吳 波, 王 坤, 呂方明, 黃樹紅, 賀國強(qiáng), 童杏林

(1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,武漢 430074;2.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

隨著火電機(jī)組容量的大型化和高參數(shù)化,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命問題的研究對確保設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義.造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損耗的主要原因是機(jī)組啟停過程中交變熱應(yīng)力產(chǎn)生的低周疲勞損耗以及轉(zhuǎn)子長期在高溫區(qū)工作產(chǎn)生的高溫蠕變疲勞損耗.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度信息是對其進(jìn)行高溫蠕變損傷分析以及轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力、熱疲勞分析的關(guān)鍵條件之一.

目前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度的檢測主要是采用溫度探針檢測轉(zhuǎn)子表面附近蒸汽溫度,然后通過某種換熱模型間接獲得轉(zhuǎn)子表面的溫度.文獻(xiàn)[1-3]表明上述方式估算轉(zhuǎn)子表面溫度存在較大誤差.實(shí)際上在轉(zhuǎn)子變工況以及啟停過程中蒸汽換熱情況比較復(fù)雜,轉(zhuǎn)子表面附近結(jié)構(gòu)、換熱類型差異很大,對于超臨界參數(shù)機(jī)組甚至采用冷卻技術(shù)等,因此換熱系數(shù)的準(zhǔn)確確定存在極大困難[4].雖然這種方法已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場,但因其并不能獲得精確的轉(zhuǎn)子溫度及應(yīng)力分布,給汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子部件的安全性監(jiān)測和評價(jià)帶來很大不確定性.

2000年前后,日本東芝及中部電力株式會社等通過填埋熱電偶的方式對裝機(jī)容量220 MW、主蒸氣壓力169 kg f/cm2、主蒸氣溫度556℃的汽輪機(jī)組高壓段葉片根部溫度在不同負(fù)荷下進(jìn)行了測量,為其熱疲勞分析提供溫度數(shù)據(jù)[5].試驗(yàn)中熱電偶引線鋪設(shè)在轉(zhuǎn)子表面凹槽中并對其采取了一系列的保護(hù)措施,但在試驗(yàn)過程中仍然出現(xiàn)了信號引線斷裂現(xiàn)象.試驗(yàn)表明,這種接觸式測溫方式在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)、振動及高溫高壓水蒸氣環(huán)境條件下,熱電偶焊接的穩(wěn)固性、其對轉(zhuǎn)子動平衡的影響、測量信號的可靠引出及測量系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性等因素使其在現(xiàn)階段還難以應(yīng)用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的在線監(jiān)測系統(tǒng).光纖測溫是近年發(fā)展起來的一種較為先進(jìn)的測溫方式,關(guān)榮峰[6-7]等人進(jìn)行了光纖對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度測量的模擬試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示在0～150℃范圍內(nèi)測溫誤差較小,但是將其應(yīng)用于汽輪機(jī)缸內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)子溫度測量的研究還未見公開文獻(xiàn)發(fā)表.

針對以上情況,筆者擬對上述三種方式進(jìn)行試驗(yàn)研究,深入比較其測量特點(diǎn),重點(diǎn)分析紅外非接觸式測溫的相對優(yōu)勢,并在理論上論述其應(yīng)用于高參數(shù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度測量的可行性.

1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子紅外測溫原理及特點(diǎn)

自然界一切溫度高于絕對零度的物體,由于分子的熱運(yùn)動,都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波,通過對物體自身輻射的紅外能量進(jìn)行測量,便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度.基于普朗克定律[8]

式中:E(λ,T)為物體實(shí)際光譜輻射力,W/m3;λ為波長,m;T為理論上黑體的熱力學(xué)溫度,K;ε為發(fā)射率;c1為第一輻射常數(shù),3.742×10-16W?m2;c2為第二輻射常數(shù),1.438 8×10-2m?K;

得到在波段(λ1,λ2)內(nèi)物體輻射能M(λ,T)為:

基于波爾茲曼定律[8]

式中:σ為黑體輻射常數(shù),5.67×10-8W/(m2?K4).

紅外測溫儀通過吸收物體表面向外輻射的紅外能量來測定物體表面溫度,紅外探頭將檢測到的紅外能量轉(zhuǎn)化為電信號,再經(jīng)過電路運(yùn)算處理,最終轉(zhuǎn)換成線性的溫度信號值,以便實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的信號處理及控制.其特點(diǎn)是測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸、測溫范圍廣、不受測溫上限的限制、不會破壞被測物體的溫度場及反應(yīng)速度一般比較快,但容易受外界因素的影響,存在一定的測量誤差.

由于汽輪機(jī)內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜,所以其轉(zhuǎn)子表面溫度紅外測量系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到紅外探頭耐高溫、高壓以及具有良好抗震性的基本要求.除此之外,由于轉(zhuǎn)子處于水蒸氣包圍之中,在不同工況下水蒸氣自身溫度可能高于或者低于轉(zhuǎn)子溫度.在這種條件下,水蒸氣自身的紅外能量輻射及其對轉(zhuǎn)子輻射能的吸收,是能否采用紅外方式測量轉(zhuǎn)子表面溫度的重要影響因素.

由文獻(xiàn)[8]可知,水蒸氣對在其中間傳播的紅外輻射能量具有選擇吸收性.圖1為水蒸氣在1～15 μm區(qū)域的低分辨率吸收光譜.水蒸氣主要吸收光帶有3個(gè):2.55～2.84μm、5.6～7.6μm 和12～30μm.

圖1 1～15μm紅外輻射光譜Fig.1 Infrared radiation spectrum in 1-15μm

由圖1可知,若紅外測溫儀合理選擇水蒸氣紅外吸收的窗口波段,則能有效獲取轉(zhuǎn)子表面的輻射能信息,進(jìn)而對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測定.

已知常規(guī)作為測溫視窗的藍(lán)寶石和紅外石英玻璃均有較好的紅外窗口,其應(yīng)用波段范圍分別為0.2～7μm和0.260～3.5μm,可以與水蒸氣紅外吸收窗口進(jìn)行合理匹配,且具有一定的強(qiáng)度和耐溫性能.

由上述分析可知,采用紅外輻射式測量方法對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面溫度進(jìn)行測量在理論上具有很好的可行性.

2 轉(zhuǎn)子測溫的試驗(yàn)研究

2.1 光纖測溫的試驗(yàn)研究

目前,光纖溫度檢測系統(tǒng)有2種:分布式光纖溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器.通過對兩種光纖溫度檢測系統(tǒng)的性能比較分析,光纖光柵測溫方式是點(diǎn)式接觸測量,傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小,而且抗干擾能力、抗腐蝕能力強(qiáng),能夠應(yīng)用于高溫高壓的環(huán)境,理論上能夠獲得物體表面所需位置的局部溫度.

圖2為光纖光柵溫度傳感器在旋轉(zhuǎn)體表面光纖埋設(shè)形式的照片.在該方案中,旋轉(zhuǎn)體表面制作了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與軸封近似的汽封齒,使用高溫膠將光纖按照螺旋方式引出汽封段.

圖2 信號引出方式Fig.2 The way of signal derivation

在方案的準(zhǔn)備過程中發(fā)現(xiàn)該測溫方式與傳統(tǒng)熱電偶測溫比較相似,同樣存在傳感器的固定與可靠引出等障礙,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)光纖比電纜更難固定也更易折斷.因此,要能實(shí)際應(yīng)用尚需要解決以下問題:在長期運(yùn)行中保證高溫膠及光纖不被高溫、高速汽流破壞;光纖能耐受轉(zhuǎn)子振動的影響;需要比導(dǎo)電滑環(huán)(集流環(huán))更精密的光路信號引出裝置、且不受機(jī)組運(yùn)行的影響.

在上述基礎(chǔ)上,筆者重點(diǎn)對熱電偶及紅外測溫兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)研究.

2.2 熱電偶以及紅外測溫的試驗(yàn)研究

2.2.1 試驗(yàn)臺架簡介

擬通過單輪盤轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)、加熱狀態(tài)下采用兩種方式進(jìn)行表面溫度測量,來對比分析旋轉(zhuǎn)和振動狀態(tài)下兩種測量方式的特點(diǎn),并部分驗(yàn)證紅外在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面測溫的可行性.試驗(yàn)分為三部分:升速試驗(yàn)、速度突降試驗(yàn)以及穩(wěn)態(tài)時(shí)停功率停轉(zhuǎn)速試驗(yàn).

試驗(yàn)中用42CrM o材料制作了特定結(jié)構(gòu)的輪盤模擬汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子部件,通過電熱絲加熱以及輪盤的高速旋轉(zhuǎn)來模擬汽輪機(jī)中高溫、旋轉(zhuǎn)的環(huán)境.高溫試驗(yàn)臺架見圖3.

圖3 高溫試驗(yàn)臺架Fig.3 High-tem perature test bed

圖4為輪盤加熱和測溫示意圖.模擬汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的輪盤固定于軸上并與電動機(jī)相連,電動機(jī)轉(zhuǎn)速通過可控硅變頻器調(diào)節(jié);輪盤外設(shè)置加熱保溫罩對輪盤進(jìn)行加熱保溫,在輪盤上埋設(shè)了熱電偶;在加熱保溫罩中間的水平處開設(shè)方形觀測窗,觀測窗外架設(shè)了紅外測溫儀,用于對觀測窗附近輪盤表面溫度進(jìn)行檢測.

圖4 輪盤加熱及測溫示意圖Fig.4 Sketch of heating and temperaturemeasuremen t for disc rotor

紅外探頭與輪盤距離100 mm,視窗中心線與傳動軸以及輪盤中心在一條直線上,且探頭處于所測表面法線方向.電熱絲沿輪盤圓周方向布置,懸空固定于保溫罩上,且與輪盤絕緣.電熱絲主要通過近距離紅外輻射方式對輪盤進(jìn)行加熱.鎧裝熱電偶的末端為90°直角,插入輪盤中心輻板特制的孔型通道中,熱電偶測量端部與輪盤中心外表面用導(dǎo)熱氧化鎂粉填充并用高溫膠密封.熱電偶引線段直接固定于傳動軸上,引線與導(dǎo)電滑環(huán)相連,通過銅刷將信號傳遞至靜止滑環(huán),最后由信號采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和記錄.

2.2.2 紅外選型以及發(fā)射率的調(diào)試

考慮到汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料對測溫精度的影響、紅外測溫范圍、紅外波段和距離等因素,試驗(yàn)中選取了美國雷泰FA 2A紅外測溫儀,其性能參數(shù)見表1.

表1 紅外測溫儀性能參數(shù)Tab.1 Per formance parameters of in frared thermometer

FA 2A屬于單色測溫儀(有背景輻射補(bǔ)償).單色測溫儀在進(jìn)行測溫時(shí),被測目標(biāo)面積應(yīng)與測溫儀規(guī)定光路吻合,如果目標(biāo)尺寸小于設(shè)計(jì)光路對應(yīng)的尺寸,背景輻射能量會進(jìn)入測溫探頭從而造成測量誤差[9].在實(shí)際試驗(yàn)過程中,探頭距離輪盤 100 mm,輪盤直徑為 127 mm,外緣寬 70 mm.根據(jù)FA 2A光路圖可知在輪盤表面視場直徑約5mm,與鎧裝熱電偶端部感知范圍接近.紅外測量所需目標(biāo)表面發(fā)射率通過熱電偶進(jìn)行間接估算[10].

2.2.3 試驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)及分析

試驗(yàn)開始前開啟加熱電源對輪盤進(jìn)行加熱,加熱過程中控制變頻器使輪盤以低轉(zhuǎn)速進(jìn)行盤車,當(dāng)輪盤本體溫度處于穩(wěn)定階段后(15m in左右波動1 K),用熱電偶測量結(jié)果校準(zhǔn)紅外測溫儀(通過校調(diào)紅外發(fā)射率設(shè)定值進(jìn)行).

升速試驗(yàn)分兩個(gè)溫度段進(jìn)行,在加熱功率恒定以及輪盤本體溫度場穩(wěn)定的前提下,通過不斷改變輪盤的轉(zhuǎn)速來觀測熱電偶以及紅外測溫儀所測溫度的變化情況,以此判斷轉(zhuǎn)速對紅外測溫的影響.

圖5為初始穩(wěn)定溫度為325℃時(shí)的升速試驗(yàn).由圖5可以看出,熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度在輪盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min之前基本沒有變化,之后隨著轉(zhuǎn)速的上升溫度開始下降,熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度差隨著溫度的下降不斷增大.

圖5 325℃左右升速試驗(yàn)曲線Fig.5 Temperatu remeasu red in speed-up p rocessat abou t 325℃

圖6為初始穩(wěn)定溫度為400℃左右時(shí)的升速試驗(yàn).圖6中顯示的試驗(yàn)規(guī)律和圖5的升速試驗(yàn)類似,不同的是在高轉(zhuǎn)旋速時(shí)熱電偶和紅外測溫儀測得的溫差更大.

圖6 400℃左右升速試驗(yàn)曲線Fig.6 Temperatu remeasu red in speed-up p rocessat abou t 400℃

在圖6所示的升速試驗(yàn)中,將升速間隔從300 r/m in降為120 r/m in,同時(shí)延長每個(gè)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定時(shí)間.圖5顯示的熱電偶和紅外測溫儀在升速過程中的溫度變化曲線與圖6的溫度變化曲線相比較可以看出,轉(zhuǎn)速區(qū)間相同,圖5中熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度降幅比圖6中的小很多.由此可以得出,在高轉(zhuǎn)速時(shí)紅外測溫儀溫度示值的下降很大程度上是因?yàn)檩啽P表面對流換熱作用強(qiáng)烈而使輪盤表面的實(shí)際溫度下降[7].

試驗(yàn)初期在短時(shí)間內(nèi)紅外溫度有略微的上升趨勢,在后期高轉(zhuǎn)速條件下輪盤溫度迅速下降.上述現(xiàn)象應(yīng)是輪盤轉(zhuǎn)速提高時(shí)電爐絲與輪盤內(nèi)緣的對流換熱及輪盤與外界空氣對流換熱作用加強(qiáng)所致(試驗(yàn)中輪盤高旋速轉(zhuǎn)時(shí),在軸與保護(hù)罩結(jié)合處可感知強(qiáng)烈的氣流).

通過上述試驗(yàn)可知,在采用熱電偶接觸方式測溫時(shí),鎧裝熱電偶存在自身的導(dǎo)熱和對流換熱現(xiàn)象,將導(dǎo)致其測得的溫度與所測輪盤表面溫度存在較大的差異.

針對升速試驗(yàn)中紅外溫度的變化情況,設(shè)置了速度突降試驗(yàn),即先設(shè)定輪盤轉(zhuǎn)速,調(diào)整加熱功率使熱電偶和紅外測溫儀的溫度顯示在該轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定一段時(shí)間,然后控制變頻器使輪盤在極短的時(shí)間(約1 s)內(nèi)停轉(zhuǎn)(試驗(yàn)過程中熱電偶與紅外測溫儀溫度采集程序設(shè)定的采集時(shí)間間隔為1 s),目的是利用輪盤溫度場變化的熱慣性來觀察紅外測溫儀以及熱電偶溫度顯示值在測溫目標(biāo)運(yùn)動和靜止之間的差別,以研究轉(zhuǎn)速變化對紅外測溫的影響.由于在之前試驗(yàn)中已了解到加熱電源電磁特性可能對紅外測溫有一定的影響,因此在這兩個(gè)試驗(yàn)中同時(shí)也設(shè)置了斷電的對照組(表2和表3).

表2 300℃附近速度突降試驗(yàn)紅外溫度示值變化Tab.2 Temperaturemeasured by in frared therm ometer with sudden d rop in speed at about 300℃

表3 400℃附近速度突降試驗(yàn)紅外溫度示值變化Tab.3 Temperaturemeasured by in frared therm ometer with sudden drop in speed at about 400℃

由于輪盤停止轉(zhuǎn)動是在很短時(shí)間內(nèi)完成的(約1 s),在試驗(yàn)之前輪盤的溫度狀態(tài)、熱電偶和紅外測溫儀的溫度示值均穩(wěn)定.在輪盤瞬間停轉(zhuǎn)時(shí),根據(jù)傳熱理論和工程經(jīng)驗(yàn),輪盤外表面與外界的換熱(對流及輻射換熱)并不會在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致輪盤溫度的劇烈變化.這時(shí)通過紅外溫度示值的變化就可以判斷轉(zhuǎn)速因素對紅外測溫的影響.由試驗(yàn)結(jié)果可知,切斷電源同時(shí)停止輪盤轉(zhuǎn)動時(shí),紅外測溫儀溫度值的變化情況和僅切斷電源一樣,即旋轉(zhuǎn)和振動的變化對紅外測溫基本沒有影響.

在速度突降試驗(yàn)中引用了輪盤瞬間停轉(zhuǎn)時(shí)其本體的溫度不會劇烈變化這一假設(shè),為了驗(yàn)證該假設(shè),特別做了一組穩(wěn)態(tài)停功率停轉(zhuǎn)速降溫過程試驗(yàn),所得的溫度變化曲線如圖7所示.

圖7 停轉(zhuǎn)并切斷保溫電源后溫度下降曲線圖Fig.7 Tem perature cu rve after stopping the disk rotor and sw itching off the power supply for heat preservation

由圖7可以看出,在輪盤停轉(zhuǎn)且加熱電源被切斷之后的5 min內(nèi),熱電偶和紅外測溫儀測得的溫度僅下降2 K,在開始的1 min內(nèi)溫度沒有變化.由此可以斷定,在速度突降試驗(yàn)過程中輪盤瞬間停轉(zhuǎn),其本體的溫度并不會發(fā)生劇烈改變.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)之前對熱電偶進(jìn)行標(biāo)定,其高溫(400℃)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)誤差為±1.5 K,低溫(100℃)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)誤差為±0.5 K.由表1可知,如設(shè)置符合實(shí)際的發(fā)射率,紅外測溫儀的測溫精度在高溫(400℃)時(shí)的誤差為±1.2 K,250℃時(shí)誤差為0.75 K.

如圖4所示,熱電偶所測的為輪盤外緣中心溫度,此位置溫度相對較低且相對穩(wěn)定,在不同的試驗(yàn)工況中受加熱電源變化的影響相對小,由于采用環(huán)形對稱電熱絲加熱,輪盤外緣中心處的溫度在輪盤周向上差別很小,因此試驗(yàn)過程中只需要一個(gè)熱電偶就可獲取輪盤外緣中心處溫度.雖然輪盤的高速旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致熱電偶與輪盤換熱,但是綜合以上試驗(yàn)結(jié)果及對比分析可知,轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)對紅外測溫影響很小.

4 振動對紅外測溫影響的理論分析

在試驗(yàn)臺架的組裝過程中,可能會有支座松動或不對中等現(xiàn)象存在,同時(shí)輪盤上置入熱電偶后會產(chǎn)生不平衡現(xiàn)象,所以在試驗(yàn)過程中輪盤不可避免地會有振動存在.振動對紅外測溫存在一定的干擾,主要是影響發(fā)射率變化.振動會使測溫時(shí)紅外探頭不能垂直于測溫表面而是與被測表面的法向存在一定夾角.由于實(shí)際物體的定向輻射強(qiáng)度在不同方向上存在較大差異,如果這一角度超出了一定的范圍,則發(fā)射率會有明顯變化,此時(shí)不可忽略其對所測溫度值的影響.

對于金屬材料 ,從 θ=0°開始,在 40°范圍內(nèi),定向發(fā)射率ε(θ)可認(rèn)為是個(gè)常數(shù),然后隨角度θ的增加急劇地增大.在接近90°的極小角度范圍內(nèi),又有所減小[11].圖8為本試驗(yàn)中紅外測溫幾何簡圖.由圖8可以看出當(dāng)θ接近40°時(shí),輪盤的理論振動幅值已經(jīng)達(dá)到27 mm,然而在試驗(yàn)實(shí)際及運(yùn)行中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不可能產(chǎn)生如此大幅值的振動,即試驗(yàn)過程中的振動不會對ε(θ)產(chǎn)生顯著影響,且轉(zhuǎn)子半徑越大影響越小.所以理論上,在實(shí)際汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子測溫過程中,振動對紅外測溫產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì).

圖8 測溫簡單幾何尺寸圖Fig.8 Geometry sketch for infrared temperaturemeasuremen t

5 結(jié) 論

(1)光纖測溫以及傳統(tǒng)的接觸式熱電偶測溫在實(shí)際應(yīng)用中易受轉(zhuǎn)子振動和高溫高速汽流等因素影響而容易折斷,且光纖和熱電偶信號引線的固定問題很難解決;另外,傳統(tǒng)的接觸式測溫方式測溫元件與被測介質(zhì)將進(jìn)行熱交換,需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡狀態(tài),所以存在測溫偏差及測溫延遲等現(xiàn)象;同時(shí)這些方式的實(shí)施也受耐高溫材料的限制.因此這些方式目前較難應(yīng)用于轉(zhuǎn)子表面溫度的長期在線測量;

(2)紅外測溫響應(yīng)速度快,能夠在一定程度上較好地測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的表面溫度并且能長期對轉(zhuǎn)子表面溫度進(jìn)行在線監(jiān)測;轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)、振動對紅外測溫影響很小.因此,紅外測溫是未來汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子測溫的發(fā)展方向之一.

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