基于LabVIEW 的汽輪機轉子溫度監側系統

　　汽輪機組在起、停機或者變負荷過程中，由于蒸汽溫度的變化，汽輪機轉子內部將產生很大的溫度梯度，使得轉子承受很大的熱應力和熱變形，導致轉子工作損耗。汽輪機轉子高、低溫度變化形成熱應力的循環，經過多次作用后，會在轉子表面和中心孔壁形成裂紋，當裂紋達到臨界值就會發生轉子斷裂，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]作為監測系統的開發平臺，構建汽輪機轉子溫度監測系統。通過對汽輪機轉子溫度的監測與分析，尋找出溫度對轉子的影響因素，以便在汽輪機組的運行中合理控制溫度參數，降低轉子的壽命損耗。

1 方案設計

　　以C50-8.83/0.98型汽輪機為研究對象，利用蒸汽溫度測量數據通過數學模型得出汽輪機轉子溫度。汽輪機轉子溫度系統主要有數字濾波及顯示、信號處理、數據存儲、溫度報警等功能。由于該監測系統的溫度數據是計算溫差得到的，其結果的正確性依賴于監測模型的準確性。汽輪機轉子物理模型見圖1，該模型根據轉子的運行工況及溫度分布特征簡化后得到，共19級。

　　汽輪機轉子溫度監測系統采用圖形以數字和溫度計2 種方式顯示轉子溫度的分布，以便直觀地觀察溫度變化趨勢（圖2）。

2 溫度場計算模型

　　將汽輪機轉子簡化為有中心孔的無限長圓柱體，其數學模型及邊界條件[2]為：

　　式中：T為轉子溫度；R為轉子任一點的半徑；r為時間；a為熱擴散率；T0為初始溫度；a為蒸汽與轉子表面間的換熱系數；Ts為與轉子外表面接觸的蒸汽溫度；R1、R2分別為轉子內、外徑，λ為轉子材料的導熱系數。

　　據數學模型，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分別為下一時刻節點i、節點i-1、節點i+1的溫度值；Ti、Ti-1、Ti+1分別為該時刻節點i、節點i-1、節點i+1的溫度值；△τ為間隔時間；Ri為節點i處的半徑；ΔR為分層厚度。

　　將得到的差分方程采用公式節點在LabVIEW中進行運算，其程序如圖3所示。

3 數據處理

　　數字信號處理模塊是汽輪機轉子溫度監測系統中的重要組成部分，其主要對采集的數據進行分析和處理。在實際測試和數據采集過程中，對監測系統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境中50Hz或60Hz噪聲干擾并對數據進行頻譜分析[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子溫度監測系統進行測試，表明經數字信號處理模塊運行后得到的汽輪機轉子溫度數據完全符合要求。其程序框圖如圖4所示。

4 數據存儲及報警

　　汽輪機轉子溫度監測系統具有數據存儲的功能，可查看和分析歷史溫度數據，以便指導汽輪機的運行。該系統采用 LabVIEW 文件存儲方式，并按照一定的時間周期生成報表。記錄數據時，應注意避免在同一時間內因計數器被重復調用而生成多余數據。

　　汽輪機轉子溫度監測系統具有溫度報警功能，對轉子設置了最高溫度限制和最低溫度限制閉，當實時的轉子溫度超過或者低于設置溫度時，監測系統將產生報警。

5 結語

　　利用LabVIEW圖形軟件編制的汽輪機轉子溫度監測系統，通過測量蒸汽溫度并根據機組特性計算出轉子溫度，實現轉子溫度監測。由汽輪機轉子溫度的變化，可判斷轉子的熱應力變化，為及時發現故障和降低轉子壽命損耗提供了保障，提高了汽輪機運行的安全性、穩定性、經濟性。基于LabVIEW的汽輪機轉子溫度監測系統不僅實現了傳統汽輪機轉子溫度監測儀器的各種功能，而且擴展了監測功能，使監測更加開放、靈活，并具有圖形化的編程方式，開發時間短，維護費用少等優點。