基于LabVIEW 的汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)側(cè)系統(tǒng)

　　汽輪機組在起、停機或者變負(fù)荷過程中，由于蒸汽溫度的變化，汽輪機轉(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)建汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)。通過對汽輪機轉(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，以便在汽輪機組的運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

　　以C50-8.83/0.98型汽輪機為研究對象，利用蒸汽溫度測量數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)模型得出汽輪機轉(zhuǎn)子溫度。汽輪機轉(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、溫度報警等功能。由于該監(jiān)測系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)是計算溫差得到的，其結(jié)果的正確性依賴于監(jiān)測模型的準(zhǔn)確性。汽輪機轉(zhuǎn)子物理模型見圖1，該模型根據(jù)轉(zhuǎn)子的運行工況及溫度分布特征簡化后得到，共19級。

　　汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用圖形以數(shù)字和溫度計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 溫度場計算模型

　　將汽輪機轉(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)子任一點的半徑；r為時間；a為熱擴散率；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分別為下一時刻節(jié)點i、節(jié)點i-1、節(jié)點i+1的溫度值；Ti、Ti-1、Ti+1分別為該時刻節(jié)點i、節(jié)點i-1、節(jié)點i+1的溫度值；△τ為間隔時間；Ri為節(jié)點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)點在LabVIEW中進行運算，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)進行分析和處理。在實際測試和數(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轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行測試，表明經(jīng)數(shù)字信號處理模塊運行后得到的汽輪機轉(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)存儲及報警

　　汽輪機轉(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)汽輪機的運行。該系統(tǒng)采用 LabVIEW 文件存儲方式，并按照一定的時間周期生成報表。記錄數(shù)據(jù)時，應(yīng)注意避免在同一時間內(nèi)因計數(shù)器被重復(fù)調(diào)用而生成多余數(shù)據(jù)。

　　汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有溫度報警功能，對轉(zhuǎn)子設(shè)置了最高溫度限制和最低溫度限制閉，當(dāng)實時的轉(zhuǎn)子溫度超過或者低于設(shè)置溫度時，監(jiān)測系統(tǒng)將產(chǎn)生報警。

5 結(jié)語

　　利用LabVIEW圖形軟件編制的汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過測量蒸汽溫度并根據(jù)機組特性計算出轉(zhuǎn)子溫度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測。由汽輪機轉(zhuǎn)子溫度的變化，可判斷轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力變化，為及時發(fā)現(xiàn)故障和降低轉(zhuǎn)子壽命損耗提供了保障，提高了汽輪機運行的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。基于LabVIEW的汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)汽輪機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測儀器的各種功能，而且擴展了監(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)時間短，維護費用少等優(yōu)點。