汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

畢純輝，孫 凱，王韜，李淑鈺

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汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

畢純輝，孫 凱，王韜，李淑鈺

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

為了保證汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，需要監(jiān)測(cè)其端部磁場(chǎng)和溫度分布，為此開(kāi)發(fā)了汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)把傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)測(cè)試技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以完成汽輪發(fā)電機(jī)端部磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度的自動(dòng)采集和處理，并由專家系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，做出電機(jī)工作正常、預(yù)警、危險(xiǎn)等各種提示。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，方便準(zhǔn)確，能滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求。

電機(jī)端部；在線監(jiān)側(cè)；CompactRIO系統(tǒng)；LabVIEW

0 前言

隨著發(fā)電機(jī)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，大型汽輪發(fā)電機(jī)的容量不斷增加，20世紀(jì)70年代以后，汽輪發(fā)電機(jī)的最大容量達(dá)1300～1500MW，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)最大容量目前也已經(jīng)達(dá)到1000MW以上。隨著容量的增加，其電負(fù)荷已經(jīng)超過(guò)2000A/cm。如此之大的容量和高的電負(fù)荷，使巨型汽輪發(fā)電機(jī)的端部磁場(chǎng)分布合理、降低損耗提高效率、防止局部過(guò)熱成為焦點(diǎn)問(wèn)題，這也是限制容量發(fā)展的一個(gè)棘手問(wèn)題。另外，汽輪發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中經(jīng)常進(jìn)相運(yùn)行，其端部磁場(chǎng)增大，使端部及結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。為此，大型汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)分布的研究一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。通常采用理論計(jì)算的方法對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的端部電磁場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，通過(guò)測(cè)量大型發(fā)電機(jī)端部的磁場(chǎng)和溫升，以驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果，為理論研究和端部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

通常大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心端部是通過(guò)端部結(jié)構(gòu)件對(duì)鐵心進(jìn)行固定和壓緊，所以要防止電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于鐵心松動(dòng)而引起鐵心過(guò)熱和振動(dòng)過(guò)大給電機(jī)造成的安全隱患。定子端部磁場(chǎng)會(huì)在端部結(jié)構(gòu)件和邊段鐵心中感應(yīng)渦流引起發(fā)熱，掌握電機(jī)實(shí)際的磁場(chǎng)和溫度分布，有助于采取有效措施，使端部結(jié)構(gòu)更加合理，并為電機(jī)的安全可靠運(yùn)行提供依據(jù)。因此在線監(jiān)測(cè)大型汽輪發(fā)電機(jī)各種工況下的端部結(jié)構(gòu)件溫度、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布等是非常必要的。

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

本文論述的汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件包括以下部分：T型熱電偶溫度傳感器，用于測(cè)量電機(jī)邊段鐵心以及壓緊板等端部關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)件表面的溫度值，防止溫度過(guò)高；測(cè)磁線圈，用來(lái)測(cè)量相同部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度；NI CompactRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)用于采集T型熱電偶溫度傳感器和測(cè)磁線圈的輸出信號(hào)；上位監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，用于運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件及專家分析系統(tǒng)軟件。汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

1.1 T型熱電偶溫度傳感器

汽輪發(fā)電機(jī)的端部鐵心、邊段鐵心以及壓緊結(jié)構(gòu)件表面等部位的溫度值反映了電機(jī)的運(yùn)行狀況，因此電機(jī)端部及其結(jié)構(gòu)件磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度是需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的參數(shù)。本文所述系統(tǒng)中采用T型熱電偶作為測(cè)溫元件，T型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，溫度近似線性和復(fù)制性好，傳熱快，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。T型熱電偶在-200°C~400°C的被測(cè)溫度范圍內(nèi)具有較高的精度。系統(tǒng)中把熱電偶與測(cè)磁線圈固定到一起，用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘到監(jiān)測(cè)點(diǎn)上。汽輪發(fā)電機(jī)端部測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

1.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量線圈

測(cè)磁線圈是由支撐骨架及幾十到數(shù)百匝纏繞在支撐骨架上的漆包線組成，支撐骨架用環(huán)氧玻璃布板加工制成，呈工字形，線圈輸出電壓大小與線圈的匝數(shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān)。通過(guò)標(biāo)定，可得到測(cè)磁線圈輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量測(cè)磁線圈的輸出電壓有效值，可以計(jì)算出相應(yīng)部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度，以判斷磁場(chǎng)分布是否合理，保證電機(jī)的安全運(yùn)行，為端部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)端部測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3 NI CompactRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)

NI CompactRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)是美國(guó)NI公司生產(chǎn)的小巧而堅(jiān)固的工業(yè)化控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用可重配置的I/O（reconfigurable I/O，簡(jiǎn)稱CRIO系統(tǒng)）和FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高性能和可自定義功能。它以LabVIEW FPGA和LabVIEW實(shí)時(shí)技術(shù)為核心，由一個(gè)實(shí)時(shí)控制器、內(nèi)置可重新配置FPGA芯片的堅(jiān)固機(jī)箱和可熱插拔的工業(yè)級(jí) C系列I/O模塊組成，是一款專為高性能測(cè)控應(yīng)用及高可靠性需求而設(shè)計(jì)的應(yīng)用平臺(tái)[1]。

在本系統(tǒng)中，可重配置機(jī)箱選用cRIO-9113,它具有3M的FPGA門，4個(gè)I/O模塊插槽，因此最多可以配4個(gè)不同功能的I/O模塊；控制器選用cRIO-9124，它帶有800MHz的處理器，512MB的內(nèi)存，4GB的非遺失性存儲(chǔ)器，并通過(guò)以太網(wǎng)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換，由上位計(jì)算機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件操縱控制器使用LabVIEW Real-Time系統(tǒng)軟件控制測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；NI9205為模擬輸入模塊，此模塊為16位16路差分輸入電壓采集模塊，采樣率為250kS/s，用于測(cè)量測(cè)磁線圈的輸出電壓；NI9213為熱電偶輸入模塊，此模塊為24位16路輸入，采樣率為1200S/s。用2塊NI9213模塊2塊NI9205可以構(gòu)成最大32點(diǎn)溫度和32點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.4 上位監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)

上位監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)行在LabVIEW軟件平臺(tái)上編制的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件，在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件中嵌入了專家分析系統(tǒng)。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件包括兩部分：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件和CRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)的Real-Time數(shù)據(jù)采集傳輸軟件。整個(gè)軟件系統(tǒng)是在LabVIEW軟件平臺(tái)上編制的。

LabVIEW是由美國(guó)NI公司研制開(kāi)發(fā)的具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量、嵌入式應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)控制、圖像處理、計(jì)算機(jī)仿真、FPGA等眾多領(lǐng)域。以LabVIEW為核心，采用不同的專用工具包，統(tǒng)一的圖形編程方式，可以實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)領(lǐng)域的需求[2]。

2.1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件操縱上位計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)完成與CompactRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)的信息交換，實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）控制CRIO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度；（2）接受CRIO系統(tǒng)傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；（3）顯示汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)強(qiáng)度和溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線；（4）運(yùn)用ADO技術(shù)完成測(cè)試數(shù)據(jù)在 LabVIEW與Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)之間的動(dòng)態(tài)傳輸，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存[3]；（5）通過(guò)嵌入其中的專家分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與專家系統(tǒng)中的設(shè)定值進(jìn)行比較，做出電機(jī)工作正常、預(yù)警、危險(xiǎn)等各種提示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件主界面如圖3所示。

2.2 NI CompactRIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)軟件

CRIO系統(tǒng)的硬件部分包括控制器、CRIO機(jī)箱和C系列模塊。通過(guò)CRIO系統(tǒng)軟件的運(yùn)行，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制C系列模塊的信號(hào)采集、輸入/輸出控制，把采集的數(shù)據(jù)傳入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；控制器實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析等功能，并實(shí)現(xiàn)與FPGA以及上位計(jì)算機(jī)之間的信息交換。CRIO軟件系統(tǒng)編程包括FPGA、RT控制器和Real-Time的圖形接口三部分。CRIO軟件系統(tǒng)用于磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的程序框圖如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在HEC制造的某臺(tái)大型汽輪發(fā)電機(jī)的出廠前型式試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明此系統(tǒng)性能可靠，測(cè)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確。上位監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件界面友好，功能強(qiáng)，專家分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算分析準(zhǔn)確可信，可以保證發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖3 汽輪發(fā)電機(jī)端部磁場(chǎng)和溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)控軟件主界面

圖4 CRIO系統(tǒng)用于磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集的程序框圖

[1] 聚星儀器. NICompactRIO平臺(tái)配置指導(dǎo)及用戶方案[K]. NATIONAL INSTRUMENT, 2012.

[2] 陳樹(shù)學(xué), 劉萱. LabVIEW寶典[M]. 電子工業(yè)出版社, 2011, 3.

[3] 畢純輝, 王雪健, 孫凱, 等. 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道智能檢驗(yàn)分析系統(tǒng)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2013, (4).

The Online Monitoring System of Flux Density and Temperature in the End-Region of Turbogenerators

BI Chunhui, SUN Kai, WANG Tao, LI Shuyu

（Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China）

To ensure safe operation of the turbogenerator, the distribution of flux density and temperature in the end region is detected. Thus, the online monitoring system of flux density and temperature in the turbogenerator end-region are developed. The system in which the transducer technology and auto–controlled technology are used can acquire and process data of flux density and temperature in turbogenerators end-region automatically, and give instructions of normal, warning or danger for the operation of the turbogenerator through the calculation and analysis by the expert system. The test results indicate that the system is highly automatic, convenient and well precise, and it meets the requirement of operation on site.

turbogenerators end-region; online monitoring; CompactRIO system; LabVIEW

TM311

A

1000-3983(2014)01-0006-04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2009ZX06004-013-04-01）

2013-07-26

畢純輝（1964-），1987年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)檢測(cè)技術(shù)及儀器專業(yè)，2001年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器儀表工程碩士學(xué)位，現(xiàn)從事電機(jī)檢測(cè)技術(shù)及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，高級(jí)工程師。

審稿人：劉 瑩