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(jī)廠， 上海 200240)

葉片作為汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件，其運(yùn)行時(shí)的健康狀況至關(guān)重要。對(duì)大功率汽輪機(jī)機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)行時(shí)的健康狀況進(jìn)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(jī)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(jī)單機(jī)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(shí)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(dòng)力過大，汽輪機(jī)葉片很有可能在運(yùn)行的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就發(fā)生損壞事故[1]。隨著國家對(duì)汽輪機(jī)靈活性運(yùn)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(jì)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(yùn)行中葉片事故約占汽輪機(jī)事故的40%[2]。葉片故障不僅影響汽輪機(jī)動(dòng)力輸出，而且會(huì)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(jī)械的動(dòng)態(tài)測量方面做了很多研究。美國WESTHOUSE公司很早就對(duì)渦輪機(jī)械旋轉(zhuǎn)葉片的實(shí)時(shí)監(jiān)測開展了研究，1934年該公司利用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了葉片的動(dòng)態(tài)測量。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)學(xué)者Zablotskiy對(duì)渦輪葉片健康監(jiān)測問題進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)測量。重慶大學(xué)的研究學(xué)者謝志江也在葉片的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。北京化工大學(xué)王維民利用實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算相互對(duì)比的方法研究了葉片的動(dòng)態(tài)測量[4]。以上學(xué)者的研究大多是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，未能在實(shí)際汽輪機(jī)上對(duì)低壓長葉片進(jìn)行長期有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

上海汽輪機(jī)廠針對(duì)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(jī)為研究對(duì)象，介紹在該機(jī)組上應(yīng)用該系統(tǒng)的情況。該系統(tǒng)在機(jī)組啟停機(jī)、低壓端零出力改造試驗(yàn)以及冬季供暖運(yùn)行期間能夠?qū)Φ蛪洪L葉片的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保障葉片安全運(yùn)行。

1 汽輪機(jī)葉片振動(dòng)類型

汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，葉片因受到蒸汽激振力的作用產(chǎn)生振動(dòng)，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(dòng)。這種在外界周期性交變載荷作用下產(chǎn)生的振動(dòng)稱為異步振動(dòng)。異步振動(dòng)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(shí)，就會(huì)出現(xiàn)振幅突然增大的、危險(xiǎn)的共振。

當(dāng)汽輪機(jī)機(jī)組在流量較小的工況下運(yùn)行，如調(diào)峰工況和低負(fù)荷供暖運(yùn)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(jí)長葉片就會(huì)受到較大的蒸汽激勵(lì)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(dòng)的問題。

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，葉片的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，此時(shí)的振動(dòng)稱為同步振動(dòng)。對(duì)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(shí)，能量才會(huì)輸入系統(tǒng)，引起較大的振動(dòng)幅值，這種共振稱為“三重點(diǎn)”共振。“三重點(diǎn)”共振對(duì)于ILB來說是極其危險(xiǎn)的。“三重點(diǎn)”共振的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(1)

式中：fs為葉片-葉輪系統(tǒng)節(jié)徑數(shù)為m時(shí)的動(dòng)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(dòng)形式還有自由振動(dòng)和自激振動(dòng)。自由振動(dòng)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(dòng)，自激振動(dòng)是指葉片受到自激力作用而發(fā)生的振動(dòng)[5]。

2 葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)

汽輪機(jī)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(jī)葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)葉片振動(dòng)、葉頂間隙和葉片金屬溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)結(jié)合高度集成的信號(hào)采集、調(diào)理和分析模塊，能對(duì)可能出現(xiàn)的事故進(jìn)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(chǔ)模塊，能對(duì)葉片運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)，并對(duì)葉片做水蝕評(píng)估和壽命損耗分析。下面對(duì)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(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控端構(gòu)成。傳感器將接收到的葉片信號(hào)傳輸至前置模塊。前置模塊將連續(xù)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再進(jìn)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(yùn)行參數(shù)。為了遠(yuǎn)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(dá)遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

2.1 電渦流傳感器

為滿足汽輪機(jī)葉片的動(dòng)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(shí)技術(shù)[6-7]制作的電渦流傳感器。當(dāng)汽輪機(jī)葉片通過電渦流傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，傳感器便可記錄葉片的到達(dá)時(shí)刻。葉片振動(dòng)會(huì)使到達(dá)時(shí)刻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生葉片振動(dòng)與未振動(dòng)時(shí)的到達(dá)時(shí)間差。采用多傳感器數(shù)據(jù)處理算法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)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(qiáng)。電渦流傳感器如圖2所示。

圖2 電渦流傳感器

對(duì)傳感器的直流電壓信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)合靜態(tài)標(biāo)定時(shí)制成間隙-電壓幅值表，可將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為間隙值，在終端實(shí)時(shí)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(jìn)行了振幅、間隙的標(biāo)定試驗(yàn)。標(biāo)定時(shí)還考慮了汽輪機(jī)葉片在運(yùn)行時(shí)的差脹對(duì)傳感器測量精度的影響，這使得傳感器能在汽輪機(jī)啟停機(jī)、變工況運(yùn)行時(shí)對(duì)低壓端長葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保障葉片安全運(yùn)行。

2.2 紅外測溫傳感器

為滿足汽輪機(jī)各個(gè)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(hù)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(jì)，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(diǎn)發(fā)射的紅外輻射，根據(jù)相關(guān)參數(shù)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(hù)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?yàn)榧す鉁y距模塊和紅外測溫模塊提供結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)可以保持密封保護(hù)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(shí)時(shí)分析模塊和后處理模塊。前者對(duì)葉片振動(dòng)、葉頂間隙和葉片溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，具備葉片健康狀態(tài)顯示功能。當(dāng)信號(hào)超過設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示和報(bào)警。后者利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)葉片進(jìn)行水蝕分析，可預(yù)估水蝕后的葉片固有頻率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)葉片的壽命損耗分析。

為實(shí)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(hào)，提交給電廠的DEH系統(tǒng)，用于界面顯示。運(yùn)行人員可以實(shí)時(shí)掌握葉片振動(dòng)幅度、頻率、葉頂間隙、葉片溫度等動(dòng)態(tài)參數(shù)，以及葉片的健康狀況。

2.4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心

為了實(shí)現(xiàn)葉片運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，搭建了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。由就地端的接口機(jī)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(hù)，不會(huì)干涉電廠機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的安全性。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心能夠支持海量時(shí)序數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)，并建立了葉片健康模型，實(shí)時(shí)查看傳感器狀態(tài)，按季度評(píng)估葉片健康狀況。該數(shù)據(jù)中心還能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端實(shí)時(shí)掌握葉片健康狀況的功能，數(shù)據(jù)安全性好，實(shí)時(shí)性高。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控端每隔一定的時(shí)間會(huì)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并分析葉片健康狀況的變化趨勢。當(dāng)汽輪機(jī)葉片出現(xiàn)異常，如設(shè)備故障、系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端會(huì)自動(dòng)記錄葉片異常時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)特點(diǎn)

汽輪機(jī)葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)設(shè)置、傳感器管理、數(shù)據(jù)采集、計(jì)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(duì)葉片運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和分析快速、及時(shí)。BHMS有如下特點(diǎn)：

1)對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行全面監(jiān)測，包括小流量工況下的異步振動(dòng)分析、轉(zhuǎn)速變化時(shí)的同步振動(dòng)分析、葉片水蝕分析和壽命評(píng)估分析；

2)特制的傳感器能在濕蒸汽環(huán)境下對(duì)葉片振動(dòng)、葉頂間隙和葉片溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)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(xiǎn)；

4)系統(tǒng)軟件采用全漢化界面，支持實(shí)時(shí)曲線的繪制、多參數(shù)曲線的切換，對(duì)多種測量參數(shù)采用圖形和數(shù)據(jù)結(jié)合的方式，達(dá)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(jī)組信息、調(diào)峰記錄等；

5)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)滿足了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握汽輪機(jī)低壓長葉片的健康狀況的需要，該平臺(tái)還能結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)葉片進(jìn)行水蝕評(píng)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(jī)機(jī)組在啟停機(jī)、切缸試驗(yàn)、變工況運(yùn)行期間長葉片的安全運(yùn)行。現(xiàn)以某電廠350 MW汽輪機(jī)機(jī)組為例，介紹其應(yīng)用葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓端長葉片的實(shí)時(shí)監(jiān)測的情況。

3.1 方案制定

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

圖5 350 MW機(jī)組低壓內(nèi)缸

3.2 系統(tǒng)實(shí)施

根據(jù)測點(diǎn)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(hào)線、缸壁密封以及其他硬件設(shè)備。一切就緒后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信測試，待機(jī)組啟機(jī)時(shí)開始對(duì)葉片進(jìn)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(jī)機(jī)組啟停機(jī)和切缸試驗(yàn)時(shí)，對(duì)低壓端長葉片的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)傳感器進(jìn)行二次復(fù)核，對(duì)間隙信號(hào)進(jìn)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(yùn)行人員實(shí)時(shí)查看和記錄。數(shù)字信號(hào)由集能源驅(qū)動(dòng)、采集信號(hào)、去噪濾波等多種功能于一體的多功能機(jī)箱輸出。多功能機(jī)箱如圖7所示。

圖7 多功能機(jī)箱

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

2018年11月13日至14日，上海汽輪機(jī)廠完成了350 MW機(jī)組的切缸改造試驗(yàn)，在確保機(jī)組800 GJ瞬時(shí)供熱量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了30%深度調(diào)峰。切缸過程中實(shí)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(duì)低壓末級(jí)葉片帶來的各種影響。根據(jù)切缸試驗(yàn)時(shí)低壓端長葉片的運(yùn)行情況，給出了運(yùn)行指導(dǎo)曲線，如圖8所示，該曲線用于指導(dǎo)汽輪機(jī)機(jī)組在切缸工況下的運(yùn)行。因不同類型的汽輪發(fā)電機(jī)組會(huì)有不同的運(yùn)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(yùn)行區(qū)域，區(qū)域D為切缸過渡區(qū)。為避免汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生安全隱患，機(jī)組應(yīng)避免在區(qū)域D長期運(yùn)行。

圖8 運(yùn)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(jī)組為例，介紹了該監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際使用情況。葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測汽輪機(jī)低壓端長葉片的振動(dòng)、間隙和溫度等動(dòng)態(tài)參數(shù)，為優(yōu)化機(jī)組啟停機(jī)、切缸改造試驗(yàn)、變工況運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。特別地，針對(duì)汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(jī)組運(yùn)行，保障葉片安全。