CN115200781A - 一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法，汽轮机轴系转动惯量测算系统包括转轴、齿轮盘、磁阻式传感器、录波仪和计算机，可根据汽轮机甩负荷时磁阻式传感器传输的交变信号对轴系的转速变化进行计算，从而计算轴系加速度并进一步计算得到汽轮机轴系的转动惯量。本发明的有益效果是：通过高精度高频率录波仪采集齿盘齿经过磁阻式传感器的瞬时信号，提高了转速信号获取的分辨率，通过合理划分转速簇，克服了转速测量过程中的信号电压波动，实现了信号批量处理，具有操作简单、数据精度高、物理概念清晰等优势。

Description

一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法

技术领域

本发明属于汽轮发电机组测量领域，尤其涉及一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法。

背景技术

在经典力学中，转动惯量是刚体绕轴转动时惯性的量度，用字母I或J表示，其单位为kg·m²。对于一个质点，I＝mr²，其中m是其质量，r是质点和转轴的垂直距离。转动惯量在旋转动力学中相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，通过转动惯量能够建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。

汽轮发电机组转动惯量计算公式为

式中，J为转子转动惯量，P₀为甩负荷瞬间的发电机负荷值，ω₀为甩负荷瞬间的初始角速度，a为甩负荷瞬间的转速加速度，η为发电机效率；其中转速加速度a根据动态转速测量值计算得来，但目前常用的汽轮发电机组转动惯量计算方法中，转速值为汽轮发电机组DCS系统二次转送的转速信号，该转速信号存在失真，且精度受限，因此转速输出响应无法满足甩负荷瞬间毫秒级别的转速对信号的精度要求，导致转速加速度a的测量精度较低，进而无法准确测得汽轮发电机组转动惯量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法。

这种汽轮机轴系转动惯量测算系统，包括转轴、齿轮盘、磁阻式传感器、录波仪和计算机；

所述汽轮机轴系转动惯量测算的系统通过转轴安装在汽轮机上；转轴的另一端连接齿轮盘中心，齿轮盘径向上固定有磁阻式传感器，磁阻式传感器连接录波仪，录波仪与计算机连接。

这种汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，包括以下步骤：

S1、启动汽轮机，使转轴带动齿轮盘转动，使用录波仪对磁阻式传感器得到的电压数据进行采样，并传输至计算机中；以发电机脱网信号为参考信号，截取数据；

S2、根据交变信号存在波峰波谷的特性，搜寻交变信号波峰点，建立波峰点序列P＝(P₁,P₂……P_n)；根据波峰点对信号进行划分，并建立齿轮盘单齿信号序列；

S3、将相邻的k个单齿信号合并为一个集合，根据采样周期t_o计算集合的时间间隔，时间间隔t_i＝(P_i+k-P_i)×t₀，在i时刻的转速S_i＝60k/t_i，依次计算得到集合的转速时间序列S＝(s₁,s₂……s_n)；

S4、根据转速时间序列绘制转速曲线；

S5、根据转速时间序列，计算转速加速度，转速加速度a_i＝s_i+1-s_i，依次计算得到转速加速度序列A＝(a₁,a₂……a_n)，取转速达到峰值前的最大加速度值为甩负荷瞬时加速度，然后按照公式计算转动惯量。

作为优选，步骤S1中：使用起始负荷为20％-30％的工况进行甩负荷试验，汽轮机在正常运行时转速为v₀，当发电机发生脱网时，截取脱网信号前一段时间的数据；设置录波仪的采样率为齿信号频率的a倍，齿轮盘的齿数为n，录波仪的采样率设置为a·v₀·nHz。

作为优选，步骤S1中：a大于3。

作为优选，步骤S2具体为：

S2.1搜寻波峰点：当第p采样点的电压值V_P同时大于前一采样点V_P-1和后一采样点V_P+1的值时，定义该点为信号的波峰点，即同时满足V_P-V_P-1>0和V_P-V_P+1>0的点p为波峰点；

S2.2根据搜寻得到的波峰点建立波峰点序列P＝(P₁,P₂……P_n),其中P_n的值为第n个波峰点在原始采样数据中的序号；

S2.3对该序列进行验证：令T_i＝P_i+1-P_i，得到序列T＝(T₁,T₂……T_n)，如序列T中单元值的偏差大于等于10％，表明采样率设置过大，需对原始数据按间隔采样的方式处理，并重新按照步骤S2.1和步骤S2.2所述方法得到新的序列P并重新验证，直至序列T中的单位值的偏差小于10％；

S2.4建立齿轮盘单齿信号序列：验证通过后以波峰点为间断点对信号进行划分，划分后相邻波峰点间的数据为齿轮盘单齿经过传感器的信号。

作为优选，步骤S4中：观察转速曲线是否平滑和是否存在阶梯状特征；如曲线不平滑则减少k值，如曲线存在阶梯状特征则增大k值，直至获得平滑无阶梯状特征的转速曲线。

作为优选，步骤S5中：转动惯量的计算公式为

式中：

J为转子转动惯量，单位为kg×m²；

n₀为甩负荷瞬间的初始转速，取转速时间序列在参考信号前的第一个值；

P₀为甩负荷瞬间的发电机负荷值，通过测量得到；

ω₀为甩负荷瞬间的初始角速度，根据n₀求得；

a为甩负荷瞬时加速度；

η为发电机效率，甩负荷初始的电磁损耗变化忽略不计，以99％计算。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出了一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统与方法，借助高精度高频的录波仪，对汽轮机齿轮盘上每个齿经过磁阻式传感器时产生的交变信号进行采集，通过交变信号峰峰值的时间间隔，确定单齿经过磁阻式传感器的时间，从而得到转速值；通过计算得到的转速值绘制甩负荷期间的转速动态曲线，然后根据转速曲线计算得到n₀、ω₀和a的精确值，有效提高了转动惯量的测算精度。

2)本发明对起始负荷为20％-30％的工况进行甩负荷试验，计算转动惯量；有效避免了常规100％和50％甩负荷试验过程中的安全风险。

附图说明

图1为本发明提出的汽轮机轴系转动惯量测算系统总成图；

图2为汽轮机轴系转动惯量的计算流程图；

图3为采样率适中时录波仪得到的信号波动图；

图4为采样率过大时录波仪得到的信号波动图。

附图标记说明：汽轮机1、转轴2、齿轮盘3、磁阻式传感器4、录波仪5、计算机6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例一

作为一种实施例，如图1所示的一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统，其特征在于，包括：转轴2、齿轮盘3、磁阻式传感器4、录波仪5和计算机6；

所述汽轮机轴系转动惯量测算的系统通过转轴2安装在汽轮机1上；转轴2的另一端连接齿轮盘3中心，齿轮盘正上方固定有磁阻式传感器4，磁阻式传感器4连接录波仪5，录波仪5与计算机6连接。录波仪为具有16位采样位数、最大采样频率200kHz的高精度高速采样设备，可依据上升沿或下降沿信号触发自动采集和保存。系统可通过甩负荷试验，采集齿轮盘经过磁阻式传感器输出的电压信号，并根据信号变化计算汽轮机轴系转速、加速度和转动惯量。

实施例二

根据实施例一，本发明提供另一种实施例，如图1至图4所示，这种汽轮机轴系转动惯量测算系统的测量方法包括以下步骤：

S1、使用起始负荷为20％-30％的工况进行甩负荷试验，启动汽轮机1，汽轮机1在正常运行时转速稳定在3000r/min，使转轴2带动齿轮盘3转动，使用录波仪5对磁阻式传感器4得到的电压数据进行采样，并传输至计算机6中；

在汽轮机进行甩负荷试验时，录波仪采集齿轮盘经过磁阻式传感器时产生的交变信号和发电机脱网信号，并自动保存所需时间段的信号；录波仪的采样频率根据汽轮机轴转速和齿轮盘齿数确定，根据汽轮机组在正常运行时，转速稳定在3000r/min(50hz)的特点，录波仪的采样率为齿信号频率的4倍，齿轮盘齿数为n，录波仪的采样率设置为4×50×n＝200nHz。当发电机发生脱网时，以发电机脱网信号为参考信号，使用录波仪5截取脱网信号前60s的数据进行采样；

S2、根据交变信号存在波峰波谷的特性，搜寻交变信号中的波峰点，并根据波峰点对信号进行划分，建立齿轮盘单齿信号序列；

S2.1搜寻波峰点：当第p采样点的电压值V_P同时大于前一采样点V_P-1和后一采样点V_P+1的值时，即同时满足V_P-V_P-1>0和V_P-V_P+1>0时，定义点p为信号的波峰点；

S2.2根据搜寻得到的波峰点建立波峰点序列P＝(P₁,P₂……P_n),其中P_n的值为第n个波峰点在原始采样数据中的序号；

S2.3对该序列进行验证：令T_i＝P_i+1-P_i，得到序列T＝(T₁,T₂……T_n)；观察序列T中的单位值，如序列T中单元值的偏差大于等于10％，表明采样率设置过大，如图4所示，采样率设置过大会采集到多个电压值基本接近的波峰电压，在实际使用中这些波峰点无实际物理意义，需对原始数据按间隔采样的方式处理；重新按照步骤S2.1和步骤S2.2所述方法得到新的序列P并重新验证，直至序列T中单位值的偏差小于10％，如图3所示；

S2.4建立齿轮盘单齿信号序列：验证通过后以波峰点为间断点对信号进行划分，划分后相邻波峰点间的数据为齿轮盘3单齿经过传感器的信号；

S3、将相邻的k个单齿信号合并为一个集合，根据采样周期t_o计算集合的时间间隔，时间间隔t_i＝(P_i+k-P_i)×t₀，在i时刻的转速S_i＝60k/t_i，依次计算得到集合的转速时间序列S＝(s₁,s₂……s_n)；

S4、根据转速时间序列绘制转速曲线；观察转速曲线是否平滑和是否存在阶梯状特征；如曲线不平滑则减少k值，如曲线存在阶梯状特征则增大k值，直至获得平滑无阶梯状特征的转速曲线；

S5、根据转速时间序列，计算转速加速度，转速加速度a_i＝s_i+1-s_i，依次计算得到转速加速度序列A＝(a₁,a₂……a_n)，取转速达到峰值前的最大加速度值为甩负荷瞬时加速度，然后按照公式计算转动惯量；

转动惯量的计算公式为

式中：

J为转子转动惯量，单位为kg×m²；

n₀为甩负荷瞬间的初始转速，取转速时间序列在参考信号前的第一个值；

P₀为甩负荷瞬间的发电机负荷值，通过测量得到；

ω₀为甩负荷瞬间的初始角速度，根据n₀求得；

a为甩负荷瞬时加速度；

η为发电机效率，甩负荷初始的电磁损耗变化忽略不计，以99％计算。

Claims (7)

1.一种汽轮机轴系转动惯量测算的系统，其特征在于，包括：转轴(2)、齿轮盘(3)、磁阻式传感器(4)、录波仪(5)和计算机(6)；

所述汽轮机轴系转动惯量测算的系统通过转轴(2)安装在汽轮机(1)上；转轴(2)的另一端连接齿轮盘(3)中心，齿轮盘径向上固定有磁阻式传感器(4)，磁阻式传感器(4)连接录波仪(5)，录波仪(5)与计算机(6)连接。

2.如权利要求1所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、启动汽轮机(1)，使转轴(2)带动齿轮盘(3)转动，使用录波仪(5)对磁阻式传感器(4)得到的电压数据进行采样，并传输至计算机(6)中；以发电机脱网信号为参考信号，截取数据；

S2、根据交变信号存在波峰波谷的特性，搜寻交变信号波峰点，建立波峰点序列P＝(P₁，P₂......P_n)；根据波峰点对信号进行划分，并建立齿轮盘(3)的单齿信号序列；

S3、将相邻的k个单齿信号合并为一个集合，根据采样周期t_o计算集合的时间间隔，时间间隔t_i＝(P_i+k-P_i)×t₀，在i时刻的转速S_i＝60k/t_i，依次计算得到集合的转速时间序列S＝(s₁，s₂......s_n)；

S4、根据转速时间序列绘制转速曲线；

S5、根据转速时间序列，计算转速加速度，转速加速度a_i＝s_i+1-s_i，依次计算得到转速加速度序列A＝(a₁，a₂......a_n)，取转速达到峰值前的最大加速度值为甩负荷瞬时加速度，然后按照公式计算转动惯量。

3.根据权利要求2所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，步骤S1中：使用起始负荷为20％-30％的工况进行甩负荷试验，汽轮机(1)在正常运行时转速为v₀，当发电机发生脱网时，截取脱网信号前一段时间的数据；设置录波仪(5)的采样率为齿信号频率的a倍，齿轮盘(3)的齿数为n，录波仪的采样率设置为a·v₀·nHz。

4.据权利要求3所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，步骤S1中：a大于3。

5.根据权利要求2所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S2.1搜寻波峰点：当第p采样点的电压值V_P同时大于前一采样点V_P-1和后一采样点V_P+1的值时，定义该点为信号的波峰点，即同时满足V_P-V_P-1＞0和V_P-V_P+1＞0的点p为波峰点；

S2.2根据搜寻得到的波峰点建立波峰点序列P＝(P₁，P₂......P_n)，其中P_n的值为第n个波峰点在原始采样数据中的序号；

S2.3对该序列进行验证：令T_i＝P_i+1-P_i，得到序列T＝(T₁，T₂......T_n)，如序列T中单元值的偏差大于等于10％，表明采样率设置过大，需对原始数据按间隔采样的方式处理，并重新按照步骤S2.1和步骤S2.2所述方法得到新的序列P并重新验证，直至序列T中的单位值的偏差小于10％；

S2.4建立齿轮盘单齿信号序列：验证通过后以波峰点为间断点对信号进行划分，划分后相邻波峰点间的数据为齿轮盘(3)单齿经过传感器的信号。

6.根据权利要求2所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，步骤S4中：观察转速曲线是否平滑和是否存在阶梯状特征；如曲线不平滑则减少k值，如曲线存在阶梯状特征则增大k值，直至获得平滑无阶梯状特征的转速曲线。

7.根据权利要求2所述的汽轮机轴系转动惯量测算系统的测算方法，其特征在于，步骤S5中：转动惯量的计算公式为

式中：

J为转子转动惯量，单位为kg×m²；

n₀为甩负荷瞬间的初始转速，取转速时间序列在参考信号前的第一个值；

P₀为甩负荷瞬间的发电机负荷值，通过测量得到；

ω₀为甩负荷瞬间的初始角速度，根据n₀求得；

a为甩负荷瞬时加速度；

η为发电机效率，甩负荷初始的电磁损耗变化忽略不计，以99％计算。

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