CN115290919A - 一种非常规的汽轮机转速测量方法 - Google Patents

一种非常规的汽轮机转速测量方法 Download PDF

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马连敏
杨典杰
智奕
于君君
初宏
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Abstract

本发明公开了一种非常规的汽轮机转速测量方法，涉及汽轮机转速测量领域，包括获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压，获取副励磁机输出端电压的频率变化情况，将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压，将频率变化进行模数转换，将模数转换结果传输至转速显示器；本发明利用汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，该电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高；此时通过测量自励式发电机的副励磁机输出端电压的频率变化，经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压或直流电流，再经模数转换装置后，即可实现非常规方式汽轮机转速的测量。

Description

一种非常规的汽轮机转速测量方法
技术领域
本发明涉及汽轮机转速测量技术领域，尤其涉及一种非常规的汽轮机转速测量方法。
背景技术
对于近些年国内生产的汽轮发电机，汽轮机转子均在不同位置上设计了两套测速齿盘，可安装两套测速装置，完全满足上述要求。但对于九十年代的国产老型号汽轮机，汽轮机转子基本上仅设置-一套测速齿盘，即仅能安装-一套测速齿盘和转速测量装置，无法满足相关政策的要求，因此，需要再装一套汽轮机测速装置。
目前，按照常规的测速方式来看，需要在汽轮机转子上再增加一套测速齿盘加电涡流探头，这几乎是不可能的，因为汽轮机转子正常运行时是以3000 转/分的转速在高速运转，转子平衡稍微发生一点偏差就会导致汽轮机振动加剧，更别提在现有基础上增加一个重达50kg的测速盘了，而且，如要增加此类装置，需整体返厂定制加工，费用可能超过500万人民币。显然按照常规方式新增一套测速装置是行不通的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在难以按照常规方式对老型号汽轮机的转速进行测量，以及现有改装方式费用花费巨大的缺点，而提出的一种非常规的汽轮机转速测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种非常规的汽轮机转速测量方法，步骤如下：
S1、获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压；
S2、获取副励磁机输出端电压的频率变化情况；
S3、将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压；
S4、将频率变化进行模数转换；
S5、将模数转换结果传输至转速显示器。
优选地，所述获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压，具体包括：
在自励式发电机的副励磁机输出端接线柱上连接电压测量仪，由于副励磁机为永磁转子，可在汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，以此即可通过电压测量仪获取自励式发电机转动时，副励磁机输出端的实时电压。
优选地，所述获取副励磁机输出端电压的频率变化情况，具体包括：
将实时获取的副励磁机输出端电压输入至电压频率转换器，利用电压频率转换器将电压信号转换为频率信号；且电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高。
优选地，所述将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压，具体包括：
将频率信号经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压；
其中频率变送器转换的计算方法主要包括：对畸变的电压波形计算、对谐波信号加窗、离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算、求取基波频率、基波及谐波幅值和相角的修正；
其中，对畸变的电压波形计算如下：
Figure BDA0003587808770000021
式中：u(t)是畸变的电压波形，f是基波频率，h为谐波次数，Uh为h次谐波幅值，
Figure BDA0003587808770000022
为h次谐波相角，p为波形中含有的最大谐波次数；
对上述电压波形采样得以下表达式：
Figure BDA0003587808770000023
式中：fs是采样频率，N为采样数据长度；
其中，对谐波信号加窗计算如下：
Figure BDA0003587808770000031
式中：M为窗口数相数，am为窗函数常系数；
其中，离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算如下：
Figure BDA0003587808770000032
式中：
Figure BDA0003587808770000033
为频率间隔，k为抽烟频率序号，C为复数常数，
Figure BDA0003587808770000034
为窗口数Wn的频谱函数；
其中，求取基波频率计算如下：
Figure BDA0003587808770000035
其中，基波及谐波幅值和相角的修正计算如下：
Figure BDA0003587808770000036
优选地，所述将频率变化进行模数转换，具体包括：
通过数模转换器对模拟信号进行数字化处理；
利用远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，并输出一位的数字位流；
采用数字滤通器滤除模数转换中存在的量化噪声；
对数据位流进行减取样，得到最终的量化结果。
其中，任何模数转换器，量化噪声引入的误差是制约其转换精度的主要原因之一，模数转换器为了减小量化误差，达到提高转换精度的目的采用了噪声整形的技术，为了更好地说明噪声整形，引用如下计算公式进行说明：
设量化噪声源Ns，令噪声源Ns＝0，有
Figure BDA0003587808770000037
得到输入信号的传输函数：
Figure BDA0003587808770000041
再令输入信号Xs＝0，有
Figure BDA0003587808770000042
得到量化噪声的传输函数：
Figure BDA0003587808770000043
从以上分析的结果可知,模数转换器对输入信号是一个低通滤波器,对噪声而言则是一个高通滤波器，利用模数转换器对这两种不同信号的不同传输特性, 模数转换器以远大于奈奎斯特频率的采样率对被测信号进行过采样,使噪声的频谱结构发生变化，结果是噪声分布的频率范围扩大了，但幅度减小，由于模数转换器对量化噪声相当于一个高通滤波器，大部分的量化噪声被推向高频部分；这样，在转换信号带宽之内的量化噪声功率会大为减少，而那些分布在带宽之外的量化噪声可由其后的数字低通滤波器滤除，模数转换器利用过采样和自身的传输特性改变量化噪声频谱，使整个***量化噪声得到减少，从而达到提高转换精度的目的的过程被称之为噪声整形；值得注意的是，噪声整形没有改变总的量化噪声功率，但改变了它在频域的能量分布。
优选地，所述将模数转换结果传输至转速显示器，具体包括：
采用转速测量公式计算模数转换后的汽轮机转速，
其中，转速测量公式如下：
Figure BDA0003587808770000044
式中：n是副励磁机的转速，f是上述过程中所得频率，p是定子的磁极对数；
将计算得到的转速数值通过电讯网络通道传输至转速显示器上，并将此部分数据存储至云端网络平台内。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
本发明利用老型号汽轮机发电机的汽轮机转子、发电机转子、主励磁机转子、副励磁机转子均为同轴的特点，且副励磁机为永磁转子，可在汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，该电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高；此时通过测量自励式发电机的副励磁机输出端电压的频率变化，经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压或直流电流，再经模数转换装置后，即可实现非常规方式汽轮机转速的测量。
附图说明
图1为本发明提出的一种非常规的汽轮机转速测量方法的步骤流程结构图；
图2为本发明提出的一种非常规的汽轮机转速测量方法的计算机设备结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种非常规的汽轮机转速测量方法，步骤如下：
S1、获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压，具体包括：
在自励式发电机的副励磁机输出端接线柱上连接电压测量仪，由于副励磁机为永磁转子，可在汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，以此即可通过电压测量仪获取自励式发电机转动时，副励磁机输出端的实时电压。
S2、获取副励磁机输出端电压的频率变化情况，具体包括：
将实时获取的副励磁机输出端电压输入至电压频率转换器，利用电压频率转换器将电压信号转换为频率信号；且电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高。
S3、将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压，具体包括：
将频率信号经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压；
其中频率变送器转换的计算方法主要包括：对畸变的电压波形计算、对谐波信号加窗、离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算、求取基波频率、基波及谐波幅值和相角的修正；
其中，对畸变的电压波形计算如下：
Figure BDA0003587808770000061
式中：u(t)是畸变的电压波形，f是基波频率，h为谐波次数，Uh为h次谐波幅值，
Figure BDA0003587808770000062
为h次谐波相角，p为波形中含有的最大谐波次数；
对上述电压波形采样得以下表达式：
Figure BDA0003587808770000063
式中：fs是采样频率，N为采样数据长度；
其中，对谐波信号加窗计算如下：
Figure BDA0003587808770000064
式中：M为窗口数相数，am为窗函数常系数；
其中，离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算如下：
Figure BDA0003587808770000065
式中：
Figure BDA0003587808770000071
为频率间隔，k为抽烟频率序号，C为复数常数，
Figure BDA0003587808770000072
为窗口数Wn的频谱函数；
其中，求取基波频率计算如下：
Figure BDA0003587808770000073
其中，基波及谐波幅值和相角的修正计算如下：
Figure BDA0003587808770000074
其中，基于Rife-Vi ncent窗的插值FFT谐波相量计算方法，给出了频率、幅值和相角的计算公式，能减少频谱泄漏对信号分析的影响，降低谐波间的相互干扰，提高信号分析精度，实现对复杂谐波信号相量的准确分析与计算。
S4、将频率变化进行模数转换，具体包括：
通过数模转换器对模拟信号进行数字化处理；
利用远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，并输出一位的数字位流；
采用数字滤通器滤除模数转换中存在的量化噪声；
对数据位流进行减取样，得到最终的量化结果。
其中，任何模数转换器,量化噪声引入的误差是制约其转换精度的主要原因之一，模数转换器为了减小量化误差,达到提高转换精度的目的采用了噪声整形的技术，为了更好地说明噪声整形，引用如下计算公式进行说明：
设量化噪声源Ns，令噪声源Ns＝0，有
Figure BDA0003587808770000075
得到输入信号的传输函数：
Figure BDA0003587808770000076
再令输入信号Xs＝0，有
Figure BDA0003587808770000081
得到量化噪声的传输函数：
Figure BDA0003587808770000082
从以上分析的结果可知,模数转换器对输入信号是一个低通滤波器,对噪声而言则是一个高通滤波器，利用模数转换器对这两种不同信号的不同传输特性, 模数转换器以远大于奈奎斯特频率的采样率对被测信号进行过采样,使噪声的频谱结构发生变化，结果是噪声分布的频率范围扩大了，但幅度减小，由于模数转换器对量化噪声相当于一个高通滤波器，大部分的量化噪声被推向高频部分；这样，在转换信号带宽之内的量化噪声功率会大为减少，而那些分布在带宽之外的量化噪声可由其后的数字低通滤波器滤除，模数转换器利用过采样和自身的传输特性改变量化噪声频谱，使整个***量化噪声得到减少，从而达到提高转换精度的目的的过程被称之为噪声整形；值得注意的是，噪声整形没有改变总的量化噪声功率，但改变了它在频域的能量分布。
其中，模数转换器具有较高的转换精度和性价比，且使用方便，它的使用将会提高整个***的性能，为***的硬件设计和调试提供了很多方便之处。
S5、将模数转换结果传输至转速显示器，具体包括：
采用转速测量公式计算模数转换后的汽轮机转速，
其中，转速测量公式如下：
Figure BDA0003587808770000083
式中：n是副励磁机的转速，f是上述过程中所得频率，p是定子的磁极对数；
其中，副励磁机电压的实时频率f可通过测量获得，副励磁机的磁极对数p 为已知量。
将计算得到的转速数值通过电讯网络通道传输至转速显示器上，并将此部分数据存储至云端网络平台内。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机可读指令，处理器执行计算机可读指令时实现非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被处理器执行时实现非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
本发明，利用老型号汽轮机发电机的汽轮机转子、发电机转子、主励磁机转子、副励磁机转子均为同轴的特点，且副励磁机为永磁转子，可在汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，该电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高；此时通过测量自励式发电机的副励磁机输出端电压的频率变化，经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压或直流电流，再经模数转换装置后，即可实现非常规方式汽轮机转速的测量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，步骤如下：
获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压；
获取副励磁机输出端电压的频率变化情况；
将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压；
将频率变化进行模数转换；
将模数转换结果传输至转速显示器。
2.根据权利要求1所述的一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，所述获取实时自励式发电机的副励磁机输出端电压，具体包括：
在自励式发电机的副励磁机输出端接线柱上连接电压测量仪，由于副励磁机为永磁转子，可在汽轮机转子旋转的同时自激产生副励电压，以此即可通过电压测量仪获取自励式发电机转动时，副励磁机输出端的实时电压。
3.根据权利要求1所述的一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，所述获取副励磁机输出端电压的频率变化情况，具体包括：
将实时获取的副励磁机输出端电压输入至电压频率转换器，利用电压频率转换器将电压信号转换为频率信号；且电压的变化频率随励磁机极对数不同和转子转速的不同而变化，转子转速越快，励磁电压的相位变化频率越高。
4.根据权利要求1所述的一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，所述将频率转换成按线性比例输出的标准直流电压，具体包括：
将频率信号经频率变送器转换成按线性比例输出的标准直流电压；
其中频率变送器转换的计算方法主要包括：对畸变的电压波形计算、对谐波信号加窗、离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算、求取基波频率、基波及谐波幅值和相角的修正；
其中，对畸变的电压波形计算如下：
Figure FDA0003587808760000011
式中：u(t)是畸变的电压波形，f是基波频率，h为谐波次数，Uh为h次谐波幅值，
Figure FDA0003587808760000021
为h次谐波相角，p为波形中含有的最大谐波次数；
对上述电压波形采样得以下表达式：
Figure FDA0003587808760000022
式中：fs是采样频率，N为采样数据长度；
其中，对谐波信号加窗计算如下：
Figure FDA0003587808760000023
式中：M为窗口数相数，am为窗函数常系数；
其中，离散傅里叶变换以及双谱线插值FFT运算如下：
Figure FDA0003587808760000024
式中：
Figure FDA0003587808760000025
为频率间隔，k为抽烟频率序号，C为复数常数，
Figure FDA0003587808760000026
为窗口数Wn的频谱函数；
其中，求取基波频率计算如下：
Figure FDA0003587808760000027
其中，基波及谐波幅值和相角的修正计算如下：
Figure FDA0003587808760000028
5.根据权利要求1所述的一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，所述将频率变化进行模数转换，具体包括：
通过数模转换器对模拟信号进行数字化处理；
利用远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，并输出一位的数字位流；
采用数字滤通器滤除模数转换中存在的量化噪声；
对数据位流进行减取样，得到最终的量化结果。
6.根据权利要求1所述的一种非常规的汽轮机转速测量方法，其特征在于，所述将模数转换结果传输至转速显示器，具体包括：
采用转速测量公式计算模数转换后的汽轮机转速，
其中，转速测量公式如下：
Figure FDA0003587808760000031
式中：n是副励磁机的转速，f是上述过程中所得频率，p是定子的磁极对数；
将计算得到的转速数值通过电讯网络通道传输至转速显示器上，并将此部分数据存储至云端网络平台内。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如权利要求1至6中任一项所述的非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的非常规的汽轮机转速测量方法的步骤。
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