楊占剛，徐 征，李洪兵，余華興，梁 瑜，吳 彬

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 江北供電分公司，重慶100080;2.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

0 引 言

由于大容量的電能不能存儲(chǔ)和保管，因此，電能的產(chǎn)值必須根據(jù)用戶的需求來調(diào)節(jié)，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電能產(chǎn)值的部分為汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)［1～3］。汽輪機(jī)油在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起著調(diào)速、潤滑、散熱、沖洗、減震的作用，因此，汽輪機(jī)油的質(zhì)量直接決定了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能［4］。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)所在的環(huán)境溫度較高，為了提高防火性能，目前，世界各國發(fā)電廠的汽輪機(jī)油主要采用磷酸酯抗燃油［5～7］。

由于磷酸酯抗燃油為人工合成的化學(xué)物質(zhì)，在一定溫度下，可與空氣中的氧發(fā)生氧化老化，同時(shí)與水發(fā)生水解劣化［8］。劣化后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)又會(huì)對(duì)油的進(jìn)一步劣化產(chǎn)生催化作用［9］，油品不斷降級(jí)，從而影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。此外，汽輪機(jī)油的價(jià)格十分昂貴，且對(duì)環(huán)境有污染，不能任意排放。因此，評(píng)估汽輪機(jī)油的老化程度，制定報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，不僅是發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的需要，也對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和減少環(huán)境污染有著重要的意義［10］。

目前，主要是通過觀察油品顏色與沉淀物的多少、測(cè)量油液的酸值與含水量等來判斷汽輪機(jī)油的老化程度［1］。這需要監(jiān)督運(yùn)行人員每周至少檢測(cè)一次油的外觀、酸值、電阻率和機(jī)械雜質(zhì)，每季至少測(cè)定一次抗燃油的水分、閃點(diǎn)和粘度［11～13］，由于測(cè)量參數(shù)太多，使得該檢測(cè)過程非常繁瑣。此外，也有研究者們用氣相色譜法，但是該方法只能通過抗燃油產(chǎn)生的氣體含量對(duì)油品進(jìn)行判斷，其依據(jù)較為單一，更適用于變壓器油的檢測(cè)［14］。

汽輪機(jī)油劣化過程中的所有化學(xué)變化幾乎都與H 原子有關(guān)，而核磁共振技術(shù)對(duì)物質(zhì)中H 的含量及其結(jié)合狀態(tài)的變化有著極高的靈敏度［15～17］，因此，本文提出用核磁共振的方法來檢測(cè)汽輪機(jī)油的老化程度?？紤]到工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要傳感器盡量便攜，設(shè)計(jì)了一種微型核磁共振傳感器。用該傳感器對(duì)來自兩個(gè)發(fā)電廠的不同使用年限的汽輪機(jī)油的核磁共振參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析處理。

1 傳感器設(shè)計(jì)

該微型核磁共振傳感器主要由永磁體、射頻線圈及其調(diào)諧匹配電路兩部分組成。永磁體用來產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)B0，使得被測(cè)樣品中的H 原子核沿B0場(chǎng)方向排列，射頻線圈及其調(diào)諧匹配電路用來產(chǎn)生激發(fā)H 原子核的射頻磁場(chǎng)B1和接收核磁共振回波信號(hào)。

1.1 永磁體

為了實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要永磁體產(chǎn)生的靜態(tài)磁場(chǎng)滿足一定的均勻性的同時(shí)，其體積和重量越小越好。

本文設(shè)計(jì)的傳感器磁體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，一對(duì)磁化方向相同的永磁體(直徑25.4 mm，厚3.2 mm)相對(duì)放置，靜態(tài)磁場(chǎng)B0產(chǎn)生于兩片永磁體之間，鐵磁片(直徑28.6 mm，厚5.5 mm)用來加強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和減小漏磁。整個(gè)磁體結(jié)構(gòu)的尺寸為30 mm×30 mm×36 mm，重107 g。

圖1 傳感器磁體結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Photo of magnet structure of sensor

為了在兩片磁體之間的測(cè)量區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)均勻的靜態(tài)磁場(chǎng)，需要通過調(diào)節(jié)兩片永磁體之間的間隔使得B0達(dá)到一定的均勻度。由于兩片永磁體磁化方向相同，它們?cè)跍y(cè)量區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿z 軸的分量方向相同，沿xy 平面的分量的方向相反。若能將兩片磁體在測(cè)量區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的沿xy 平面的磁場(chǎng)分量抵消，同時(shí)使各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿z 軸的分量的梯度大小相等、方向相反，則測(cè)量區(qū)域內(nèi)的總磁場(chǎng)B0均勻分布。根據(jù)上述理論，用仿真軟件Maxwell 3D 對(duì)不同磁體間距所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，最終確定的最優(yōu)磁體間距為11 mm。圖2 為最優(yōu)磁體間距下，實(shí)際測(cè)量得到的B0沿z 軸與y 軸的分布。

圖2 B0 沿z 軸和y 軸的分布Fig 2 B0 distribution along z axis and y axis

根據(jù)圖2 可以計(jì)算出，兩片永磁體之間的25 mm3的區(qū)域內(nèi)，B0的均勻度為0.74%(相當(dāng)于80 kHz 的帶寬)，將其定義為測(cè)量區(qū)域，此時(shí)B0只有z 軸方向的分量。由于測(cè)量區(qū)域內(nèi)的B0在0.25 T 左右，通過計(jì)算，將其共振頻率設(shè)為10.5 MHz。

1.2 射頻線圈及其調(diào)諧匹配電路

根據(jù)核磁共振產(chǎn)生的條件，靜態(tài)磁場(chǎng)B0必須與射頻磁場(chǎng)B1的方向垂直，亦即B1的方向必須與xy 平面平行。同樣，為了在測(cè)量區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)均勻且較強(qiáng)的射頻磁場(chǎng)B1，本文采用螺線管線圈作為射頻線圈。該線圈既作為射頻激勵(lì)線圈也作為信號(hào)接收線圈。

為了激勵(lì)更多的樣品，射頻線圈的橫截面被設(shè)計(jì)為橢圓形(長軸20 mm，短軸10 mm)，線圈由11 匝1 mm 直徑的漆包銅導(dǎo)線繞成，總長度為18 mm。圖3(a)為實(shí)際制作的射頻線圈，圖3(b)，(c)，(d)分別為該射頻線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1在各個(gè)坐標(biāo)平面的分布。

為了接收頻率為10.5 MHz 的核磁共振信號(hào)，并將該信號(hào)輸送到阻抗為50 Ω 的前置放大器，需要將射頻線圈的諧振頻率調(diào)整到10.5 MHz 并使得其在該頻率下的阻抗為50 Ω。本文選擇П 型電路作為射頻線圈的調(diào)諧匹配電路，實(shí)際制作的線圈的電感為0.8 μH，等效串聯(lián)電阻為1.1 Ω，因此，選擇的調(diào)諧電容值為253 pF，匹配電容值為87 pF。傳感器實(shí)物圖如圖4 所示。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)總共測(cè)試了5 組汽輪機(jī)油樣品，其中，前3 組樣品來自浙江北侖電廠，后2 組來自浙江余姚電廠。1#，4#樣品為新油，2#，5#樣品為在役油，3#樣品為廢棄油。

測(cè)試中所用到的設(shè)備有Kea2 譜儀，Tomco 射頻功率放大器，以及外接式前置放大器。

圖3 射頻線圈B1 場(chǎng)在各平面的分布Fig 3 Distribution of RF coil B1 field on each plane

圖4 傳感器實(shí)物圖Fig 4 Physical map of sensor

實(shí)驗(yàn)用CPMG 序列測(cè)量了各油樣品的有效橫向弛豫時(shí)間T2eff，用T1IR Add 序列測(cè)量了各樣品的縱向弛豫時(shí)間T1。為了檢驗(yàn)該傳感器的靈敏度與可重復(fù)性，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量了5 次。

圖5 為實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的1#油樣品的CPMG 回波峰值衰減曲線，實(shí)驗(yàn)中的掃描次數(shù)設(shè)為32 次。將前5 個(gè)回波峰值的平均值與后20 個(gè)回波峰值的平均值之比定義為信噪比，因而，計(jì)算得出該傳感器所測(cè)得的油樣品核磁共振信號(hào)的信噪比為24。雖然該傳感器的尺寸較小，但是其靈敏度完全能夠滿足測(cè)量要求。

圖5 1#油樣品CPMG 回波峰值衰減曲線Fig 5 CPMG echo peaks decay curve of 1#oil sample

由于該傳感器在測(cè)量區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的B0場(chǎng)不是絕對(duì)均勻，在CPMG 序列射頻脈沖的作用下產(chǎn)生的回波是由多個(gè)路徑的信號(hào)疊加而成，因此，CPMG 序列測(cè)量得到的時(shí)間常數(shù)為由T1和T2按一定比例混合而成，稱為有效橫向弛豫時(shí)間T2eff［18］。

本文分別用單指數(shù)衰減、雙指數(shù)衰減及反拉普拉斯變換對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行了反演擬合，結(jié)果顯示:單指數(shù)衰減擬合的計(jì)算精度最高，因此，選用單指數(shù)衰減(式(1))對(duì)所有測(cè)量信號(hào)進(jìn)行反演擬合

表1 和表2 分別為通過單指數(shù)衰減擬合得到的所有油樣品5 次測(cè)量的T2eff和T1的平均值與誤差。

表1 各油樣品的T2eff平均值和誤差Tab 1 Average value of T2eff and errors of each oil sample

表2 各油樣品的T1 平均值和誤差Tab 2 Average value of T1 and error of each oil samples

從表1 可以看出:隨著油樣品的老化程度的增加，其有效橫向弛豫時(shí)間T2eff減小。同樣，從表2 中，可以得出:隨著油樣品老化程度的增加，其縱向弛豫時(shí)間T1也隨之減小。此外，對(duì)比表1 和表2，發(fā)現(xiàn)隨著油樣品老化程度的增加，其T1的差異要大于T2eff的差異，但是測(cè)量結(jié)果中T2eff的穩(wěn)定性要高于T1。因此，汽輪機(jī)油樣品的T2eff和T1都能夠表征其老化程度。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種微型核磁共振傳感器用于在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)油的老化程度。該傳感器在擁有體積小、重量輕、制作成本低等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有較高的靈敏度與重復(fù)性。通過該傳感器分別對(duì)來自兩個(gè)電廠的不同老化程度的汽輪機(jī)油進(jìn)行了核磁共振測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著汽輪機(jī)油的老化程度的增加其T2eff和T1減小，且T1比T2eff減小的快。因此，有望通過該傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量汽輪機(jī)油的T2eff和T1來監(jiān)測(cè)其老化程度。

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