發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)算法的研究與實(shí)現(xiàn)

張 霞

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度是發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行的重要監(jiān)視參數(shù)。其測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。由于發(fā)電機(jī)為高速旋轉(zhuǎn)部件，采用轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)埋入電阻的直接測(cè)溫法在工藝實(shí)現(xiàn)上很困難，且給發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患［1］。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出基于紅外熱敏器件的非接觸式測(cè)溫和基于GaAs晶體溫敏元件的光測(cè)量技術(shù)等方法［2－3］，但此類(lèi)技術(shù)受限于傳感器自身特性以及工作環(huán)境的電磁干擾等因素，因此，大多還處在試驗(yàn)研究階段，并未在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)溫領(lǐng)域成熟應(yīng)用。

大多大型發(fā)電機(jī)組采用通過(guò)獲取轉(zhuǎn)子阻值進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子溫度的間接監(jiān)測(cè)方法。按監(jiān)測(cè)原理，間接測(cè)溫法包括三種典型間接測(cè)量技術(shù):測(cè)磁傳感器－電壓測(cè)量法，工況分析推算法以及轉(zhuǎn)子溫度/勵(lì)磁電流間接計(jì)算法［4］。方法一須安裝測(cè)磁傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流;方法二一般利用勵(lì)磁系統(tǒng)的精確計(jì)算軟件進(jìn)行推算［5］;方法三以工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得轉(zhuǎn)子溫度。本文將介紹方法三在某核電新建工程上基于全廠DCS的實(shí)現(xiàn)方案。

1 轉(zhuǎn)子溫度算法模型

1.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)組簡(jiǎn)介

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓和負(fù)荷，按給定規(guī)律調(diào)整勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)端電壓為給定水平，合理分配并列運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功;在發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)強(qiáng)行增磁減磁防止事態(tài)擴(kuò)大，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。隨著發(fā)電裝機(jī)容量不斷增大，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁越來(lái)越重要。600 MW及以上大型發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式主要分有刷勵(lì)磁和無(wú)刷勵(lì)磁兩種。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)還火問(wèn)題制約了有刷勵(lì)磁在大型發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用，百萬(wàn)千瓦以上的大機(jī)組一般采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。某核電新建工程采用了東方電氣＆阿爾斯通TA1100-78型的發(fā)電機(jī)組，其額定功率為1300 MW，額定電壓為24 kV，配以TKJ167-45的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。

1.2 轉(zhuǎn)子溫度的計(jì)算

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)氫氣溫度和氫氣壓力有關(guān)。勵(lì)磁電流越大，轉(zhuǎn)子線圈的電壓越高，進(jìn)而產(chǎn)生的熱量越多，轉(zhuǎn)子溫升越高;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用氫氣冷卻方式，轉(zhuǎn)子溫度會(huì)隨著氫氣溫度升高而升高;氫壓越高，氫循環(huán)冷卻效果越好，轉(zhuǎn)子發(fā)熱產(chǎn)生的熱量被及時(shí)帶走，故氫壓越高，轉(zhuǎn)子溫升越小。

轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算需引入的三個(gè)輸入數(shù)據(jù)，分別為勵(lì)磁電流iex、發(fā)電機(jī)氫氣平均溫度T0和發(fā)電機(jī)氫氣相對(duì)壓力p。根據(jù)上述相關(guān)影響因素分析及發(fā)電機(jī)廠家工廠試驗(yàn)，得出如下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的相關(guān)計(jì)算公式:

式中:T為轉(zhuǎn)子線圈溫度，℃;ΔT為轉(zhuǎn)子線圈溫升，℃。

式中:Pex為為勵(lì)磁功率，VA;ΔT0與α是為常數(shù)，由制造廠給出，分別為1和0.06504。

式中:Ured為轉(zhuǎn)子線圈電壓，V;R為轉(zhuǎn)子線圈電阻，Ω。

式中:R95為95℃時(shí)的轉(zhuǎn)子線圈電阻值(0.0806 Ω)。

根據(jù)以上這些公式，即可通過(guò)循環(huán)迭代計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度。

在勵(lì)磁電流不變時(shí)，轉(zhuǎn)子線圈電壓與轉(zhuǎn)子電阻有同向變化趨勢(shì)，但在不同的勵(lì)磁電流下，對(duì)應(yīng)曲線是不同的。廠家經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出在勵(lì)磁電流分別為50 A、100 A、140 A、170 A、230A等五組典型值時(shí)轉(zhuǎn)子電壓與電阻的數(shù)據(jù)擬合方程為:

在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度不變，即轉(zhuǎn)子阻值固定的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈電壓與勵(lì)磁電流也有著同向變化的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)子在不同溫度下即對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)子線圈電阻，其對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)子線圈電壓關(guān)系曲線 Ured=f(iex)如圖1所示。

圖1 線圈電壓－勵(lì)磁電流曲線Fig.1 Curve of Winding voltage vs.exciting current

1.3 計(jì)算算法流程

計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度首先假定轉(zhuǎn)子溫度與氫氣溫度相同，并輸入發(fā)電機(jī)氫氣平均溫度T0，發(fā)電機(jī)氫壓p以及勵(lì)磁電流iex。根據(jù)式(4)算出此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子線圈電阻，根據(jù)已知的典型擬合曲線計(jì)算出不同勵(lì)磁電流下的轉(zhuǎn)子線圈電壓值，進(jìn)而導(dǎo)出Ured=f(iex)的對(duì)應(yīng)擬合曲線。由已知輸入數(shù)據(jù)勵(lì)磁電流得出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子線圈電壓Ured，根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算出轉(zhuǎn)子溫升ΔT1，由式(1)得到此時(shí)的轉(zhuǎn)子溫度;再根據(jù)得出的轉(zhuǎn)子溫度T2，如上循環(huán)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子溫升ΔT2，直至兩次計(jì)算的溫升ΔT的差值小于允許的迭代誤差0.01。此時(shí)計(jì)算結(jié)果滿足誤差要求，轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算值被作為最終結(jié)果輸出。因發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)隨著電網(wǎng)波動(dòng)進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)，勵(lì)磁電流是一個(gè)變化值，故要實(shí)時(shí)采集，進(jìn)行下一輪的循環(huán)計(jì)算，將滿足誤差要求的結(jié)果作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度實(shí)時(shí)的輸出。轉(zhuǎn)子溫度算法流程圖如圖2所示，子程序1與子程序2分別實(shí)現(xiàn)上述ΔT1與ΔT2的計(jì)算。

圖2 轉(zhuǎn)子溫度算法流程圖Fig.2 Flowchart of rotor temperature algorithm

2 轉(zhuǎn)子溫度算法的實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)組DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某核電站新建工程DCS系統(tǒng)采用的是西門(mén)子TXP/TXS系統(tǒng)。TXP分散控制系統(tǒng)提供了處理和控制生產(chǎn)過(guò)程所必需的自動(dòng)處理、操作、監(jiān)視和記錄功能［6－7］，它主要由 AS620 過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)、ES680 工程管理系統(tǒng)和OM690操作和監(jiān)視系統(tǒng)組成。核電站DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 核電站DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Architecture of the network structure of DCS in NPP

2.2 轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)方案

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)屬于非安全級(jí)信號(hào)，故從輸入信號(hào)的采集到算法程序的實(shí)現(xiàn)，以及到最終畫(huà)面的顯示都需在TXP系統(tǒng)中完成。監(jiān)測(cè)方案如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)方案簡(jiǎn)圖Fig.4 Simplified diagram of the monitoring strategy

由TXP系統(tǒng)熱電阻采集模塊FUM232采集四路發(fā)電機(jī)氫氣溫度信號(hào) GRH411MT、GRH412MT、GRH413MT、GRH414MT，AI采集模塊FUM230分別采集勵(lì)磁電流GEX413MI和氫氣相對(duì)壓力GRV001MP這兩路信號(hào)，送到AP處理器進(jìn)行處理。AP中的數(shù)據(jù)通過(guò)Plant bus總線環(huán)網(wǎng)與PU相連，作為PU的輸入信號(hào)并在PU中完成算法程序。在二層PU中引入第三方程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算的編程，最終將轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算結(jié)果GRH101MY信號(hào)送到二層畫(huà)面GRH001YCD中顯示。

西門(mén)子一層離線組態(tài)軟件TEC4及ES680中很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的擬合迭代循環(huán)等算法，故通過(guò)PU功能塊K_R解決此難題。K_R功能塊是專門(mén)用于與來(lái)自第三方編程程序或應(yīng)用程序的模擬量過(guò)程信號(hào)的接口模塊。使用其他第三方編程語(yǔ)言，在PU中通過(guò)與K_R功能塊接口，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的運(yùn)算。該核電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的在線監(jiān)測(cè)，也就是通過(guò)此K_R功能塊在PU中實(shí)現(xiàn)算法編程。按照轉(zhuǎn)子溫度算法的流程步驟，通過(guò)中間計(jì)算轉(zhuǎn)換的間接方式獲得發(fā)電機(jī)溫度的數(shù)值。以GRH101MY作為二層OM690操作和監(jiān)視系統(tǒng)的引用信號(hào)，在K_R功能塊中設(shè)置其參數(shù)。M_ANF和M_END分別為轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)GRH101MY的量程上下限，設(shè)為0～450，參數(shù)Y.UNIT設(shè)為溫度單位℃，參數(shù)Y.DEST設(shè)為YP99，它是指在PU中形成的信號(hào)。K_R功能塊及其與OM690信號(hào)接口參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 K_R功能塊及參數(shù)設(shè)置Fig.5 K_R functional block and parameter settings

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度關(guān)系及相關(guān)工廠試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度間接測(cè)量方法簡(jiǎn)便直觀，適用于機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的一般性監(jiān)測(cè)。該方法無(wú)需額外安裝一次測(cè)量元件［8］，尤其是在該核電項(xiàng)目上，通過(guò)對(duì)DCS系統(tǒng)二層PU的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于主控室DCS操作站的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度在線連續(xù)監(jiān)測(cè)功能。

該實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)化了測(cè)量及監(jiān)控裝置，統(tǒng)一了人機(jī)監(jiān)控界面，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，減少了維護(hù)檢修工作量;對(duì)大型發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測(cè)具有示范意義和推廣價(jià)值。

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