汽輪機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)突變的故障分析

何小意

(廣東粵嘉電力有限公司，廣東梅州 514032)

廣東粵嘉電力有限公司梅縣發(fā)電廠2×135MW機(jī)組采用上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的超高壓、中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，與WX21Z—073LLT型空冷發(fā)電機(jī)及 SG—440/13.7—M566循環(huán)流化床鍋爐配套。汽輪機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TSI)采用德國(guó)epro飛利浦公司生產(chǎn)的MMS6000新一代旋轉(zhuǎn)機(jī)械檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、軸向位移、軸振、瓦振、差脹、缸脹、偏心、鍵相等本體運(yùn)行重要參數(shù)，其中軸向位移、軸振、差脹信號(hào)參與跳機(jī)保護(hù)。

汽輪機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)的大小是機(jī)組安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，汽輪機(jī)運(yùn)行中發(fā)生振動(dòng)大會(huì)直接威脅機(jī)組的安全運(yùn)行，振動(dòng)過大會(huì)造成汽輪機(jī)端部軸封磨損、軸瓦烏金破裂、緊固螺釘松脫等危害。因此在汽輪機(jī)1號(hào)～5號(hào)軸承處各安裝兩個(gè)測(cè)量相對(duì)振動(dòng)的電渦流探頭，其安裝方法如圖1所示。兩探頭呈90°夾角相對(duì)安裝，分別定為X、Y方向，面向機(jī)頭右側(cè)為X，左側(cè)為Y，X、Y均與水平呈45°角。當(dāng)傳感器端部與轉(zhuǎn)軸表面間隙變化時(shí)，傳感器輸出一交流信號(hào)給卡件，卡件計(jì)算出間隙變化(即振動(dòng))峰一峰(P－P)值，通過監(jiān)測(cè)間隙電壓的方式來測(cè)量振動(dòng)量。軸承振動(dòng)測(cè)量裝置探頭型號(hào)為PR6423，前置器型號(hào)為CON021，工作電壓為－4～－20VDC，量程范圍為:0～400μm;正常運(yùn)行時(shí)，MMS6110卡件輸出4～20mA DC電流信號(hào)至DCS作為信號(hào)顯示，當(dāng)10個(gè)軸振探頭中任一個(gè)測(cè)量值超過127μm，則報(bào)警繼電器動(dòng)作;任一個(gè)測(cè)量值超過260μm，則跳機(jī)繼電器動(dòng)作，并將信號(hào)送至PLC，以驅(qū)動(dòng)保護(hù)控制回路，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

圖1 軸振測(cè)量示意圖

1.故障經(jīng)過

2012年4月5日，機(jī)組帶118MW負(fù)荷運(yùn)行，各運(yùn)行參數(shù)均正常，11時(shí)02分，6號(hào)機(jī)BTG盤發(fā)出“TSI系統(tǒng)故障”聲光報(bào)警，檢查歷史趨勢(shì)曲線，發(fā)現(xiàn)4號(hào)軸承Y方向振動(dòng)于11:02:36信號(hào)由23.31μm突升至155.4μm，然后信號(hào)出現(xiàn)波動(dòng)，于11:13:18最高升至382.82μm后信號(hào)恢復(fù)正常;在此后的幾天時(shí)間里均會(huì)有一至兩次的信號(hào)波動(dòng)、信號(hào)突升現(xiàn)象發(fā)生，現(xiàn)象跟4月5日發(fā)生的異常情況基本一致，其余各軸承振動(dòng)信號(hào)均測(cè)量正常。

圖2 軸承振動(dòng)信號(hào)突變現(xiàn)象

2.故障分析

根據(jù)對(duì)故障經(jīng)過進(jìn)行原因分析，BTG盤發(fā)出“TSI系統(tǒng)故障”聲光報(bào)警信號(hào)，而BTG盤“汽機(jī)軸承振動(dòng)大0.127mm”未發(fā)出報(bào)警，而且在汽輪機(jī)所有軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，只有一個(gè)方向的振動(dòng)值顯著升高，其余各個(gè)方向的振動(dòng)值變化并無(wú)明顯升高，我們即懷疑是TSI振動(dòng)測(cè)量裝置信號(hào)回路方面的問題，于是我們從熱工測(cè)量系統(tǒng)方面進(jìn)行了分析檢查。

2.1 熱工測(cè)量回路檢查

熱工測(cè)量回路檢查分為回路信號(hào)檢查、線路絕緣檢查和卡件接線檢查。2.1.1 回路信號(hào)檢查

測(cè)量4Y方向軸承振動(dòng)前置器工作電壓為24.2V，穩(wěn)定無(wú)波動(dòng);從前置器端子中測(cè)量傳感器的輸出電壓值為－10.12VDC，從TSI柜中測(cè)量傳感器電壓值為－10.15V，晃動(dòng)延伸電纜等干擾措施，輸出電壓值均無(wú)明顯變化，DCS顯示值為23μm，無(wú)驟然變化的現(xiàn)象。

2.1.2 線路絕緣檢查

如果延伸電纜接頭和前置器及機(jī)柜的接線因安裝檢修時(shí)緊固程度不夠，或隨著運(yùn)行時(shí)間的推移及氣候、氧化、周圍環(huán)境等因素的影響，原先緊固的接頭和接線會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，就會(huì)造成接觸不良，使信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)。同時(shí)測(cè)量回路就地環(huán)境溫度較高，容易導(dǎo)致線路老化，導(dǎo)致抗干擾能力差，造成絕緣降低而導(dǎo)致信號(hào)誤動(dòng)。檢查就地端子接線及電子室TSI柜接線，接線均牢固無(wú)松動(dòng)、接觸不良現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)信號(hào)有開路和短路現(xiàn)象;對(duì)前置器至TSI處電纜用500V絕緣電阻表測(cè)絕緣，線間及線對(duì)地絕緣均良好。2.1.3 卡件接線檢查

由于MMS6000系統(tǒng)卡件電源、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和卡件輸出是直接焊接在卡件背面的針腳上的，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，由于溫度、氧化、粉塵影響容易出現(xiàn)老化，也可能接觸不良現(xiàn)象。檢查卡件背面接線焊接情況，不存在接線脫焊、接觸不良現(xiàn)象。

2.2 抗干擾檢查

TSI系統(tǒng)對(duì)接地有嚴(yán)格要求，接地不規(guī)范，導(dǎo)致干擾信號(hào)串入。因?yàn)椴煌牡鼐W(wǎng)間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，在屏蔽層產(chǎn)生環(huán)流，疊加在信號(hào)上會(huì)引起模擬量波動(dòng)或突變。此外，延伸電纜的屏蔽層，如果安裝敷設(shè)途徑未做好防護(hù)，電纜屏蔽層因振動(dòng)等原因在運(yùn)行過程磨損，導(dǎo)致兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，或者連接電纜屏蔽層未接地的話，也將會(huì)引起信號(hào)跳變。

2.2.1 電纜屏蔽層檢查

電纜屏蔽線在TSI機(jī)柜側(cè)接地，測(cè)量電纜屏蔽線接地電阻0.2Ω，電纜在現(xiàn)場(chǎng)接線盒內(nèi)未進(jìn)行接地處理，不存在信號(hào)兩點(diǎn)接地問題。

2.2.2 系統(tǒng)接地檢查

測(cè)量機(jī)柜的接地電阻為0.03Ω，機(jī)柜到接地匯流板使用約40mm2接地電纜，機(jī)柜接地正常，機(jī)架和門頁(yè)的接地也使用了專用接地線，機(jī)柜的接地基本正常。

2.2.3 傳感器延伸電纜接頭檢查

大部分渦流傳感器為了安裝方便均設(shè)有1m接頭，如圖3所示，在傳感器鎧裝電纜距探頭1m的地方有1個(gè)長(zhǎng)約10cm直徑約1cm的金屬管(鎧裝與金屬管是導(dǎo)通的)，金屬管可以從中間擰開，可以看到里面是用1個(gè)小LEMO接頭連接的傳感器電纜，小LEMO接頭的外殼連接的是前置器的COM端。由于電纜鎧裝或金屬管可能與缸體等現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)體接觸，如果小LEMO接頭的外殼與金屬管接觸，就可能發(fā)生前置器的COM端與現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)體短接，而前置器的COM端是與機(jī)柜內(nèi)卡件的信號(hào)地連接，從而造成雙端接地。當(dāng)這兩端存在電位差時(shí)，就可能竄入干擾信號(hào)，引起測(cè)量值波動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)，甚至導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。因此小LEMO接頭必須用熱縮套管進(jìn)行絕緣，保證與金屬管及電纜鎧裝完全絕緣。

(1)傳感器延伸電纜接頭絕緣檢查

圖3 傳感器小LEMO接頭示意圖

我們對(duì)小LEMO接頭熱縮套管進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)熱縮套管有損壞，破裂現(xiàn)象。然后將前置器地(COM端)至卡件的接線斷開，用歐姆表測(cè)量前置器地(COM端)與鎧裝纜(注意不是接入前置器的大LEMO插頭，而是大LEMO插頭后的鎧裝纜，如圖4所示)之間的電阻(圖5中粗紅線所示)，電阻為無(wú)窮大，通過查閱資料，如果電阻很小(小于200歐姆)，則說明小LEMO頭外殼與金屬管有接觸，應(yīng)對(duì)小LEMO接頭進(jìn)行絕緣處理。現(xiàn)測(cè)量電阻為無(wú)窮大，說明延長(zhǎng)電纜接頭絕緣良好，無(wú)接地現(xiàn)象。

圖4 傳感器大LEMO接頭示意圖

圖5 傳感器延伸電纜接頭絕緣檢查示意圖

(2)傳感器延伸電纜接動(dòng)松動(dòng)檢查

因?yàn)轱w利浦epro的接頭都是插拔式的，不能旋擰的，若有擰動(dòng)現(xiàn)象也有可能會(huì)導(dǎo)致接頭松動(dòng)，信號(hào)接觸不良，出現(xiàn)信號(hào)波動(dòng)、突變現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)傳感器1米接頭處(即小LEMO頭)及前置器的大LEMO銀色環(huán)插頭處進(jìn)行接頭松動(dòng)檢查，輕拽4Y軸承振動(dòng)前置器的大LEMO插頭傳感器末端LEMO接頭后的引出線，接頭接觸良好，無(wú)接頭松脫現(xiàn)象;然后對(duì)振動(dòng)探頭延伸線1米接頭處(即小LEMO頭)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)探頭1米接頭處存在擰動(dòng)現(xiàn)象。

3.故障處理

3.1 處理方案A

經(jīng)過對(duì)以上熱工測(cè)量回路信號(hào)檢查、線路絕緣檢查、卡件接線檢查及系統(tǒng)接地、電纜屏蔽層等抗干擾的檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常情況;而振動(dòng)探頭延伸線小LEMO頭處存在擰動(dòng)現(xiàn)象，初步判斷引起6號(hào)機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生信號(hào)突變?cè)?，是由?Y振動(dòng)傳感器1米接頭處的小LEMO有擰動(dòng)現(xiàn)象，造成信號(hào)接觸不良。由于機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法更換探頭。查閱歷史曲線發(fā)現(xiàn)幾次軸承振動(dòng)值跳變均超過跳機(jī)保護(hù)定值260μm，為防止再次出現(xiàn)振動(dòng)值跳變?cè)斐杀Ｗo(hù)誤動(dòng)跳機(jī)，我們暫時(shí)將6號(hào)機(jī)4號(hào)軸承Y方向振動(dòng)高跳機(jī)保護(hù)輸出接點(diǎn)信號(hào)屏蔽處理，只保留振動(dòng)值DCS顯示功能，待機(jī)組停運(yùn)后徹底檢查、更換探頭等正常后再恢復(fù)。

3.2 處理方案B

利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會(huì)，對(duì)6號(hào)機(jī)4號(hào)軸承Y方向振動(dòng)信號(hào)回路進(jìn)行徹底檢查，重新更換探頭、前置器、延伸電纜一整套軸承振動(dòng)測(cè)量裝置。受現(xiàn)場(chǎng)安裝條件限制，無(wú)法直接測(cè)量傳感器探頭與被測(cè)面表面的距離，將傳感器與前置器連接后測(cè)量前置器OUT端和COM端電壓值為DC－11.5～－12.5V左右時(shí)鎖緊傳感器的固定螺母。傳感器固定后，在中間接頭外套上合適直徑的絕緣熱縮套管并熱縮固定，以免中間接頭接地引起干擾信號(hào)。

4.優(yōu)化邏輯

4.1 優(yōu)化跳機(jī)保護(hù)信號(hào)輸出時(shí)間

由于TSI系統(tǒng)在電廠運(yùn)行的環(huán)境是一個(gè)強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，無(wú)論是來自系統(tǒng)內(nèi)部(測(cè)量部件、裝置等)的異常，還是外部環(huán)境因素(電導(dǎo)耦合、電磁輻射等)產(chǎn)生的干擾，都可能引發(fā)信號(hào)保護(hù)回路的誤動(dòng)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，TSI系統(tǒng)的異動(dòng)，因被監(jiān)控參數(shù)真實(shí)變化導(dǎo)致的少之又少，因TSI裝置本身故障造成的也不多見，絕大多數(shù)是外部因素誘導(dǎo)下的誤發(fā)信號(hào)引起，且其脈沖維持時(shí)間很少超過4秒。為了防止因汽輪機(jī)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)故障發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)事件，通過咨詢菲利浦廠家及電科院相關(guān)人員，將TSI系統(tǒng)1～5號(hào)軸承振動(dòng)卡件保護(hù)動(dòng)作輸出的跳機(jī)信號(hào)增加3秒延時(shí)，即軸承振動(dòng)信號(hào)達(dá)到危險(xiǎn)值并持續(xù)3秒時(shí)才發(fā)出跳機(jī)信號(hào)。

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)報(bào)警與保護(hù)邏輯

當(dāng)發(fā)生汽輪機(jī)軸承振動(dòng)大時(shí)，振動(dòng)信號(hào)與相鄰振動(dòng)測(cè)量值信號(hào)均會(huì)明顯增大。為了減少單點(diǎn)信號(hào)保護(hù)引起機(jī)組誤動(dòng)的概率，根據(jù)本廠機(jī)組軸振信號(hào)回路實(shí)際情況，兼顧保護(hù)動(dòng)作的誤動(dòng)或拒動(dòng)可能性，將TSI邏輯進(jìn)行優(yōu)化，即1～5號(hào)軸承振動(dòng)X或Y方向任意二個(gè)及以上信號(hào)大于報(bào)警值127μm時(shí)，輸出一個(gè)軸承振動(dòng)報(bào)警點(diǎn)，與原來大于260μm振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)串聯(lián)，振動(dòng)保護(hù)才動(dòng)作，汽機(jī)跳閘。

5.結(jié)束語(yǔ)

TSI系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，合理的邏輯和可靠的回路環(huán)境是基礎(chǔ)，及時(shí)的檢修和維護(hù)是保證。我們檢修人員應(yīng)定期對(duì)汽輪機(jī)TSI系統(tǒng)所有的檢測(cè)傳感器的端子排、就地電纜、屏蔽信號(hào)線、插頭連接、中間接線端子箱等進(jìn)行定期檢查，確保系統(tǒng)正常檢測(cè);對(duì)探頭進(jìn)行校驗(yàn)、定期查看TSI系統(tǒng)信號(hào)歷史趨勢(shì)、機(jī)組檢修完必須進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)等。

通過故障處理后，查閱歷史記錄，自開機(jī)至今兩個(gè)月的時(shí)間里，6號(hào)機(jī)4號(hào)軸承Y方向振動(dòng)信號(hào)，再未發(fā)生信號(hào)突變的現(xiàn)象。由此可見，振動(dòng)探頭延伸電纜1米接頭處存在擰動(dòng)現(xiàn)象，造成信號(hào)有時(shí)接觸不良，是導(dǎo)致此次振動(dòng)信號(hào)突變故障的原因。

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