汽輪機TSI系統(tǒng)的原理與應用

張 亮

（東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

隨著機組容量的不斷擴大,蒸汽參數(shù)越來越高,熱力系統(tǒng)也越來越復雜。為了確保汽輪機的安全運行,在汽輪機上都裝有各種類型的安全保護裝置,以便對各種重要熱工參數(shù)、振動和位移等進行連續(xù)監(jiān)視和保護,以便在機器嚴重受損之前,預警事故先兆,并在事故即將發(fā)生之時關閉系統(tǒng),從而大大提高了設備的安全使用程度。因此,汽輪機安全監(jiān)視及保護系統(tǒng)（TSI）是一種集監(jiān)測和保護功能于一體的系統(tǒng),是大型旋轉機械必不可少的裝備。

TSI系統(tǒng)主要由傳感器及智能板件組成。傳感器是將機械振動量、位移、轉速轉換為電量的機電轉換裝置。根據(jù)傳感器的性能和測試對象的要求,利用電渦流傳感器,對汽輪機組的轉速、偏心、軸位移、軸振動、脹差進行測量;利用速度傳感器對蓋振進行測量;利用線性可變差動變壓器（LVDT）對熱膨脹進行測量。另外,還可利用差動式磁感應傳感器來測量機組的轉速,其中渦流傳感器在汽輪機的安全監(jiān)控中發(fā)揮了重要作用。

1 電渦流傳感器

電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的,它與被測物之間沒有直接的機械接觸,具有很寬的使用頻率范圍（0～10 Hz）。電渦流傳感器的變換原理是傳感器的端部有一線圈,線圈通以頻率較高（一般為1～2 MHz）的交變電壓（見圖1）,當線圈平面靠近某一導體面時,由于線圈磁通鏈穿過導體,使導體的表面層感應出一渦流ie,而ie所形成的磁通鏈又穿過原線圈,這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感,最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數(shù)的大小又與二者之間的距離及導體的材料有關,當材料給定時,耦合系數(shù)K1與距離d有關,K=K1（d）,當距離d增加,耦合減弱,K值減小,使等效電感增加,因此,測定等效電感的變化,也就間接測定d的變化。

圖1 渦流傳感器原理簡圖

圖2 前置器原理簡圖

由于傳感器反饋回的電感電壓有一定頻率（載波頻率）的調幅信號,需檢波后才能得到間隙隨時間變化的電壓波形。根據(jù)以上原理,為實現(xiàn)電渦流位移測量,必須有一個專用的測量路線。這一測量路線（簡稱前置器）應包括具有一定頻率的穩(wěn)定的振蕩器和一個檢波電路等。渦流傳感器加上一測量線路（前置器）,如圖2所示。從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓,可分兩部分：一部分為直流電壓Vde,對應于平均間隙（或初始間隙）,另一部分為交流電壓Vac,對應于振動間隙。

2 傳感器安裝與測量

2.1 轉速及零轉速

轉速值顯示是汽輪機組開車、停車以及穩(wěn)定運行時的重要參數(shù),振動值與機器轉速的相關性對最終分析機器性能十分重要。例如：在機器停車過程中,轉速突然下降,會意味著機器內部存在著大面積的金屬摩碰。而零轉速是預先設定的軸旋轉速度,當運行的機器需停車時,機器轉速達到零轉速設置點,繼電器觸點動作,使盤車齒輪嚙合,使軸持續(xù)慢速旋轉,來防止軸產生彎曲,以避免在接踵而來的開車中由于軸彎曲對機器造成損壞。

測量鏈由2只裝于前箱正對齒盤的傳感器和板件組成,如圖3所示。當機器旋轉時,齒盤的齒頂和齒底經過探頭,探頭將周期地改變輸出信號（脈沖信號）,板件接收到此脈沖信號進行計數(shù)、顯示,與設定值比較后,驅動繼電器接點輸出。

2.2 超速保護

火力發(fā)電機組超速是最危險的情況之一,如不加以控制,會造成機組重大事故,導致飛車的危險。最壞的超速情況之一是機組甩負荷時,造成轉速飛升。機組甩負荷時轉速飛升小于108%額定轉速,否則應自動打閘停機。根據(jù)美國石油學會標準API612要求,超速保護應具有快速響應和錯誤冗余表決邏輯,因此本測量鏈采用“三取二”方式,如圖4所示。由3只裝于前箱正對于齒盤的渦流傳感器和3塊轉速表組成,與轉速測量是同樣的道理。

2.3 軸振動

對旋轉機械來說,衡量其全面的機械情況,轉子徑向振動振幅是一個最基本的指標,很多機械故障,包括轉子不平衡、不對中、軸承磨損、轉子裂紋以及摩擦等都可以根據(jù)振動的測量進行探測。轉子是旋轉機械的核心部件,旋轉機械能否正常工作主要決定于轉子能否正常運轉。當然,轉子的運動不是孤立的,它是通過軸承支承在軸承座及機殼與基礎上,構成了轉子—支承系統(tǒng)。一般情況下,油膜軸承具有較大的軸承間隙。因此軸頸的相對振動比之軸承座的振動有顯著的差別。特別是當支承系統(tǒng)（軸承座、箱體及基礎等）的剛度相對比較硬時（機械阻抗較大）,軸振動可以比軸承座振動大幾倍到幾十倍,由此,大多數(shù)振動故障都直接與轉子運動有關。因此從轉子運動中去監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)振動故障,比從軸承座或機殼的振動提取信息更為直接和有效。所以,軸振動的測量對機器故障診斷是非常有用的。在測量軸振時,常常把渦流探頭裝在軸承殼上,探頭與軸承殼變?yōu)橐惑w,因此所測結果是軸相對于軸承殼的振動。由于軸在垂直方向與水平方向并沒有必然的內在聯(lián)系,即在垂直方向（Y方向）的振動已經很大,而在水平方向（X方向）的振動卻可能是正常的,因此,在垂直與水平方向各裝一個探頭。由于水平中分面對安裝的影響,實際上兩個探頭安裝保證相互垂直即可,如圖5所示。當傳感器端部與轉軸表面間隙變化時,傳感器輸出一交流信號給板件,板件計算出間隙變化（即振動）峰-峰（P-P）值。

2.4 軸承振動（蓋或瓦振）

圖5 軸振測量示意圖

在軸振動的測量中已說明了大軸的振動可以傳遞到軸承殼上,利用速度傳感器測量機殼相對于自由空間的運動速度,板件把從傳感器來的速度信號進行檢波和積分,變成位移值,并計算出相應的峰-峰值位置信號如圖6所示。

圖6 蓋振的測量示意圖

2.5 偏心

轉子的偏心位置,也稱為軸的徑向位置,是指轉子在軸承中的徑向平均位置,在轉軸沒有內部和外部負荷的正常運轉情況下,轉軸會在油壓阻尼作用下,在設計確定的位置浮動,然而一旦機器承受一定的外部或內部的預加負荷,軸承內的軸頸就會出現(xiàn)偏心,其大小是由偏心度峰-峰值來表示,即軸彎曲正方向與負方向的極差之差。偏心的測量可用來作為軸承磨損,以及預加負荷狀態(tài)（如不對中）的一種指示;轉子偏心（在低轉速時的彎曲）測量是在啟動或停機過程中,必不可少的測量項目,能夠看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。偏心監(jiān)測板接受2個渦流傳感器信號輸入,如圖7所示。一個用于偏心的測量,另一個是鍵相器的測量,它用在峰-峰信號調節(jié)電路上。鍵相探頭觀察軸上的一個鍵槽,當軸每轉一轉時,就產生一個脈沖電壓,這個脈沖可用來控制計算峰-峰值。當然,鍵相信號也可用來指示振動的相位,如圖8所示。當?shù)弥獪y振探頭與鍵相探頭的夾角時,就可找出不平衡質量的位置,即轉子高點的位置。這對軸的平衡是很重要的。

2.6 軸位移

軸在運行中,由于各種因素,諸如載荷、溫度等的變化會使軸在軸向有所移動。這樣轉子和定子之間有可能發(fā)生動靜摩擦,所以需用傳感器測量轉子相對于定子軸向位置的變化。即軸在軸向相對于止推軸承的間隙。由于所采用的監(jiān)測器可能把傳感器的失效作為軸向位移故障而發(fā)出報警信號,由此可能引起機組誤停機。而根據(jù)API670標準要求,用兩個探頭同時探測一個對象,可以避免發(fā)生誤報警。但要求兩個探頭的安裝位置離軸上止推法蘭的距離應小于305 mm,如果過大,由于熱膨脹的影響,所測到的間隙,不能反映軸上法蘭與止推軸承之間的間隙。如圖9所示,兩個渦流探頭測量轉子的軸向變化,輸出探頭與被測法蘭的間隙成正比的直流電壓值,板件接受此電壓值后,經過計算處理,顯示出位移值。為避免誤報警,停機邏輯輸出為“與”邏輯。

2.7 脹差

脹差是轉子和汽缸之間的相對熱增長,當熱增長的差值超過允許間隙時,便可能產生摩擦。在開機和停機過程中,由于轉子與汽缸質量、熱膨脹系數(shù)、熱耗散系數(shù)的不同,轉子的受熱膨脹和汽缸的膨脹就不相同,實際上,轉子的溫度比汽缸溫度上升得快,其熱增長的差值如果超過允許的動靜間隙公差,就會發(fā)生摩擦,從而可能造成事故。監(jiān)視脹差值的目的,就是在產生摩擦之前采取必要的措施來保證機組的安全。由于不可能在汽缸內安裝渦流傳感器,利用滑銷系統(tǒng),傳感器被固定在軸承箱的平臺上,測量示意圖如圖10所示。另外,脹差測量如果范圍較大,已超過探頭的線性范圍時,則可采用斜面式測量和補償式測量方式。

圖10 脹差測量示意圖

3 TSI監(jiān)視器在1 000MW機組中的應用

綏中電廠二期擴建2×1 000 MW機組的汽輪機為東方汽輪機有限公司引進日本日立公司技術生產的超超臨界壓力汽輪機,型號為N1000-25/ 600/600,為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓式、凝汽式、八級回熱抽汽汽輪機,具有較高的效率和安全可靠性。

機組選用美國本特利（Bently）公司生產的3500系統(tǒng)為汽輪機的監(jiān)視保護系統(tǒng)。本特利3500系統(tǒng)是目前我國大型機組上應用較為廣泛,也是本特利公司最先進的TSI系統(tǒng)。本特利3500系列儀表在使用過程中以其實驗室級別的精度,組態(tài)調整的靈活性,模件、前置放大器、探頭的可替換性,安裝后為細微偏差的可調整功能給調試、使用提供了很多方便。

系統(tǒng)具有以下主要技術特點。

a.單元模塊化結構,安裝于標準框架中,主要包括電源模塊、接口模塊、鍵相模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊等。

b.各功能模塊都有一單片微控制器（MCU）,用于實現(xiàn)各模塊的智能化功能,如組態(tài)設置、自診斷、信號測試、報警保護輸出、數(shù)據(jù)通信等。

c.各模塊間通過RS232/RS422/RS485總線和MODBUS協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信,最高通信速率為115.2 kbit/s。

d.可通過上位機的組態(tài)軟件對各個模塊進行組態(tài)設置,并下載到各個模塊的非易失性存儲器中。

e.雙重冗余供電電源模塊。

f.支持帶電拔插功能。

本特利3500系統(tǒng),測量顯示通過上位機顯示或直接觸發(fā)繼電器模塊輸出,大部分內部設置都在軟件中完成,而且具有多種通信方式。調試過程中,可以用本特利公司提供的RS232通信接口與DCS系統(tǒng)連接,在DCS操作員站進行組態(tài)配置和參數(shù)顯示。另外,還有相對振動、軸位移、脹差等參數(shù)通過4～20mA信號送到DEH系統(tǒng)進行顯示。

3500 監(jiān)視系統(tǒng)軟件主要有3個軟件包。

a.框架配置軟件。主要包括框架配置、機架接口模塊與主機端口測試使用程序及通信網關測試使用程序、框架配置教程、框架配置幫助等。

b.數(shù)據(jù)采集DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）服務器軟件。主要包括數(shù)據(jù)采集DDE服務器、軟件配置使用程序及編輯軟件實用程序、RIM（框架接口模塊）主機接口測試實用程序、數(shù)據(jù)采集顯示教程。

c.操作員顯示軟件。主要包括監(jiān)視器通道值的條形顯示、機器鏈圖和對應的數(shù)據(jù)值、趨勢圖、系統(tǒng)事件列表、現(xiàn)用的報警信號列表、報警信號列表。

4 結束語

渦流傳感器具有線性范圍大、精度和靈敏度高、頻響寬、抗干擾能力強和溫度特性好、安裝和調試方便、檢測值不受油污和蒸汽等非金屬介質影響等優(yōu)點,所以,以渦流傳感器為主要傳感器所組成的TSI產品受到了火電廠的普遍歡迎。

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