基于DCS系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測與應(yīng)用

張真龍

（貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司大龍分公司，貴州 銅仁 554001）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展與國民生活水平的日益提高，電力的總體需求量也在逐年提高。由于國內(nèi)80%以上的發(fā)電任務(wù)是由汽輪發(fā)電機(jī)完成的，因此，設(shè)法提高汽輪發(fā)電機(jī)的電機(jī)容量成為彌補(bǔ)用電缺口的重要途經(jīng)。顯而易見，增加機(jī)組構(gòu)型尺寸、提高發(fā)電機(jī)電磁負(fù)荷均能達(dá)到上述目標(biāo)，但受到定子運(yùn)輸允許尺寸、轉(zhuǎn)子鍛件與撓度等方面的制約，后者成為實(shí)際設(shè)計(jì)中的常用手段。提高電磁負(fù)荷需要增加機(jī)組內(nèi)繞組銅耗，這將導(dǎo)致繞組溫升急劇提升，隨時(shí)有超過容許溫升的危險(xiǎn)[1]。作為重要發(fā)電設(shè)備的大型汽輪發(fā)電機(jī)在正常服役時(shí)，不可避免地會(huì)因各種損耗（例如轉(zhuǎn)子損耗、繞組損耗或機(jī)械損耗等）而產(chǎn)生熱量，如果這些熱量不能被機(jī)組內(nèi)的冷卻系統(tǒng)及時(shí)排出，那么發(fā)電機(jī)組會(huì)因這些逐漸積累的熱量而產(chǎn)生影響其正常運(yùn)行的高溫。因此，溫度自然而然地成為機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)，而采用更加精確的氣流量分布與轉(zhuǎn)子溫升算法可以提前預(yù)測機(jī)組內(nèi)各部分的通風(fēng)量與溫升，為大型汽輪發(fā)電機(jī)溫度的超前控制、確定檢修維護(hù)頻率以及故障診斷分析提供了數(shù)據(jù)支持。

1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度算法模型

大型汽輪發(fā)電機(jī)均采用密閉式的構(gòu)型，其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量先被第一冷卻介質(zhì)吸收傳遞給機(jī)組冷卻器，再在機(jī)組冷卻器中與第二冷卻介質(zhì)進(jìn)行耗散并釋放至機(jī)組外部。因此，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作溫度的計(jì)算本質(zhì)上是綜合考慮機(jī)組冷卻效能與構(gòu)件發(fā)熱總量的耦合問題。

1.1 轉(zhuǎn)子溫度的計(jì)算

影響大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的主要因素有3 個(gè)，即機(jī)組內(nèi)勵(lì)磁電流水平、發(fā)電機(jī)氫氣溫度的高低以及氫氣壓強(qiáng)的大小[2]。其原因是機(jī)組內(nèi)勵(lì)磁電流水平越高，轉(zhuǎn)子線圈所承載的電壓就越高，由歐姆定律可知，其發(fā)熱量也越大，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫升也越高；當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫的冷卻系統(tǒng)時(shí)，作為冷卻介質(zhì)的氫氣的溫度越高，其熱量吸收能力就越差；氫氣的壓強(qiáng)直接影響氫氣的流動(dòng)性，即氫氣壓強(qiáng)越大，其循環(huán)性能就越差，這就進(jìn)一步降低了冷卻系統(tǒng)的冷卻效果。

綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的計(jì)算需要提供的輸入?yún)?shù)為勵(lì)磁電流、冷卻系統(tǒng)內(nèi)氫氣的平均溫度以及氫氣的相對(duì)壓強(qiáng)。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度T如公式（1）所示。

式中：T為汽輪發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子線圈的溫度；ΔT為轉(zhuǎn)子線圈的溫升；T0為發(fā)電機(jī)氫氣相對(duì)溫度。

轉(zhuǎn)子線圈的溫升T0如公式（2）所示。

式中：ΔT0為機(jī)組制造常數(shù)，ΔT0=1；α為機(jī)組制造常數(shù)，α=0.065；p為氫氣相對(duì)壓力；Pex為勵(lì)磁功率。

勵(lì)磁功率Pex如公式（3）所示。

式中：Ured為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的電壓；R為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的電阻。

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的電阻R如公式（4）所示。

式中：R95為汽輪發(fā)電機(jī)在95 ℃時(shí)的轉(zhuǎn)子線圈電阻值。

通過循環(huán)迭代公式（1）～公式（4）可以得到汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度。當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的線圈電壓與轉(zhuǎn)子電阻呈正相關(guān)；當(dāng)勵(lì)磁電流變化時(shí)，汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)的線圈電壓與轉(zhuǎn)子電阻呈非線性。現(xiàn)給出廠家通過試驗(yàn)得到的不同水平勵(lì)磁電流條件下，線圈電壓與轉(zhuǎn)子電阻的擬合關(guān)系（保留1 位有效數(shù)字），如公式（5）所示。

式中：U50、U100、U140、U170以及U220分別為勵(lì)磁電流為50 A、100 A、140 A、170 A 以及220 A 時(shí)的典型值。

1.2 計(jì)算算法流程

在實(shí)際計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度時(shí)，應(yīng)遵循以下6 個(gè)步驟：1） 由DCS 系統(tǒng)提供計(jì)算所需的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流、冷卻系統(tǒng)內(nèi)氫氣的平均溫度以及相對(duì)壓強(qiáng)。2） 由公式（4）得到轉(zhuǎn)子機(jī)組內(nèi)線圈電阻。3） 由公式（5）得到不同磁力電流條件下的轉(zhuǎn)子線圈電壓。4）根據(jù)擬合曲線得到公式（3）所需的轉(zhuǎn)子線圈的電壓。5） 將結(jié)果分別代入公式（1）和公式（2）得到轉(zhuǎn)子溫升ΔT1，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子溫度T。6） 再將得到的轉(zhuǎn)子溫度代入原式反算出轉(zhuǎn)子溫升ΔT2，直至2 次計(jì)算得到的溫升結(jié)果的差值小于允許差值，否則繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。

2 基于DCS 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子溫度算法的實(shí)現(xiàn)

目前，包括發(fā)電行業(yè)在內(nèi)的絕大多數(shù)工業(yè)的自動(dòng)化控制過程中，均不可避免地需要采集大量的數(shù)字模擬信號(hào)，而利用DCS 系統(tǒng)就能很有效率地完成采集這些數(shù)字模擬信號(hào)的工作。

2.1 機(jī)組DCS 系統(tǒng)

機(jī)組分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）采用德國SIEMENS 公司開發(fā)的TXP 自動(dòng)化系統(tǒng)，其包括以下5 個(gè)組件：操作與監(jiān)視系統(tǒng)（OM650）、工程系統(tǒng)（ES680）、專家診斷系統(tǒng)（DS670）、自動(dòng)化系統(tǒng)（AS620）及通信系統(tǒng)（SINET H1）[3]。

操作與監(jiān)視系統(tǒng)（OM650）中擁有許多類型的報(bào)表體系。這些體系按其內(nèi)容可分為工作順序報(bào)表與組件狀態(tài)報(bào)表。其中，工作順序報(bào)表主要呈現(xiàn)的是特定時(shí)間段內(nèi)過程報(bào)警事件及系統(tǒng)操作記錄等信息；組件狀態(tài)報(bào)表則主要用來顯示特定時(shí)間段內(nèi)觀測量與模擬量的狀態(tài)、設(shè)備各組件運(yùn)行時(shí)長及設(shè)備具體組件的啟動(dòng)或停運(yùn)次數(shù)等信息。

發(fā)電廠經(jīng)常遇到的性能計(jì)算如下：1） 效率計(jì)算。例如機(jī)組效率、汽機(jī)效率、熱交換效率以及長用效率等。2） 損耗效率。例如未完全燃燒熱損失、氣煙損失、飛灰損失、熱輻射以及熱傳導(dǎo)損失。3） 累積計(jì)算。例如煤炭消耗總量、風(fēng)流通總量、主汽流量、給水總量以及補(bǔ)水總量等。4） 設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。例如各荷區(qū)段內(nèi)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、循環(huán)水泵、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、電泵以及汽泵等運(yùn)行時(shí)間。以上許多性能計(jì)算均可以在工程系統(tǒng)（ES680）內(nèi)置的FUR-Editor組件中完成。該系統(tǒng)中預(yù)制的100 多個(gè)與外部硬件相匹配的計(jì)算功能模塊，完全能夠勝任各種熱力學(xué)函數(shù)（例如熵焓運(yùn)算、效用損失運(yùn)算等）與發(fā)電廠專用函數(shù)（例如機(jī)組損耗與全壽命監(jiān)測、機(jī)組特征值運(yùn)算以及給水加熱器特征值運(yùn)算等）的運(yùn)算。

除了擁有過程控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)（TELEPERM XP）所具有的自我診斷功能，專家診斷系統(tǒng)（DS670）還為DCS 系統(tǒng)提供了更加全面且精細(xì)的故障分析功能、故障診斷功能以及更加人性化的故障維護(hù)指導(dǎo)功能。

自動(dòng)化系統(tǒng)（AS620）負(fù)責(zé)完成具體工業(yè)控制過程的自動(dòng)化任務(wù)，具體流程如下：首先，自動(dòng)化系統(tǒng)從工業(yè)控制過程中獲得實(shí)時(shí)觀測項(xiàng)目的狀態(tài)與數(shù)值。其次，進(jìn)行閉環(huán)或開環(huán)控制。最后，校正觀測數(shù)值并對(duì)其過程進(jìn)行反饋。

通信系統(tǒng)（SINET H1）則負(fù)責(zé)關(guān)聯(lián)所有子系統(tǒng)至DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及信息傳輸，由信源、信道及信宿等組件組成。與同類別DCS 系統(tǒng)中的通信能力相比，SINET H1 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量更多、信息熵值更低，這就為系統(tǒng)的全壽命監(jiān)測與及時(shí)反饋、補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。

2.2 測量汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組溫度的方法

理論上，可采用直接測量法或間接測量法獲取大型汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的工作溫度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測其服役水平的目標(biāo)。但轉(zhuǎn)子工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，既增加了將傳感器直接置于轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)的難度，又為汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行留下了隱患。因此，實(shí)際上對(duì)大型發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測多采用先測得轉(zhuǎn)子工作電阻值，再由轉(zhuǎn)換模型計(jì)算間接獲得其工作溫度的方法。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于DCS 系統(tǒng)對(duì)發(fā)電廠各重要組件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的技術(shù)也日益成熟，這就使從前難以完成的測控任務(wù)變得相對(duì)容易了。

2.3 動(dòng)態(tài)直流電阻采集原理

直流電阻就是在直流條件下測得的電氣組件的電阻。在現(xiàn)場，首先通過直流電壓變送器與直流電流變送器將汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組兩端的直流勵(lì)磁電壓監(jiān)測值Uf流經(jīng)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流監(jiān)測值If分別轉(zhuǎn)化成4 mA～20 mA。其次，將其傳送至電氣控制系統(tǒng)（Electric Control System， ECS）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并記錄這個(gè)時(shí)刻的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。最后，通過調(diào)用DCS系統(tǒng)中的直流勵(lì)磁電壓、直流勵(lì)磁電流的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，在ES680 中組態(tài)得到轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)直流電阻值R2。

2.4 冷態(tài)直流電阻獲取途徑

與上述動(dòng)態(tài)直流電阻的采集原理相似，綜合汽輪發(fā)電機(jī)出廠說明書提供的相關(guān)參數(shù)與現(xiàn)場試車調(diào)試結(jié)果可得到這個(gè)時(shí)刻機(jī)組定子繞組的直流電阻測量值，當(dāng)所測溫度與冷卻介質(zhì)的溫差小于2 K 時(shí)，則該直流電阻測量值即為冷態(tài)直流電阻。

3 大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例

3.1 發(fā)電機(jī)機(jī)組

圖1 動(dòng)態(tài)直流電阻采集流程

該監(jiān)測對(duì)象的發(fā)電設(shè)備是2 臺(tái)型號(hào)為東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的三相兩極同步發(fā)電機(jī)（編號(hào)為QFSN-300-2-20B），該設(shè)備采用水-氫-氫的冷卻系統(tǒng)，即定子引線、定子過渡引線以及出線采用水內(nèi)冷卻，轉(zhuǎn)子線圈采用氫內(nèi)冷卻，定子內(nèi)芯與端部結(jié)構(gòu)采用氫表冷卻，集電環(huán)采用氣冷卻。其中，機(jī)組內(nèi)部的氫氣由安置在轉(zhuǎn)子兩側(cè)的軸流式風(fēng)扇輔助流動(dòng)并進(jìn)行密閉循環(huán)。機(jī)組內(nèi)部的勵(lì)磁機(jī)采用機(jī)端變壓器式靜止整流的自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，其主要參數(shù)見表1。

表1 大型汽輪發(fā)電機(jī)主要性能參數(shù)

此外，通過查閱上述2 臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的出廠說明書可知，1號(hào)發(fā)電機(jī)的環(huán)境溫度為19 ℃，對(duì)應(yīng)實(shí)測直流電阻為0.161 5 Ω；2號(hào)發(fā)電機(jī)的環(huán)境溫度為15 ℃，對(duì)應(yīng)實(shí)測直流電阻為0.155 1 Ω。

3.2 轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測方案

參考相關(guān)操作規(guī)范可知，汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)為非安全級(jí)DCS 系統(tǒng)信號(hào)，因此整個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測過程的數(shù)據(jù)流均應(yīng)在TXP 自動(dòng)化系統(tǒng)中完成，即輸入信號(hào)的采集由操作與監(jiān)視系統(tǒng)（OM650）來完成，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)計(jì)算由工程系統(tǒng)（ES680）來完成，結(jié)果的終端顯示由自動(dòng)化系統(tǒng)（AS620）來完成，數(shù)據(jù)在整個(gè)過程中的流向則由通信系統(tǒng)（SINET H1）來完成。具體的監(jiān)測方案如圖2 所示。

由圖2 的監(jiān)測方案可以得出：1） 由TXP 系統(tǒng)中熱電阻采集模塊FUM232 獲取汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣的4 處溫度信號(hào)（GRH411MT、GRH412MT、GRH413MT 及GRH414MT），以得到機(jī)組內(nèi)氫氣的平均溫度；由AI 采集模塊FUM230 分別獲取機(jī)組內(nèi)勵(lì)磁電流信號(hào)（GEX413MI）、機(jī)組內(nèi)氫氣相對(duì)壓強(qiáng)信號(hào)（GRV001MP）。2） 借助通信系統(tǒng)將得到的6 組信號(hào)傳送至自動(dòng)化AP 系統(tǒng)進(jìn)行處理。3） AP 系統(tǒng)通過系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)總線Plant bus 與PU 系統(tǒng)進(jìn)行通信并在PU 系統(tǒng)的工程系統(tǒng)（ES680）中完成組態(tài)計(jì)算。4） 在2 層PU 系統(tǒng)中引入用來實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算的第三方程序。5） 將轉(zhuǎn)子溫度的結(jié)果信號(hào)GRH101MY 傳送到2 層畫面系統(tǒng)中并以顯示信號(hào)GRH001YCD 的格式呈現(xiàn)出來。

圖2 轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測方案

在上述過程中，雖然SIEMENS 公司DCS 系統(tǒng)中的屬于1 層離線組件的工程系統(tǒng)（ES680）以及TEC4 系統(tǒng)已經(jīng)為用戶提供了許多熱力學(xué)函數(shù)與效能函數(shù)，但無法實(shí)現(xiàn)該文所采用的用于計(jì)算汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的迭代擬合算法。因此，就需要借助PU 系統(tǒng)中的K_R 功能模塊解決該問題。K_R 功能模塊本質(zhì)上是通信接口模塊，主要用來負(fù)責(zé)連接第三方應(yīng)用程序計(jì)算所得到的結(jié)果并將其傳輸至PU 系統(tǒng)。

4 結(jié)語

理論上，可采用直接測量法或間接測量法獲取大型汽輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的工作溫度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測其服役水平的目標(biāo)。但轉(zhuǎn)子工作時(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，既增加了將傳感器直接置于轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)的難度，也為汽輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行留下了隱患。因此，該文結(jié)合汽輪發(fā)電機(jī)中勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)子直流電阻的關(guān)系以及轉(zhuǎn)子直流電阻與轉(zhuǎn)子實(shí)際工作溫度的關(guān)系，利用DCS 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測機(jī)組內(nèi)勵(lì)磁電流水平、氫氣平均溫度及氫氣壓強(qiáng)值，采用K_R 功能模塊連接根據(jù)循環(huán)迭代公式（公式（1）～公式（4））編寫的二次開發(fā)程序計(jì)算得到的結(jié)果，達(dá)到間接測得汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子工作溫度的目的。

與以往間接測量法（例如磁傳感器與工作電壓測量法、典型工況推算法等）相比，該方法主要具有以下4 個(gè)優(yōu)勢(shì)：1） 無須對(duì)機(jī)組進(jìn)行額外改裝。2） 統(tǒng)一了轉(zhuǎn)子溫度測量界面與發(fā)電機(jī)DCS 系統(tǒng)界面。3） 能夠?qū)崟r(shí)并連續(xù)地對(duì)轉(zhuǎn)子工作溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。4） 間接降低了機(jī)組維護(hù)檢修的頻率?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)并結(jié)合該文所提供的動(dòng)態(tài)監(jiān)測實(shí)例可以證明，該方法對(duì)目前大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有一定的借鑒意義與推廣價(jià)值。

此外，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)需要解決問題的具體模型進(jìn)行二次程序開發(fā)，采取與該文對(duì)轉(zhuǎn)子工作溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測相似的步驟并依托功能強(qiáng)大的DCS 系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警及連續(xù)巡檢機(jī)組各構(gòu)件工作溫度的功能。