汽輪機葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)的介紹與應(yīng)用

張 亞，單 鵬，張佳敏，程 凱(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機廠， 上海 200240)

葉片作為汽輪機的關(guān)鍵部件，其運行時的健康狀況至關(guān)重要。對大功率汽輪機機組旋轉(zhuǎn)部件運行時的健康狀況進行監(jiān)測一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題。隨著汽輪機不斷向高參數(shù)、大容量發(fā)展，低壓長葉片的開發(fā)已經(jīng)成為了提高汽輪機單機容量的關(guān)鍵。低壓端長葉片轉(zhuǎn)速很高，承受著自身離心力的作用，此外還承受著隨時間呈周期性變化的汽流激振力以及蒸汽凝結(jié)產(chǎn)生的水滴的沖擊力。如果擾動力過大，汽輪機葉片很有可能在運行的幾個小時內(nèi)就發(fā)生損壞事故[1]。隨著國家對汽輪機靈活性運行提出要求，低壓端零出力改造需求增多，這使得低壓端長葉片常工作在非設(shè)計工況，由此帶來的葉片安全問題更是不容忽視。調(diào)查表明，運行中葉片事故約占汽輪機事故的40%[2]。葉片故障不僅影響汽輪機動力輸出，而且會造成軸系磨損加劇，使設(shè)備使用壽命受到影響[3]。

國內(nèi)外學(xué)者在旋轉(zhuǎn)機械的動態(tài)測量方面做了很多研究。美國WESTHOUSE公司很早就對渦輪機械旋轉(zhuǎn)葉片的實時監(jiān)測開展了研究，1934年該公司利用光學(xué)原理實現(xiàn)了葉片的動態(tài)測量。20世紀70年代，蘇聯(lián)學(xué)者Zablotskiy對渦輪葉片健康監(jiān)測問題進行了研究，率先提出了用于測量葉片狀態(tài)參數(shù)的間斷相位法，并發(fā)展了激光多普勒方法。隨后，英國帝國理工學(xué)院的Ibrahim A. S.博士研發(fā)了一套用于實驗研究的葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)學(xué)者何正嘉投入了很多精力研究葉片的動態(tài)測量。重慶大學(xué)的研究學(xué)者謝志江也在葉片的動態(tài)監(jiān)測研究方面做了很多研究，但其研究成果并未在實際應(yīng)用中得到驗證。北京化工大學(xué)王維民利用實驗與有限元計算相互對比的方法研究了葉片的動態(tài)測量[4]。以上學(xué)者的研究大多是在實驗室進行，未能在實際汽輪機上對低壓長葉片進行長期有效的動態(tài)監(jiān)測。

上海汽輪機廠針對上述問題，研發(fā)了一種全新的葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)(Blade Health Monitoring System，BHMS)。本研究介紹了該葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并以某電廠350 MW中間再熱間接空冷抽汽凝汽式汽輪機為研究對象，介紹在該機組上應(yīng)用該系統(tǒng)的情況。該系統(tǒng)在機組啟停機、低壓端零出力改造試驗以及冬季供暖運行期間能夠?qū)Φ蛪洪L葉片的健康狀況進行實時監(jiān)測，保障葉片安全運行。

1 汽輪機葉片振動類型

汽輪機運行過程中，葉片因受到蒸汽激振力的作用產(chǎn)生振動，葉片由葉輪支撐固定，表現(xiàn)為葉片-葉輪系統(tǒng)的耦合振動。這種在外界周期性交變載荷作用下產(chǎn)生的振動稱為異步振動。異步振動的頻率取決于激振力頻率，當(dāng)激振力頻率和葉片-葉輪系統(tǒng)的固有頻率相等時，就會出現(xiàn)振幅突然增大的、危險的共振。

當(dāng)汽輪機機組在流量較小的工況下運行，如調(diào)峰工況和低負荷供暖運行工況，低壓端的蒸汽流量較小，導(dǎo)致低壓端的蒸汽紊亂度升高，末級長葉片就會受到較大的蒸汽激勵力的作用，并產(chǎn)生鼓風(fēng)現(xiàn)象，這使得葉片更容易出現(xiàn)異步振動的問題。

當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速變化時，葉片的振動頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，此時的振動稱為同步振動。對于整圈自鎖阻尼葉片(Interlocked Blade，ILB)，由于其結(jié)構(gòu)特殊，只有當(dāng)諧波數(shù)和葉片-葉輪系統(tǒng)的節(jié)徑數(shù)一致時，能量才會輸入系統(tǒng)，引起較大的振動幅值，這種共振稱為“三重點”共振?！叭攸c”共振對于ILB來說是極其危險的?！叭攸c”共振的數(shù)學(xué)表達式如下：

(1)

式中：fs為葉片-葉輪系統(tǒng)節(jié)徑數(shù)為m時的動頻率，Hz；m為節(jié)徑數(shù)；K為諧波數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/s。

葉片的振動形式還有自由振動和自激振動。自由振動是指葉片在沒有受到外界作用力的情況下所發(fā)生的簡諧振動，自激振動是指葉片受到自激力作用而發(fā)生的振動[5]。

2 葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)

汽輪機低壓端長葉片多工作在濕蒸汽區(qū)。利用自主研制的電渦流傳感器和紅外測溫傳感器，汽輪機葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)能同時對葉片振動、葉頂間隙和葉片金屬溫度進行實時監(jiān)測。該系統(tǒng)結(jié)合高度集成的信號采集、調(diào)理和分析模塊，能對可能出現(xiàn)的事故進行預(yù)警提示。系統(tǒng)配備穩(wěn)定高效的海量數(shù)據(jù)存儲模塊，能對葉片運行數(shù)據(jù)進行深度挖掘和機器學(xué)習(xí)，并對葉片做水蝕評估和壽命損耗分析。下面對系統(tǒng)各部分做簡要介紹。圖1為BHMS結(jié)構(gòu)圖。

圖1 汽輪機葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)

BHMS主要由待測旋轉(zhuǎn)部件、傳感器、前置模塊、采集卡、就地顯示器、防火墻、單向隔離網(wǎng)閘和遠程監(jiān)控端構(gòu)成。傳感器將接收到的葉片信號傳輸至前置模塊。前置模塊將連續(xù)的電信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再進行數(shù)字化、濾波、軟件分析等處理，在顯示界面展示葉片的運行參數(shù)。為了遠程監(jiān)控葉片健康狀況，將數(shù)據(jù)通過防火墻、網(wǎng)閘，經(jīng)由internet到達遠程監(jiān)控端。

2.1 電渦流傳感器

為滿足汽輪機葉片的動態(tài)非接觸監(jiān)測，開發(fā)了高頻響(250 kHz)、位移測量精度高、耐高溫(200 ℃)、基于葉尖定時技術(shù)[6-7]制作的電渦流傳感器。當(dāng)汽輪機葉片通過電渦流傳感器時，會產(chǎn)生脈沖信號，傳感器便可記錄葉片的到達時刻。葉片振動會使到達時刻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生葉片振動與未振動時的到達時間差。采用多傳感器數(shù)據(jù)處理算法對時間序列進行分析，即可獲取整圈自鎖葉片或自由葉片的振幅、頻率、相位等信息[8]。傳感器的特殊封裝處理使其環(huán)境適應(yīng)性好，抗干擾能力強。電渦流傳感器如圖2所示。

圖2 電渦流傳感器

對傳感器的直流電壓信號進行處理，結(jié)合靜態(tài)標(biāo)定時制成間隙-電壓幅值表，可將電信號轉(zhuǎn)換為間隙值，在終端實時顯示。

特別地，本研究考慮到不同的葉頂圍帶形式，加工了多種圍帶模型進行了振幅、間隙的標(biāo)定試驗。標(biāo)定時還考慮了汽輪機葉片在運行時的差脹對傳感器測量精度的影響，這使得傳感器能在汽輪機啟停機、變工況運行時對低壓端長葉片進行實時監(jiān)測，保障葉片安全運行。

2.2 紅外測溫傳感器

為滿足汽輪機各個工況監(jiān)測的需要，研究人員在BHMS中應(yīng)用了測溫范圍寬(50～800 ℃)、響應(yīng)快(20 ms)的紅外測溫傳感器。傳感器主要由密封保護外殼、恒溫紅外視窗模塊、紅外測溫模塊、激光測距模塊和溫度模塊構(gòu)成。隔熱層采用聚四氟乙烯或其他隔熱材料，并采用多層鏤空設(shè)計，在保證結(jié)構(gòu)需要的基礎(chǔ)上極大地降低了隔熱層的傳熱系數(shù)。恒溫紅外透過視窗模塊可使視窗溫度與外界氣體溫度保持一致，或略高于外界氣體溫度，避免由于視窗溫度過低而導(dǎo)致凝露現(xiàn)象。紅外測溫模塊可以接收測溫點發(fā)射的紅外輻射，根據(jù)相關(guān)參數(shù)對溫度數(shù)據(jù)進行修正，并將修訂后的數(shù)據(jù)通過模擬量或其他通訊方式進行傳輸。溫控模塊可以根據(jù)設(shè)定值保持溫控系統(tǒng)密封保護殼內(nèi)溫度恒定(主要是制冷)。結(jié)構(gòu)支架由具有高導(dǎo)熱系數(shù)的銅或鋁加工而成，能夠為激光測距模塊和紅外測溫模塊提供結(jié)構(gòu)支撐，同時可以保持密封保護殼內(nèi)的溫度分布均勻。紅外測溫傳感器如圖3所示。

圖3 紅外側(cè)溫傳感器

2.3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的存在使得BHMS具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。根據(jù)不同的算法要求，本系統(tǒng)主要分為實時分析模塊和后處理模塊。前者對葉片振動、葉頂間隙和葉片溫度進行實時監(jiān)測，具備葉片健康狀態(tài)顯示功能。當(dāng)信號超過設(shè)定的報警閾值時，系統(tǒng)會提示和報警。后者利用歷史數(shù)據(jù)對葉片進行水蝕分析，可預(yù)估水蝕后的葉片固有頻率，進一步實現(xiàn)葉片的壽命損耗分析。

為實現(xiàn)與電廠數(shù)字電液(Digital Electric Hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)的通信，葉片監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過狀態(tài)診斷和算法處理后，由數(shù)-模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電流信號，提交給電廠的DEH系統(tǒng)，用于界面顯示。運行人員可以實時掌握葉片振動幅度、頻率、葉頂間隙、葉片溫度等動態(tài)參數(shù)，以及葉片的健康狀況。

2.4 遠程數(shù)據(jù)中心

為了實現(xiàn)葉片運行數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控與管理，搭建了遠程數(shù)據(jù)中心。由就地端的接口機讀取來自BHMS的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置單向隔離網(wǎng)閘，控制數(shù)據(jù)流向。防火墻用于網(wǎng)絡(luò)保護，不會干涉電廠機組運行，同時保證了數(shù)據(jù)的安全性。遠程數(shù)據(jù)中心能夠支持海量時序數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)，并建立了葉片健康模型，實時查看傳感器狀態(tài)，按季度評估葉片健康狀況。該數(shù)據(jù)中心還能實現(xiàn)移動端實時掌握葉片健康狀況的功能，數(shù)據(jù)安全性好，實時性高。遠程數(shù)據(jù)中心如圖4所示。

圖4 遠程數(shù)據(jù)中心

遠程監(jiān)控端每隔一定的時間會對獲取的數(shù)據(jù)進行存儲，并分析葉片健康狀況的變化趨勢。當(dāng)汽輪機葉片出現(xiàn)異常，如設(shè)備故障、系統(tǒng)報警時，遠程監(jiān)控端會自動記錄葉片異常時的運行數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)特點

汽輪機葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，滿足系統(tǒng)設(shè)置、傳感器管理、數(shù)據(jù)采集、計算分析、健康管理的在線顯示。整套系統(tǒng)功能齊全，性能穩(wěn)定，對葉片運行數(shù)據(jù)的采集和分析快速、及時。BHMS有如下特點：

1)對汽輪機葉片進行全面監(jiān)測，包括小流量工況下的異步振動分析、轉(zhuǎn)速變化時的同步振動分析、葉片水蝕分析和壽命評估分析；

2)特制的傳感器能在濕蒸汽環(huán)境下對葉片振動、葉頂間隙和葉片溫度進行實時監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的事故作出預(yù)警提示；

3)采用非接觸式監(jiān)測，只需在低壓端打孔，即可安裝傳感器，簡單便捷，不存在低壓端安全性風(fēng)險；

4)系統(tǒng)軟件采用全漢化界面，支持實時曲線的繪制、多參數(shù)曲線的切換，對多種測量參數(shù)采用圖形和數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，達到顯示直觀、形象的目的，軟件界面提供彈出式窗口，可查看和輸入機組信息、調(diào)峰記錄等；

5)遠程監(jiān)控平臺滿足了遠程實時掌握汽輪機低壓長葉片的健康狀況的需要，該平臺還能結(jié)合歷史運行數(shù)據(jù)對葉片進行水蝕評估和壽命預(yù)測分析。

3 BHMS工程應(yīng)用

BHMS已在廣東、山西、江蘇各省的多家電廠成功應(yīng)用，保障了汽輪機機組在啟停機、切缸試驗、變工況運行期間長葉片的安全運行?，F(xiàn)以某電廠350 MW汽輪機機組為例，介紹其應(yīng)用葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對低壓端長葉片的實時監(jiān)測的情況。

3.1 方案制定

對350 MW汽輪機機組低壓段進行建模，用于測點布局和差脹計算。測點軸向位置的確定需要與電廠相關(guān)運行數(shù)據(jù)進行對比，以保障葉片監(jiān)測的準(zhǔn)確性。根據(jù)機組特點設(shè)計線纜布置方式和路徑，并繪制測點布置圖。結(jié)合汽輪機機組罩殼的結(jié)構(gòu)，最終確定系統(tǒng)安裝方案。機組低壓內(nèi)缸情況如圖5所示。

圖5 350 MW機組低壓內(nèi)缸

3.2 系統(tǒng)實施

根據(jù)測點布置方案，在低壓端相應(yīng)位置完成打孔，然后安裝傳感器，布置信號線、缸壁密封以及其他硬件設(shè)備。一切就緒后即可進行數(shù)據(jù)采集、通信測試，待機組啟機時開始對葉片進行監(jiān)測。傳感器布置方案如圖6所示。

圖6 傳感器布置方案

3.3 葉片監(jiān)測

在汽輪機機組啟停機和切缸試驗時，對低壓端長葉片的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。根據(jù)運行數(shù)據(jù)對傳感器進行二次復(fù)核，對間隙信號進行就地校準(zhǔn)。將結(jié)果數(shù)據(jù)提交給電廠的DEH系統(tǒng)，便于運行人員實時查看和記錄。數(shù)字信號由集能源驅(qū)動、采集信號、去噪濾波等多種功能于一體的多功能機箱輸出。多功能機箱如圖7所示。

圖7 多功能機箱

3.4 試驗結(jié)果

2018年11月13日至14日，上海汽輪機廠完成了350 MW機組的切缸改造試驗，在確保機組800 GJ瞬時供熱量的同時，實現(xiàn)了30%深度調(diào)峰。切缸過程中實現(xiàn)了葉片顫振在線顯示，徹底消除了水蝕隱患，避免了切缸對低壓末級葉片帶來的各種影響。根據(jù)切缸試驗時低壓端長葉片的運行情況，給出了運行指導(dǎo)曲線，如圖8所示，該曲線用于指導(dǎo)汽輪機機組在切缸工況下的運行。因不同類型的汽輪發(fā)電機組會有不同的運行指導(dǎo)曲線，所以圖中橫、縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。圖中區(qū)域S為理想運行區(qū)域，區(qū)域D為切缸過渡區(qū)。為避免汽輪機葉片產(chǎn)生安全隱患，機組應(yīng)避免在區(qū)域D長期運行。

圖8 運行指導(dǎo)曲線(無量綱數(shù)值)

4 結(jié) 論

本文介紹了葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并以某電廠350 MW機組為例，介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)的實際使用情況。葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)能實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測汽輪機低壓端長葉片的振動、間隙和溫度等動態(tài)參數(shù)，為優(yōu)化機組啟停機、切缸改造試驗、變工況運行提供技術(shù)指導(dǎo)。特別地，針對汽輪機低負荷運行時長葉片受到較大交變激振力的情況，葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)可以指導(dǎo)機組運行，保障葉片安全。