转子疲劳寿命损耗进行分析计算。在已知汽轮机转子受到的合成应力影响因素后，根据如下经验公式首先计算每个循环导致的转子损伤值

式中：σ为转子受到的合成应力，MPa；E为材料的弹性模量，查阅设计手册后确定其为207 GPa；K为转子材料的弹塑性应变集中系数。代入上述数据后，即可求得每个循环后的转子损伤值ε。而后进一步求得本次研究的汽轮机转子的疲劳特性曲线表达式如下

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

基于该疲劳特性曲线表达式，即可通过每个循环后的转子损伤值ε求得循环次数N，以此实现对转子疲劳寿命的预测。

在确定上述几方面的分析计算内容后，使用MATLAB编写各段代码以形成程序，并建立MATLAB与LABVIEW之间的连接，从而在LABVIEW程序中调用MATLAB运算，实现转子应力与疲劳寿命的实时计算与显示[3-4]。

2.4  数据库设计

结合数据在安全性和稳定性等多方面的需求，采用Oracle数据库进行设计。同时在数据库设计完成后，为进一步发挥存储数据的作用，应用FineReport软件对数据库数据进行处理，在该软件的处理过程中，主要步骤如下：①配置数据源。基于上文所述的实时数据库，将数据源命名，并定义数据连接界面，而后匹配数据库和驱动器，正确填写URL，以实现FineReport与数据库的连接。②报表设计。在建立连接后，根据需要监测的指标设计模板，而后对设计模板中单元格进行编程，编程内容则包括编辑单元格之间的关联形式、逻辑计算、函数计算等。③报表设计完成后，应用FineReport软件中的报表发布功能，将报表部署在Web服务器中，实现相关指标数据的实时显示。

2.5  客户端与网络通信设计

在客户端程序设计中，为确保系统各项数据具备实时显示与更新的能力，在该步骤中，首先，系统到后台利用对应的DAO类取数据库中的信息，然后在servlet中利用request保存信息，再到主页面中利用JSTL函数实现数据的循环显示。其次，研究人员设置定时器运行周期为1 s，实现每1 s即更新一次数据并刷新界面，以此进行数据更新。

另一方面，在系统网络通信设计中，为实现转子数据的远程实时监控及通信的稳定性，本次采用无线传感网络通信模式，应用ZigBee技术支撑无线传感网络的运行。同时，为实现对人员和设备的有效监控与定位，设计配置了以下3类节点：移动定位节点End Device、参考定位节点Route、协调器中心节点Co-ordinator。这3类节点均为Mesh拓扑结构中的主要节点[5]，以此组成通信网络结构如图2所示。

在图2中，Co-ordinator表示协调器，Route表示无线路由，End Device表示终端。相对而言，这种拓扑结构在灵活性和冗余度等方面均更具优势。

3  系统测试

在本次电厂汽轮机转子在线监测系统架构及功能全部设计完成后，为检验其应用效果，对其进行以下几方面的测试。

一是测试数据实时显示功能，以热应力测试为例，对客户端界面进行检查，结果如图3所示。

根据图3可见，该系统能够对热应力指标进行实时测试。在此基础上，进一步应用ANSYS有限元分析方法和理论解析方法分别对相同状态下的转子热应力进行分析，并与该系统自动求解的热应力进行对比，结果显示，系统求解的热应力值与ANSYS有限元分析方法和理论解析方法相比，其差距分别为0.23%和0.28%，均维持在较小水平，这表明本系统能够对热应力指标进行准确的分析与实时的显示。

二是测试在线监测系统对转子寿命预测功能。该功能基于章节2.3构建的寿命损耗统计程序加以运行，通过对数据采集卡采集到的运行参数进行处理，即可得到转子的寿命损耗量，并对转子运行寿命进行评估，测试结果如图4所示。

根据图4可知，查询界面的显示方式主要是表格形式，表格对数据进行了简单的统计分析，因而对转子寿命损耗情况的评估更加直观，这也证明该系统在实用性和便利度等方面均较具优势。

4  结束语

整体来看，在本次研究工作中，针对电厂汽轮机运行状态实时监测工作方面存在的困难，对系统架构进行优化设计，以此逐步实现系统数据采集、数据分析、数据通信及显示等各项功能。从实际测试结果来看，该系统各项指标均保持较优水平，预计其在今后的相关工作中也将得到逐步推广应用。

参考文献：

[1] 王加勇，邓德兵，赵清森，等.汽轮机通流部分状态监测与诊断方法研究及应用[J].电站系统工程，2023，39（4）：47-49.

[2] 翟小飞，马仕洪，俞建明.汽轮机润滑油在线监测与分析技术及系统[J].自动化应用，2022（10）：64-67，70.

[3] 喻松，王欣，王彤臣，等.基于温度特征的核电汽轮机旁排阀内漏故障监测与诊断研究[J].中国核电，2022，15（4）：565-570.

[4] 林冬修.電厂汽轮机热状态动态监测方法分析[J].集成电路应用，2022，39（5）：136-137.

[5] 金健，胡小锋.汽轮机转子轮槽精铣刀磨损状态监测技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2020（5）：90-94.