摘要：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度場是汽輪機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要參數(shù)。在LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺上構(gòu)建了具有溫度數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、存儲和報(bào)警等功能的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)利用蒸汽溫度測量數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型得出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度，具有精度高、可靠性好、構(gòu)建方便等優(yōu)點(diǎn)

汽輪機(jī)組在起、停機(jī)或者變負(fù)荷過程中，由于蒸汽溫度的變化，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部將產(chǎn)生很大的溫度梯度，使得轉(zhuǎn)子承受很大的熱應(yīng)力和熱變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子工作損耗。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高、低溫度變化形成熱應(yīng)力的循環(huán)，經(jīng)過多次作用后，會在轉(zhuǎn)子表面和中心孔壁形成裂紋，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界值就會發(fā)生轉(zhuǎn)子斷裂，造成事故。為此，本文采用美國國家儀器公司的圖形化編程軟件LabVIEW[1]作為監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)平臺，構(gòu)建汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)。通過對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)測與分析，尋找出溫度對轉(zhuǎn)子的影響因素，以便在汽輪機(jī)組的運(yùn)行中合理控制溫度參數(shù)，降低轉(zhuǎn)子的壽命損耗。
1 方案設(shè)計(jì)
以C50-8.83/0.98型汽輪機(jī)為研究對象，利用蒸汽溫度測量數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型得出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度系統(tǒng)主要有數(shù)字濾波及顯示、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、溫度報(bào)警等功能。由于該監(jiān)測系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)是計(jì)算溫差得到的，其結(jié)果的正確性依賴于監(jiān)測模型的準(zhǔn)確性。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子物理模型見圖1，該模型根據(jù)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行工況及溫度分布特征簡化后得到，共19級。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用圖形以數(shù)字和溫度計(jì)2 種方式顯示轉(zhuǎn)子溫度的分布，以便直觀地觀察溫度變化趨勢（圖2）。

2 溫度場計(jì)算模型
將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子簡化為有中心孔的無限長圓柱體，其數(shù)學(xué)模型及邊界條件[2]為：

式中：T為轉(zhuǎn)子溫度；R為轉(zhuǎn)子任一點(diǎn)的半徑；r為時(shí)間；a為熱擴(kuò)散率；T0為初始溫度；a為蒸汽與轉(zhuǎn)子表面間的換熱系數(shù)；Ts為與轉(zhuǎn)子外表面接觸的蒸汽溫度；R1、R2分別為轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑，λ為轉(zhuǎn)子材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
據(jù)數(shù)學(xué)模型，采用一維差分法得到克蘭克-尼科爾森差分［2] (2):

式中：T′i、T′i-1、T′i+1分別為下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)i-1、節(jié)點(diǎn)i+1的溫度值；Ti、Ti-1、Ti+1分別為該時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i、節(jié)點(diǎn)i-1、節(jié)點(diǎn)i+1的溫度值；△τ為間隔時(shí)間；Ri為節(jié)點(diǎn)i處的半徑；ΔR為分層厚度。
將得到的差分方程采用公式節(jié)點(diǎn)在LabVIEW中進(jìn)行運(yùn)算，其程序如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)處理
數(shù)字信號處理模塊是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。在實(shí)際測試和數(shù)據(jù)采集過程中，對監(jiān)測系統(tǒng)自身振動和外界干擾（電磁干擾、噪聲）等，可在信號濾波模塊加入低通濾波器抑制環(huán)境中50Hz或60Hz噪聲干擾并對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析[3]。利用仿真信號模擬溫度傳感器信號，再加入各種噪聲信號對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試，表明經(jīng)數(shù)字信號處理模塊運(yùn)行后得到的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度數(shù)據(jù)完全符合要求。其程序框圖如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)存儲及報(bào)警
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲的功能，可查看和分析歷史溫度數(shù)據(jù)，以便指導(dǎo)汽輪機(jī)的運(yùn)行。該系統(tǒng)采用 LabVIEW 文件存儲方式，并按照一定的時(shí)間周期生成報(bào)表。記錄數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意避免在同一時(shí)間內(nèi)因計(jì)數(shù)器被重復(fù)調(diào)用而生成多余數(shù)據(jù)。
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有溫度報(bào)警功能，對轉(zhuǎn)子設(shè)置了最高溫度限制和最低溫度限制閉，當(dāng)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子溫度超過或者低于設(shè)置溫度時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警。
5 結(jié)語
利用LabVIEW圖形軟件編制的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過測量蒸汽溫度并根據(jù)機(jī)組特性計(jì)算出轉(zhuǎn)子溫度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測。由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的變化，可判斷轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力變化，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和降低轉(zhuǎn)子壽命損耗提供了保障，提高了汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性?；贚abVIEW的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測儀器的各種功能，而且擴(kuò)展了監(jiān)測功能，使監(jiān)測更加開放、靈活，并具有圖形化的編程方式，開發(fā)時(shí)間短，維護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)。
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