張 霞

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 引言

大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子的溫度是發(fā)電機安全運行的重要監(jiān)視參數(shù)。其測量方法分為直接測量法和間接測量法。由于發(fā)電機為高速旋轉(zhuǎn)部件，采用轉(zhuǎn)子線圈內(nèi)埋入電阻的直接測溫法在工藝實現(xiàn)上很困難，且給發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行帶來隱患［1］。國內(nèi)有學(xué)者提出基于紅外熱敏器件的非接觸式測溫和基于GaAs晶體溫敏元件的光測量技術(shù)等方法［2－3］，但此類技術(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，大多還處在試驗研究階段，并未在發(fā)電機轉(zhuǎn)子測溫領(lǐng)域成熟應(yīng)用。

大多大型發(fā)電機組采用通過獲取轉(zhuǎn)子阻值進而通過計算得到轉(zhuǎn)子溫度的間接監(jiān)測方法。按監(jiān)測原理，間接測溫法包括三種典型間接測量技術(shù):測磁傳感器－電壓測量法，工況分析推算法以及轉(zhuǎn)子溫度/勵磁電流間接計算法［4］。方法一須安裝測磁傳感器測量轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流;方法二一般利用勵磁系統(tǒng)的精確計算軟件進行推算［5］;方法三以工廠試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過計算獲得轉(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的實現(xiàn)方案。

1 轉(zhuǎn)子溫度算法模型

1.1 發(fā)電機勵磁機組簡介

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)電機電壓和負荷，按給定規(guī)律調(diào)整勵磁電流，維持發(fā)電機端電壓為給定水平，合理分配并列運行機組的無功;在發(fā)電機及電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過強行增磁減磁防止事態(tài)擴大，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。隨著發(fā)電裝機容量不斷增大，發(fā)電機勵磁越來越重要。600 MW及以上大型發(fā)電機組勵磁方式主要分有刷勵磁和無刷勵磁兩種。發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)還火問題制約了有刷勵磁在大型發(fā)電機組的應(yīng)用，百萬千瓦以上的大機組一般采用無刷勵磁系統(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)電機組，其額定功率為1300 MW，額定電壓為24 kV，配以TKJ167-45的無刷勵磁系統(tǒng)。

1.2 轉(zhuǎn)子溫度的計算

發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度計算與發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的勵磁電流、發(fā)電機氫氣溫度和氫氣壓力有關(guān)。勵磁電流越大，轉(zhuǎn)子線圈的電壓越高，進而產(chǎn)生的熱量越多，轉(zhuǎn)子溫升越高;發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用氫氣冷卻方式，轉(zhuǎn)子溫度會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)生的熱量被及時帶走，故氫壓越高，轉(zhuǎn)子溫升越小。

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

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，即可通過循環(huán)迭代計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度。

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

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度不變，即轉(zhuǎn)子阻值固定的情況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈電壓與勵磁電流也有著同向變化的趨勢。轉(zhuǎn)子在不同溫度下即對應(yīng)不同轉(zhuǎn)子線圈電阻，其對應(yīng)勵磁電流與轉(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－勵磁電流曲線Fig.1 Curve of Winding voltage vs.exciting current

1.3 計算算法流程

計算發(fā)電機轉(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)電機氫氣平均溫度T0，發(fā)電機氫壓p以及勵磁電流iex。根據(jù)式(4)算出此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)子線圈電阻，根據(jù)已知的典型擬合曲線計算出不同勵磁電流下的轉(zhuǎn)子線圈電壓值，進而導(dǎo)出Ured=f(iex)的對應(yīng)擬合曲線。由已知輸入數(shù)據(jù)勵磁電流得出對應(yīng)的轉(zhuǎn)子線圈電壓Ured，根據(jù)式(2)和式(3)計算出轉(zhuǎn)子溫升ΔT1，由式(1)得到此時的轉(zhuǎn)子溫度;再根據(jù)得出的轉(zhuǎn)子溫度T2，如上循環(huán)計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)子溫升ΔT2，直至兩次計算的溫升ΔT的差值小于允許的迭代誤差0.01。此時計算結(jié)果滿足誤差要求，轉(zhuǎn)子溫度計算值被作為最終結(jié)果輸出。因發(fā)電機勵磁系統(tǒng)隨著電網(wǎng)波動進行勵磁調(diào)節(jié)，勵磁電流是一個變化值，故要實時采集，進行下一輪的循環(huán)計算，將滿足誤差要求的結(jié)果作為發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度實時的輸出。轉(zhuǎn)子溫度算法流程圖如圖2所示，子程序1與子程序2分別實現(xiàn)上述ΔT1與ΔT2的計算。

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

2 轉(zhuǎn)子溫度算法的實現(xiàn)

2.1 機組DCS系統(tǒng)簡介

某核電站新建工程DCS系統(tǒng)采用的是西門子TXP/TXS系統(tǒng)。TXP分散控制系統(tǒng)提供了處理和控制生產(chǎn)過程所必需的自動處理、操作、監(jiān)視和記錄功能［6－7］，它主要由 AS620 過程自動控制系統(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)簡圖如圖3所示。

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

2.2 轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測方案

發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度信號屬于非安全級信號，故從輸入信號的采集到算法程序的實現(xiàn)，以及到最終畫面的顯示都需在TXP系統(tǒng)中完成。監(jiān)測方案如圖4所示。

圖4 監(jiān)測方案簡圖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)電機氫氣溫度信號 GRH411MT、GRH412MT、GRH413MT、GRH414MT，AI采集模塊FUM230分別采集勵磁電流GEX413MI和氫氣相對壓力GRV001MP這兩路信號，送到AP處理器進行處理。AP中的數(shù)據(jù)通過Plant bus總線環(huán)網(wǎng)與PU相連，作為PU的輸入信號并在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)子溫度計算的編程，最終將轉(zhuǎn)子溫度計算結(jié)果GRH101MY信號送到二層畫面GRH001YCD中顯示。

西門子一層離線組態(tài)軟件TEC4及ES680中很難實現(xiàn)復(fù)雜的擬合迭代循環(huán)等算法，故通過PU功能塊K_R解決此難題。K_R功能塊是專門用于與來自第三方編程程序或應(yīng)用程序的模擬量過程信號的接口模塊。使用其他第三方編程語言，在PU中通過與K_R功能塊接口，最終實現(xiàn)復(fù)雜算法的運算。該核電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度的在線監(jiān)測，也就是通過此K_R功能塊在PU中實現(xiàn)算法編程。按照轉(zhuǎn)子溫度算法的流程步驟，通過中間計算轉(zhuǎn)換的間接方式獲得發(fā)電機溫度的數(shù)值。以GRH101MY作為二層OM690操作和監(jiān)視系統(tǒng)的引用信號，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。K_R功能塊及其與OM690信號接口參數(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

本文設(shè)計的基于勵磁機勵磁電流/發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度關(guān)系及相關(guān)工廠試驗數(shù)據(jù)的發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度間接測量方法簡便直觀，適用于機組正常運行時的一般性監(jiān)測。該方法無需額外安裝一次測量元件［8］，尤其是在該核電項目上，通過對DCS系統(tǒng)二層PU的二次開發(fā)，實現(xiàn)了基于主控室DCS操作站的發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度在線連續(xù)監(jiān)測功能。

該實現(xiàn)方案簡化了測量及監(jiān)控裝置，統(tǒng)一了人機監(jiān)控界面，提高了設(shè)備運行的可靠性，減少了維護檢修工作量;對大型發(fā)電機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度監(jiān)測具有示范意義和推廣價值。

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