汽轮机叶片健康监测系统的介绍与应用

张 亚，单 鹏，张佳敏，程 凯(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂， 上海 200240)

叶片作为汽轮机的关键部件，其运行时的健康状况至关重要。对大功率汽轮机机组旋转部件运行时的健康状况进行监测一直是国内外学者研究的重要课题。随着汽轮机不断向高参数、大容量发展，低压长叶片的开发已经成为了提高汽轮机单机容量的关键。低压端长叶片转速很高，承受着自身离心力的作用，此外还承受着随时间呈周期性变化的汽流激振力以及蒸汽凝结产生的水滴的冲击力。如果扰动力过大，汽轮机叶片很有可能在运行的几个小时内就发生损坏事故[1]。随着国家对汽轮机灵活性运行提出要求，低压端零出力改造需求增多，这使得低压端长叶片常工作在非设计工况，由此带来的叶片安全问题更是不容忽视。调查表明，运行中叶片事故约占汽轮机事故的40%[2]。叶片故障不仅影响汽轮机动力输出，而且会造成轴系磨损加剧，使设备使用寿命受到影响[3]。

国内外学者在旋转机械的动态测量方面做了很多研究。美国WESTHOUSE公司很早就对涡轮机械旋转叶片的实时监测开展了研究，1934年该公司利用光学原理实现了叶片的动态测量。20世纪70年代，苏联学者Zablotskiy对涡轮叶片健康监测问题进行了研究，率先提出了用于测量叶片状态参数的间断相位法，并发展了激光多普勒方法。随后，英国帝国理工学院的Ibrahim A. S.博士研发了一套用于实验研究的叶片健康监测系统。国内学者何正嘉投入了很多精力研究叶片的动态测量。重庆大学的研究学者谢志江也在叶片的动态监测研究方面做了很多研究，但其研究成果并未在实际应用中得到验证。北京化工大学王维民利用实验与有限元计算相互对比的方法研究了叶片的动态测量[4]。以上学者的研究大多是在实验室进行，未能在实际汽轮机上对低压长叶片进行长期有效的动态监测。

上海汽轮机厂针对上述问题，研发了一种全新的叶片健康监测系统(Blade Health Monitoring System，BHMS)。本研究介绍了该叶片健康监测系统的结构和功能，并以某电厂350 MW中间再热间接空冷抽汽凝汽式汽轮机为研究对象，介绍在该机组上应用该系统的情况。该系统在机组启停机、低压端零出力改造试验以及冬季供暖运行期间能够对低压长叶片的健康状况进行实时监测，保障叶片安全运行。

1 汽轮机叶片振动类型

汽轮机运行过程中，叶片因受到蒸汽激振力的作用产生振动，叶片由叶轮支撑固定，表现为叶片-叶轮系统的耦合振动。这种在外界周期性交变载荷作用下产生的振动称为异步振动。异步振动的频率取决于激振力频率，当激振力频率和叶片-叶轮系统的固有频率相等时，就会出现振幅突然增大的、危险的共振。

当汽轮机机组在流量较小的工况下运行，如调峰工况和低负荷供暖运行工况，低压端的蒸汽流量较小，导致低压端的蒸汽紊乱度升高，末级长叶片就会受到较大的蒸汽激励力的作用，并产生鼓风现象，这使得叶片更容易出现异步振动的问题。

当汽轮机转速变化时，叶片的振动频率与转速有关，此时的振动称为同步振动。对于整圈自锁阻尼叶片(Interlocked Blade，ILB)，由于其结构特殊，只有当谐波数和叶片-叶轮系统的节径数一致时，能量才会输入系统，引起较大的振动幅值，这种共振称为“三重点”共振。“三重点”共振对于ILB来说是极其危险的。“三重点”共振的数学表达式如下：

(1)

式中：fs为叶片-叶轮系统节径数为m时的动频率，Hz；m为节径数；K为谐波数；n为转子转速，r/s。

叶片的振动形式还有自由振动和自激振动。自由振动是指叶片在没有受到外界作用力的情况下所发生的简谐振动，自激振动是指叶片受到自激力作用而发生的振动[5]。

2 叶片健康监测系统

汽轮机低压端长叶片多工作在湿蒸汽区。利用自主研制的电涡流传感器和红外测温传感器，汽轮机叶片健康监测系统能同时对叶片振动、叶顶间隙和叶片金属温度进行实时监测。该系统结合高度集成的信号采集、调理和分析模块，能对可能出现的事故进行预警提示。系统配备稳定高效的海量数据存储模块，能对叶片运行数据进行深度挖掘和机器学习，并对叶片做水蚀评估和寿命损耗分析。下面对系统各部分做简要介绍。图1为BHMS结构图。

图1 汽轮机叶片健康监测系统

BHMS主要由待测旋转部件、传感器、前置模块、采集卡、就地显示器、防火墙、单向隔离网闸和远程监控端构成。传感器将接收到的叶片信号传输至前置模块。前置模块将连续的电信号转换为脉冲信号，再进行数字化、滤波、软件分析等处理，在显示界面展示叶片的运行参数。为了远程监控叶片健康状况，将数据通过防火墙、网闸，经由internet到达远程监控端。

2.1 电涡流传感器

为满足汽轮机叶片的动态非接触监测，开发了高频响(250 kHz)、位移测量精度高、耐高温(200 ℃)、基于叶尖定时技术[6-7]制作的电涡流传感器。当汽轮机叶片通过电涡流传感器时，会产生脉冲信号，传感器便可记录叶片的到达时刻。叶片振动会使到达时刻发生变化，从而产生叶片振动与未振动时的到达时间差。采用多传感器数据处理算法对时间序列进行分析，即可获取整圈自锁叶片或自由叶片的振幅、频率、相位等信息[8]。传感器的特殊封装处理使其环境适应性好，抗干扰能力强。电涡流传感器如图2所示。

图2 电涡流传感器

对传感器的直流电压信号进行处理，结合静态标定时制成间隙-电压幅值表，可将电信号转换为间隙值，在终端实时显示。

特别地，本研究考虑到不同的叶顶围带形式，加工了多种围带模型进行了振幅、间隙的标定试验。标定时还考虑了汽轮机叶片在运行时的差胀对传感器测量精度的影响，这使得传感器能在汽轮机启停机、变工况运行时对低压端长叶片进行实时监测，保障叶片安全运行。

2.2 红外测温传感器

为满足汽轮机各个工况监测的需要，研究人员在BHMS中应用了测温范围宽(50～800 ℃)、响应快(20 ms)的红外测温传感器。传感器主要由密封保护外壳、恒温红外视窗模块、红外测温模块、激光测距模块和温度模块构成。隔热层采用聚四氟乙烯或其他隔热材料，并采用多层镂空设计，在保证结构需要的基础上极大地降低了隔热层的传热系数。恒温红外透过视窗模块可使视窗温度与外界气体温度保持一致，或略高于外界气体温度，避免由于视窗温度过低而导致凝露现象。红外测温模块可以接收测温点发射的红外辐射，根据相关参数对温度数据进行修正，并将修订后的数据通过模拟量或其他通讯方式进行传输。温控模块可以根据设定值保持温控系统密封保护壳内温度恒定(主要是制冷)。结构支架由具有高导热系数的铜或铝加工而成，能够为激光测距模块和红外测温模块提供结构支撑，同时可以保持密封保护壳内的温度分布均匀。红外测温传感器如图3所示。

图3 红外侧温传感器

2.3 嵌入式系统

嵌入式系统的存在使得BHMS具有较高的可靠性和稳定性。根据不同的算法要求，本系统主要分为实时分析模块和后处理模块。前者对叶片振动、叶顶间隙和叶片温度进行实时监测，具备叶片健康状态显示功能。当信号超过设定的报警阈值时，系统会提示和报警。后者利用历史数据对叶片进行水蚀分析，可预估水蚀后的叶片固有频率，进一步实现叶片的寿命损耗分析。

为实现与电厂数字电液(Digital Electric Hydraulic，DEH)控制系统的通信，叶片监测数据经过状态诊断和算法处理后，由数-模转换芯片转换为4～20 mA的电流信号，提交给电厂的DEH系统，用于界面显示。运行人员可以实时掌握叶片振动幅度、频率、叶顶间隙、叶片温度等动态参数，以及叶片的健康状况。

2.4 远程数据中心

为了实现叶片运行数据的远程监控与管理，搭建了远程数据中心。由就地端的接口机读取来自BHMS的数据，在网络中设置单向隔离网闸，控制数据流向。防火墙用于网络保护，不会干涉电厂机组运行，同时保证了数据的安全性。远程数据中心能够支持海量时序数据机器学习，并建立了叶片健康模型，实时查看传感器状态，按季度评估叶片健康状况。该数据中心还能实现移动端实时掌握叶片健康状况的功能，数据安全性好，实时性高。远程数据中心如图4所示。

图4 远程数据中心

远程监控端每隔一定的时间会对获取的数据进行存储，并分析叶片健康状况的变化趋势。当汽轮机叶片出现异常，如设备故障、系统报警时，远程监控端会自动记录叶片异常时的运行数据。

2.5 系统特点

汽轮机叶片健康监测系统采用模块化设计，满足系统设置、传感器管理、数据采集、计算分析、健康管理的在线显示。整套系统功能齐全，性能稳定，对叶片运行数据的采集和分析快速、及时。BHMS有如下特点：

1)对汽轮机叶片进行全面监测，包括小流量工况下的异步振动分析、转速变化时的同步振动分析、叶片水蚀分析和寿命评估分析；

2)特制的传感器能在湿蒸汽环境下对叶片振动、叶顶间隙和叶片温度进行实时监测，对可能出现的事故作出预警提示；

3)采用非接触式监测，只需在低压端打孔，即可安装传感器，简单便捷，不存在低压端安全性风险；

4)系统软件采用全汉化界面，支持实时曲线的绘制、多参数曲线的切换，对多种测量参数采用图形和数据结合的方式，达到显示直观、形象的目的，软件界面提供弹出式窗口，可查看和输入机组信息、调峰记录等；

5)远程监控平台满足了远程实时掌握汽轮机低压长叶片的健康状况的需要，该平台还能结合历史运行数据对叶片进行水蚀评估和寿命预测分析。

3 BHMS工程应用

BHMS已在广东、山西、江苏各省的多家电厂成功应用，保障了汽轮机机组在启停机、切缸试验、变工况运行期间长叶片的安全运行。现以某电厂350 MW汽轮机机组为例，介绍其应用叶片健康监测系统，实现对低压端长叶片的实时监测的情况。

3.1 方案制定

对350 MW汽轮机机组低压段进行建模，用于测点布局和差胀计算。测点轴向位置的确定需要与电厂相关运行数据进行对比，以保障叶片监测的准确性。根据机组特点设计线缆布置方式和路径，并绘制测点布置图。结合汽轮机机组罩壳的结构，最终确定系统安装方案。机组低压内缸情况如图5所示。

图5 350 MW机组低压内缸

3.2 系统实施

根据测点布置方案，在低压端相应位置完成打孔，然后安装传感器，布置信号线、缸壁密封以及其他硬件设备。一切就绪后即可进行数据采集、通信测试，待机组启机时开始对叶片进行监测。传感器布置方案如图6所示。

图6 传感器布置方案

3.3 叶片监测

在汽轮机机组启停机和切缸试验时，对低压端长叶片的运行状态进行监测。根据运行数据对传感器进行二次复核，对间隙信号进行就地校准。将结果数据提交给电厂的DEH系统，便于运行人员实时查看和记录。数字信号由集能源驱动、采集信号、去噪滤波等多种功能于一体的多功能机箱输出。多功能机箱如图7所示。

图7 多功能机箱

3.4 试验结果

2018年11月13日至14日，上海汽轮机厂完成了350 MW机组的切缸改造试验，在确保机组800 GJ瞬时供热量的同时，实现了30%深度调峰。切缸过程中实现了叶片颤振在线显示，彻底消除了水蚀隐患，避免了切缸对低压末级叶片带来的各种影响。根据切缸试验时低压端长叶片的运行情况，给出了运行指导曲线，如图8所示，该曲线用于指导汽轮机机组在切缸工况下的运行。因不同类型的汽轮发电机组会有不同的运行指导曲线，所以图中横、纵坐标为标准化后的数值。图中区域S为理想运行区域，区域D为切缸过渡区。为避免汽轮机叶片产生安全隐患，机组应避免在区域D长期运行。

图8 运行指导曲线(无量纲数值)

4 结 论

本文介绍了叶片健康监测系统的结构和功能，并以某电厂350 MW机组为例，介绍了该监测系统的实际使用情况。叶片健康监测系统能实时、准确地监测汽轮机低压端长叶片的振动、间隙和温度等动态参数，为优化机组启停机、切缸改造试验、变工况运行提供技术指导。特别地，针对汽轮机低负荷运行时长叶片受到较大交变激振力的情况，叶片健康监测系统可以指导机组运行，保障叶片安全。