旋轉(zhuǎn)泵軸監(jiān)測系統(tǒng)反轉(zhuǎn)監(jiān)測技術(shù)探討

吳煒新

（中核運(yùn)行秦山三廠，海鹽314300）

旋轉(zhuǎn)泵軸監(jiān)測系統(tǒng)既能為旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提供較為準(zhǔn)確的評價(jià)，又能為旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷和預(yù)防性維修提供有效依據(jù)，其工作是否正常直接影響著旋轉(zhuǎn)設(shè)備的故障診斷結(jié)果和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了保證旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，對重要的旋轉(zhuǎn)泵設(shè)置在線泵軸監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)泵軸監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境，確定合理的設(shè)備管理措施。

秦山三廠泵軸監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測以下旋轉(zhuǎn)設(shè)備：凝結(jié)水泵、主給水泵和輔助給水泵、廠用原水泵、再循環(huán)冷卻水泵。該系統(tǒng)主要對泵軸振動及反轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及連鎖控制，因?yàn)楫?dāng)泵組從正常的工作方式停泵時(shí)，在停泵的瞬間泵中會產(chǎn)生局部真空，極容易引起泵軸反轉(zhuǎn)而導(dǎo)致水倒灌，產(chǎn)生異常狀況，因此需要對泵組的反轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測［1－3］。

筆者針對泵軸的轉(zhuǎn)速與反轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測進(jìn)行分析。

1 反轉(zhuǎn)監(jiān)測原理

反轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)由渦流傳感器（渦流探頭，延伸電纜、前置器）和反轉(zhuǎn)監(jiān)視器組成，見圖1。

圖1 反轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)

1．1 渦流傳感器的測量原理

渦流傳感器探頭內(nèi)部是根據(jù)渦流效應(yīng)原理工作的一個(gè)測量線圈。線圈由高頻振蕩器供電，產(chǎn)生一個(gè)高頻磁場。當(dāng)測量線圈的磁力線從傳感器外殼表面向外輻射時(shí)，傳感器對面的金屬被測件（齒輪盤）表面上感應(yīng)出電渦流，其大小與被測件和測量線圈之間的間隙有關(guān)，當(dāng)此間隙減小時(shí)，被測件上的感應(yīng)電流增大，測量線圈的電感量減小，因而使振蕩器的振幅減小；即傳感器與被測件之間的相對位置的變化，導(dǎo)致振蕩器的振幅隨之相應(yīng)變化，這樣便可使位移的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)振蕩幅度的調(diào)制信號。對此信號進(jìn)行一定的處理和測量，即可測得位移的變化。

渦流式位移傳感器的輸入（d）-輸出（u）特性曲線見圖2。

圖2 渦流式位移傳感器的輸入-輸出特性曲線

從圖2可見：傳感器從d1開始到d4為線性輸出范圍，線性輸出的電壓為－2～－20V。

傳感器的線性范圍與傳感器探頭直徑有關(guān)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)泵軸轉(zhuǎn)動時(shí)，渦流傳感器的輸出波形見圖3。

圖3 渦流傳感器的輸出波形

1．2 反轉(zhuǎn)監(jiān)視器的工作原理

轉(zhuǎn)速測量及反轉(zhuǎn)監(jiān)視器的工作原理見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)速測量及反轉(zhuǎn)監(jiān)視器的工作原理圖

從傳感器來的輸入波形，通過施密特觸發(fā)器進(jìn)行波形整形，將輸入波形整形成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號；另一路信號與輸入信號經(jīng)整形后的方波輸出，同時(shí)送入波形比較器進(jìn)行反轉(zhuǎn)測量。波形比較器實(shí)際上是一個(gè)D型觸發(fā)器，其原理圖和特征見圖5。

圖5 D型觸發(fā)器原理圖和特征表

當(dāng)泵軸以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，測速齒輪總是先經(jīng)過探頭1，然后經(jīng)過探頭2。輸入到D觸發(fā)器輸入端的波形圖見圖6。D觸發(fā)器是一種上升沿觸發(fā)器，根據(jù)圖5的特征表和圖6的輸入1、輸入2的波形時(shí)序，在輸入2（接入CP端）處于上升沿時(shí)，輸入1（接入D端）總是處于高電平“1”狀態(tài)，所以輸出端Q輸出高電平“1”。

圖6 旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的波形

當(dāng)泵軸以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，先經(jīng)過探頭2，然后經(jīng)過探頭1，輸入到D觸發(fā)器輸入端的波形圖見圖7。從圖7中看出：在輸入2（接入CP端）處于上升沿時(shí)，輸入1（接入D端）總是處于低電平“0”狀態(tài)，所以輸出端Q輸出低電平“0”，這樣就實(shí)現(xiàn)了泵軸的反轉(zhuǎn)測量。

圖7 旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的波形

2 傳感器的安裝和選型要求

2．1 探頭安裝角θs的確定

為了實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)測量，要求D觸發(fā)器的二路輸入信號為正交信號，即二路方波信號的相位差為90°（是兩個(gè)輸入傳感器的電氣信號的相位差為90°，而不是兩個(gè)傳感器的物理安裝位置為90°，電氣信號的相位差和探頭的物理安裝位置相位差是兩個(gè)完全不同的概念）。圖8為探頭安裝位置圖，兩個(gè)探頭安裝的物理位置夾角θs與測速盤的齒數(shù)有關(guān)。為了確保二路輸入信號的電氣信號的相位差為90°，兩個(gè)探頭之間的夾角θs與測速盤齒數(shù)z按如下公式計(jì)算：

式中：n＝0，1，2，3……，為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)；z為齒數(shù)。一般情況下90°≤θs≤270°，夾角θs的允許誤差為±30／z。

圖8 探頭安裝位置圖

表1為齒數(shù)與探頭安裝夾角θs的關(guān)系表。

表1 齒數(shù)z與兩探頭夾角θs的關(guān)系表

從表1可以看出：如果泵軸齒數(shù)越多，夾角的可選方式就越多，但是對安裝夾角θs的要求也越高，即對齒輪盤的加工精度要求也越高，例如：泵軸上被測齒輪盤的齒數(shù)為3，探頭1與探頭2之間的安裝夾角為150°（或270°），且夾角誤差應(yīng)該在±10°之內(nèi)。

2．2 傳感器的選型要求

泵軸從正常轉(zhuǎn)速到反轉(zhuǎn)的過程中，肯定要經(jīng)過轉(zhuǎn)速“零”的過程，反轉(zhuǎn)監(jiān)視器本質(zhì)上就是監(jiān)測泵軸過“零”過程中的狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警信號供運(yùn)行人員監(jiān)控旋轉(zhuǎn)泵狀態(tài)；所以選用的傳感器一定不能使用在泵軸轉(zhuǎn)速測量中經(jīng)常使用的磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器。這是因?yàn)榇抛枋睫D(zhuǎn)速傳感器的測量原理是切割磁力線的方式，其基本公式為：

式中：E為感應(yīng)電動勢，V；n為感應(yīng)線圈匝數(shù)；ΔΦ／Δt為磁通量的變化率。

從式（2）可以看出：傳感器產(chǎn)生的電動勢E與傳感器線圈的匝數(shù)，以及磁通量的變化率有關(guān)。由于傳感器的線圈匝數(shù)為常數(shù)，因此E僅僅與磁通量的變化率有關(guān)，而磁通量的變化率正比于泵軸齒輪盤的轉(zhuǎn)速，所以當(dāng)泵軸轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，傳感器的輸出電壓也接近于零。由于線路上還存在噪聲，因此此時(shí)整個(gè)測量系統(tǒng)的信噪比很差，誤差很大，根本無法測量。一般情況下，對于測速齒輪（模數(shù)≥2）盤的測速系統(tǒng)中，只有在泵軸轉(zhuǎn)速大于20r／min時(shí)，測速系統(tǒng)才能穩(wěn)定、可靠地測量，所以這類傳感器不能用于反轉(zhuǎn)監(jiān)視之用。

另外，光電傳感器是接受光線反射來檢測轉(zhuǎn)速的，由于泵軸的軸承有潤滑油等存在，測速的可靠性較差。

目前工程上泵軸轉(zhuǎn)速測量還經(jīng)常采用磁敏式轉(zhuǎn)速傳感器，此類傳感器的供電電源是正電供電。反轉(zhuǎn)監(jiān)視器屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)視保護(hù)儀表（TSI）的一個(gè)子系統(tǒng)，應(yīng)該符合TSI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范。我國的TSI儀表設(shè)計(jì)規(guī)范采用的是API670標(biāo)準(zhǔn)第三版，API670標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了所有的TSI儀表的傳感器供電電源為－18～－24V，所以在此場合采用磁敏式測速傳感器不符合這一標(biāo)準(zhǔn)，不宜采用。

電渦流式位移傳感器是API670標(biāo)準(zhǔn)推薦的傳感器，符合API670標(biāo)準(zhǔn)。從圖2電渦流傳感器的靜態(tài)特性中可以看出：此類傳感器可作為靜態(tài)位移測量，傳感器的電壓輸出幅值僅與探頭和被測面的相對位置有關(guān)，而與泵軸的轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。從圖3電渦流傳感器輸出波形中可以看出：泵軸的轉(zhuǎn)速僅僅影響到波形的頻率。所以選擇電渦流傳感器作為監(jiān)測泵軸反轉(zhuǎn)的傳感器是非常合適的。

3 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)泵軸反轉(zhuǎn)監(jiān)測保護(hù)是一個(gè)非常重要的保護(hù)儀表，此儀表已在中核秦山三廠的多臺泵上使用多年，效果非常好，確保了機(jī)組安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

［1］中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會．DL／T 1012—2006火力發(fā)電廠汽輪機(jī)監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程［S］．北京：中國電力出版社，2006．

［2］程衛(wèi)國，楊明，陸文華．汽輪機(jī)超速保護(hù)的可靠性探討［J］．發(fā)電設(shè)備，1998，12（2）：38－41．

［3］嚴(yán)可國，魏克嚴(yán)，李植，等．大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測保護(hù)故障診斷系統(tǒng)［M］．北京：電力電子科技出版社，1994．