汽轮机测温系统设计毕业设计论文Word格式.docx
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电力工业是国民经济的一项基础产业，也是国民经济发展的先行产业，世界各国的发展表明：
国民经济每增长1％，电力工业要相应增长1.3%～1.5%才能为国民经济其他各部门的快速稳定发展提供足够的动力。
在现代社会中，电力工业的发展水平已成为反映国家经济发达程度的重要标志；
人均消费电能的数量也成为衡量人们现代生活水平的重要指标。
因此电力生产量是一个国家经济发展水平的重要标志之一，在现代电力工业中，火力发电数量上比重最大，其次是水电和核电。
而在火力发电厂和核电站中，绝大多数都是以汽轮机拖动发电机来生产电能的，汽轮发电机组为人类提供了80%左右的电能，再一次奠定了汽轮机在现代电力工业中的地位。
通常情况下，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能，即汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械,是主要用作发电用的原动机。
然而在汽轮机的工作过程中,热应力是汽轮机运行过程中发生设备故障的主要根源——由汽轮机受热产生。
因此,在汽轮机运行过程中,温度的变化是最主要的变化,它对机组的安全影响非常大。
1.2研究目的及意义
汽轮机是将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。
汽轮机组的安全运行十分重要。
比如，按0.29元/度电的上网电价计算，一台600MW的机组如果故障停机24小时所带来的直接经济损失将达到417.6万元，同时，机组的非计划停机将对电网产生巨大扰动，有可能会使故障进一步扩大而引发电网或其它机组故障。
此外，停机将会使一些负荷失电，给国民生产带来影响。
因此，应大力加强对机组的安全运行监测，在最大限度上实现安全生产。
而在汽轮机实际运行中，由于各种因素的影响，永久完全正常运转是不可能的，要求绝对不出现故障也是难以做到的。
有些故障的出现，不是运行操作方面的原因，而是由于其他原因造成的，诸如设备本身的质量、外界的影响、自然条件、偶然原因等。
其中温度的变化在汽轮机的正常运转过程中起到了一个举足轻重的角色。
所以随着电气工业生产自动化程度越来越高，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的要求也越来越高。
由于测温时的会受到各种干扰，影响了测温精度，需要进行滤波。
传统仪器和方法一般都是通过硬件电路实现，这样就存在电路复杂、成本较高、性能不够稳定等问题。
另外除了要显示实时温度外，往往还要能够方便的实现报警、显示温度变化趋势、对所测温度进行一定的统计分析等功能。
因此传统的以硬件为主的测温系统在很多场合已不能适应现代测温的要求。
以虚拟仪器为代表的虚拟测试技术可以较好的解决这些问题。
虚拟仪器是利用PC计算机显示器（CRT）的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
软件开发是虚拟测试系统的关键部分，在众多的开发软件中又以美国国家仪器公司开发的图形化编程语言LABVIEW应用最广、功能最强[1]。
1.3研究内容
影响汽轮机运行的温度变化主要由主蒸汽温度、润滑油温度和水循环温度变化组成。
（1）主蒸汽温度变化对汽轮机运行的影响
主蒸汽温度升高：
主蒸汽温度升高从经济性角度来看对机组是有利的，它不仅提高了循环热效率，而且减少了汽轮机的排汽湿度。
但从安全角度来看，主蒸汽温度的上升会引起金属材料性能恶化，缩短某些部件的使用寿命，如主汽阀、调节阀、轴封、法兰、螺栓以及高压管道等。
对于超高参数机组，即使主蒸汽温度上升不多也可能引起金属急剧的蠕变，使许用应力大幅度的降低。
因此绝大多数情况下不允许升高初温运行的。
主蒸汽温度降低：
在机组额定负荷下主蒸汽温度下降将会引起蒸汽流量增大，各监视段压力上升。
此时调节级是安全的，但是非调节级尤其是最末几级焓降和主蒸汽流量同时增大将产生过负荷，是比较危险的。
同时，蒸汽温度下降会引起末几级叶片湿度的增加，增大了湿汽损失，同时也加剧了末几级叶片的冲蚀作用，直接威胁倒汽轮机的安全运行。
因此，在主蒸汽温度降低的同时应降低压力，是汽轮机热力过程线尽量与设计工况下的热力过程线重合，以提高机组排汽干度。
因此机组的功率限制较大，必要时应申请减负荷运行。
所以，主蒸汽温度我们应该控制在520～550℃之间。
（2）润滑油温度对汽轮机运行的影响
汽轮机机组起动前应先投入油系统，此时油温控制在40～42℃之间。
润滑油对压缩机的轴承起润滑作用，减少摩擦力，同时将摩擦产生的热量带走，冷却轴承。
润滑油温过高，使冷却轴承的效果不好，造成轴承温度升高；
此外，油温升高还会使润滑油的黏度下降，容易引起局部油膜破坏，润滑失效，降低轴承的承载能力，甚至发生润滑油碳化而烧瓦。
润滑油温过低，会使油的黏度增加，从而使油膜润滑摩擦力增大，轴承耗功率增加。
此外，还会使油膜变厚，产生因油膜振动引起的机器振动。
因此，润滑油进油温度不应低于40℃，出油温度不高于70℃。
（3）水循环温度
润滑油温的变化可以通过加热器及冷却器的冷却水流量的大小来调节。
油温过低时，可启动油加热器，关闭或调小冷却水流量；
油温过高时，可以开大冷却水量。
如果仍然不见效，应检查油压是否下降，冷却器是否脏污或堵塞，再者检查轴承是否损坏。
但由于润滑油油温的局限和控制性，循环水温应该控制在25～40℃之间，以保证润滑油油温保持在我们所规定的范围。
本论文以目前30MW汽轮机的温度监测为研究对象，依托LabVIEW这一强大的测试平台，对汽轮机的测温系统进行设计。
主要完成主蒸汽温度点采集、润滑油温度采集、水循环系统温度采集，并对这些采集到的数据进行分析、显示与控制。
第二章总体设计
2.1总体流程图
汽轮机温度测试系统总体流程如图2-1所示。
由一台通用计算机作为操作平台，利用LabVIEW8.5开发出虚拟温度测试系统。
系统由温度传感器、调理电路、数据采集卡、计算机几部分组成。
由温度传感器把被测温度物理参数转化为模拟电压信号，再进行放大滤波，模拟电压信号通过数据采集卡转化为数字信号，然后输入到计算机进行信号的处理。
图2-1温度测试系统总体流程图
图2-1中各部分功能简述如下：
（1）传感器：
传感器的作用是按一定规律将被检测量转换为数据采集系统能够测量的电信号，它所产生的电信号与它所检测的物理量成比例的变化。
即把各种需采集的物理信号转换成电信号。
（2）信号调理：
从传感器输出地信号必须经过调理才能够进入数据采集部分。
信号调理的作用是将传感器产生的低电平信号进行缓冲、放大、衰减、隔离、滤波，以及线性化等，以获得所需的归一化信号。
（3）数据采集硬件：
包括采样保持器和模数转换器，是决定采集系统性能的核心。
（4）计算机操作平台：
虚拟仪器就是利用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路来完成所要实现的功能。
（5）数字滤波：
数字滤波是数字信号分析中最重要的组成部分之一，利用离散时间系统的特性对输入信号波形（或频谱）进行加工处理，把输入序列x（n）变换成一定的输出序列y（n）从而达到改变信号频谱的目的。
（6）系统登录：
在设计整个测温系统中，系统登录模块作为软件测试系统的
（7）数据采集：
从传感器自动采集信息的过程。
数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
（8）数据存储：
是数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程中需要查找的信息。
数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。
（9）实时数据显示：
当前数据的系统显示，反映当前数据的状态。
（10）数据分析：
数据分析是组织有目的地收集数据、分析数据，使之成为信息的过程。
（11）帮助
2.2模块化设计
在明确了系统设计流程之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。
模块化结构是所有设计良好的软件系统的基本特点，任何一个大的程序系统，总是由若干功能相对独立的模块组成。
本系统软件设计部分包括系统登录模块、数据采集模块、数据存储模块、实时数据显示模块、数据分析模块以及帮助模块。
具体模块结构如下图所示。
图2-2模块设计图
第三章理论分析及设备选型
3.1虚拟仪器
3.1.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NationalInstruments）最先提出的。
所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；
可集成于自动控制、工业控制系统之中；
可自由构建成专有仪器系统。
虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。
虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。
该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。
虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。
3.1.2虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图3-1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。
这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。
虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。
源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。
由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。
这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。
图3-1虚拟仪器开发框图
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。
虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。
它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；
它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程[2]。
3.1.3虚拟仪器和传统仪器的比较
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表3.1所示）。
在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。
在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。
（1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。
由此导致许多识读和操作错误。
虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。
同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。
（2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。
（3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。
（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。
（5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
（6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。
（7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。
（8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期[11]。
表3.1虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器
传统仪器
开发维护费用低
开发维护费用高
技术更新周期短（0.5～1年）
技术更新周期短（5～10年）
软件是关键
硬件是关键
价格低
价格昂贵
开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置
固定
可用网络联络周边各仪器
只可连有限的设备
自动化、智能化、多功能、远距离传输
功能单一，操作不便
近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。
这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet的一部分，实现现场监控和管理[6]。
3.1.4虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图3-2所示。
用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。
以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。
这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。
随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便[3]。
图3-2虚拟仪器软件结构
3.1.5LabVIEW简介
LabVlEW是NI公司推出的虚拟仪器开发工具，它采用图形化编程语言———G语言，易学易用。
它的功能强大灵活，既可以和采集设备、控制设备等硬件进行通信，也可以和GPIB、PXI、RS-232、VXI仪器通信，简化了虚拟仪器的开发过程，缩短了系统开发和调试时间，广泛应用于工业自动化、试验测量、数据采集及处理等各个领域。
LabVIEW提供了完成数据采集、分析、显示存储数据，仪器控制应用所需要的工具。
现在推出的LabVIEW8.5具有比以往版本都丰富的工程技术，它的主要创新包括增强的开发环境、交互式测量、更广泛的嵌入对象等。
一个LabVIEW程序一般包括两个主要部分：
前面板、框图程序[4]。
3.2传感器的选型及其测温基本原理
选择传感器时要根据使用温度范围、所需精度、使用环境、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合考虑。
从结构上看热电偶是十分简单的，但其理论却比较复杂，它是一种能获得高测量准确度的仪器，但也是一种容易出现误差的仪器。
对热电偶的理论和特性如果不作较深入的了解，不仅其潜力不能充分发挥，往往还会发生选配错误和使用不当，造成较大的测量误差。
3.2.1热电偶基本概念
热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。
如图3-3所示，把两种不同的导体（或半导体）A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如T>
则回路中就会产生热电势
（T,
）。
导体A和B叫做热电极。
两热电极A和B的组合称作热电偶。
在两个接点中，接点1是将两电极焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；
接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。
图3-3热电偶结构图
3.2.2热电偶测温原理
热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。
该热电势是由两部分组成：
接触电势与温差电势。
（1）接触电势
接触电势是基于帕尔贴效应产生的，即两种不同导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至达到动态平衡时形成的热电势。
电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。
设导体A和B的电子密度分别为
、
，并且
>
则在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因推动电子而带正电，导体B因获得电子而带负电，因此，在A和B之间形成了电势差。
这个电势在A、B接触处形成一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。
在某一温度下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势，如图3-3所示。
（3.1）
式中，e为单位电荷，
;
K为玻耳兹曼常数，
J/K；
分别为导体A和B的两个接点在温度T和
时的电位差。
即导体A在温度分别为T和
时的电子密度，
即导体B在温度分别为T和
时的电子密度。
从式3.1可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。
（2）单一导体中的温差电势
温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
设导体A（或B）两端温度分别为
和
且
此时形成温度梯度，使高温的电子能量大于低温端的电子能量，因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。
因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使电子扩散达到动态平衡，此时所形成的电位差称作温差电势。
A,B导体分别都有温差电势产生，可由式3.2表示
（3.2）
式中，
分别为导体A、B在某温度T时的电子密度；
分别为A和B两端在
（
）时的温差电势。
（3）热电偶闭合回路的总电势
如图3-4所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势
及两个接触电势
。
设
，由于温差电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触电势
所占百分比最大，决定了总电势的方向，这时总电势
可写成：
=
（3.3）
图3-4热电偶闭合回路的电势分布示意图
经整理后推导可得
（3.4）
由式3.4可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。
电子密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数。
所以，当热电偶材料一定时，热电偶的总电势
成为温
的函数差，即
（3.5）
如果能使冷端温度
固定，即
（常数），则对确定的热电偶材料，其总电势
就只与热端温度呈单值函数关系，即
（3.6）
这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。
由此可见，当保持热电偶冷端温度
不变时，只要用仪表测得热电势
，就可求得被测温度。
由于主蒸汽温度和再热蒸汽温度的测量范围为0～600℃，而汽轮机也是工作在强的氧化和弱的还原气氛中，所以选择K型热电偶传感器。
3.2.3K型热电偶
K型热电偶作为一种温度传感器，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。
它可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。
广泛为用户所采用[16]。
3.2.4热电阻传感器
金属热电阻传感器（简称热电阻传感器）是利用导体的电阻随温度变化的特性，对温度与温度有关的参数进行检测的装置。
热电阻传感器的主要优点是：
测量精度高；
有较大的测量范围，尤其在低温方面；
易于使用在自动测量和远距离测量中；
与热电偶相比，它没有参比端误差问题。
热电阻传感器之所以有较高的测量精度，主要是一些材料的电阻温度特性稳定，复现性好。
典型情况下，热电阻具有较高的灵敏度，这使得它对于温度的变化非常灵敏。
热电阻传感器一般常用于-200～600℃的温度测量，有助于在较低温度的应用中提供精确的测量结果。
润滑油温度、回油温度以及排气温度的测量范围为0℃到300℃，于是我们选择PT100热电阻传感器。
3.2.5PT100热电阻传感器
热电阻PT100是中低温区最常用的一种温度检测器，它的阻值会随着温度的变化而改变。
PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为13
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