TSI 系統(tǒng)的可靠性分析與探討

劉 鋒

(廣東粵電靖海發(fā)電有有限公司，廣東惠來515223)

TSI系統(tǒng)，即汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)，是一種集實(shí)時狀態(tài)檢測和機(jī)組保護(hù)功能于一體的監(jiān)視系統(tǒng)，是大型汽輪機(jī)組必不可少的監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)。它可以對機(jī)組在啟停、運(yùn)行過程中的一些重要參數(shù)，如振動、轉(zhuǎn)速、軸向位移、脹差等可靠地進(jìn)行監(jiān)視和儲存，不但能顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、記錄輸出信號、實(shí)現(xiàn)數(shù)值越限報(bào)警、出現(xiàn)危險(xiǎn)信號時使機(jī)組自動停機(jī)，同時還能為機(jī)組的故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。廣東粵電靖海發(fā)電有限公司1#、2#兩臺600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠N600-24.2/538/566型汽輪機(jī)，TSI系統(tǒng)采用的是bently3500系列產(chǎn)品。3#、4#兩臺1 000 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠N1000-25.0/600/600型汽輪機(jī)，TSI系統(tǒng)采用的是德國epro公司MMS 6000系列產(chǎn)品。

TSI系統(tǒng)的安全可靠是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件之一，然而由于涉及測量探頭安裝、信號傳輸、邏輯組態(tài)、系統(tǒng)控制等多方面的原因，TSI系統(tǒng)異常造成機(jī)組運(yùn)行的不安全事件或者跳閘的事故時有發(fā)生。如何有效、全面地提高TSI系統(tǒng)的可靠性是擺在熱控專業(yè)面前急需分析探討并予以處理的問題。

1 TSI系統(tǒng)運(yùn)行中可靠性存在的主要問題

1.1 電源未按要求配置或者配置不合理

TSI系統(tǒng)的電源作為支撐整個系統(tǒng)安全運(yùn)行的屏障，是系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一，同時也是在現(xiàn)場容易被忽視的問題。TSI系統(tǒng)應(yīng)該配置兩路可靠的AC220 V冗余電源，電源切換時間大于5 ms，以保證電源切換時TSI系統(tǒng)不會初始化。同時TSI裝置應(yīng)該配置兩塊電源模塊，正常時各帶50%負(fù)荷，一塊故障時另一塊自動帶100%負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)電源間的無隙切換。

現(xiàn)場實(shí)際使用中，TSI系統(tǒng)雖然使用兩路電源，但是兩路電源一路從UPS取，一路卻來自保安段，存在一路電源失電的風(fēng)險(xiǎn)。在機(jī)組檢修試驗(yàn)中曾出現(xiàn)因保安段電源切換不成功導(dǎo)致保安段電源失去的事故。因此，TSI系統(tǒng)兩路電源均取自UPS系統(tǒng)且不同段上，以保證電源的全程可靠性。當(dāng)保護(hù)系統(tǒng)的電源采用廠用直流電源時還必須有確保尋找接地故障時不造成保護(hù)誤動的措施。

1.2 保護(hù)邏輯及硬件配置不完善

所有進(jìn)入TSI系統(tǒng)的現(xiàn)場信號都必須經(jīng)過系統(tǒng)處理及邏輯運(yùn)算后，才作為最終的信號進(jìn)入DCS系統(tǒng)或者ETS系統(tǒng)發(fā)揮顯示報(bào)警或者保護(hù)信號的功能。因此設(shè)置合適的邏輯保護(hù)條件，使系統(tǒng)邏輯具有“判斷”功能，是提高TSI系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的有效措施，而現(xiàn)場往往因?yàn)槟承l件設(shè)置不合理導(dǎo)致機(jī)組異常事故時有發(fā)生。

2014年6月8日13時16分46秒，某廠3#機(jī)負(fù)荷600 MW，B小機(jī)1#Y 軸振由7.3 μm 突變?yōu)?83 μm，MTSI系統(tǒng)發(fā)出小機(jī)軸振大停機(jī)信號，MEH系統(tǒng)發(fā)出B小機(jī)跳閘信號，造成機(jī)組快速減負(fù)荷。事后分析其主要原因是因?yàn)檎駝颖Ｗo(hù)邏輯設(shè)計(jì)為單點(diǎn)達(dá)到動作值200 μm保護(hù)即動作，保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)沒有采取防止誤動等的措施，僅僅因?yàn)閱蝹€振動值的一次波動造成小機(jī)跳閘，系統(tǒng)的可靠性不高。

除振動之外在TSI系統(tǒng)中還有高壓缸脹差、低壓缸脹差等采用單點(diǎn)保護(hù)的信號，這些信號在機(jī)組運(yùn)行中均存在誤動的可能，若不采取防止誤動的措施會降低TSI系統(tǒng)的可靠性。此外在系統(tǒng)中還利用一塊軸向位移卡件兩個通道送出兩個信號，加上另外一塊卡件送出的一路信號，三者都送入ETS系統(tǒng)作為“三取二”的信號。若其中的兩通道卡件出現(xiàn)故障，同樣會造成保護(hù)信號的誤發(fā)，降低系統(tǒng)的可靠性。

1.3 現(xiàn)場設(shè)備安裝不規(guī)范

1.3.1 現(xiàn)場傳感器安裝不牢固或者不符合規(guī)范要求

傳感器是將汽輪機(jī)組的機(jī)械量(如轉(zhuǎn)速，軸向位移，振動，偏心，差脹和蓋振等)轉(zhuǎn)換成可供傳輸記錄的電參數(shù)，傳感器輸出的電參數(shù)信號經(jīng)過現(xiàn)場連線送到監(jiān)測系統(tǒng)。不同的測量對象對傳感器安裝的要求是不同的，傳感器的正常工作是保證TSI系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件。

現(xiàn)場由于傳感器安裝不符合要求造成了多起機(jī)組運(yùn)行中的異常事件發(fā)生。2014年3月某廠2#機(jī)組檢修后啟動，機(jī)組沖轉(zhuǎn)以后發(fā)現(xiàn)低壓缸脹差值先是呈現(xiàn)無規(guī)律的波動，一段時間后脹差值變?yōu)榱?。事后檢查是因?yàn)閮蓚€低壓缸傳感器在安裝時未加防滑墊，固定不牢固導(dǎo)致探頭位置偏移所致。2014年8月3#機(jī)組在臨修啟動后發(fā)現(xiàn)1#Y振動值一直為零，測量不到間隙電壓，事后檢查發(fā)現(xiàn)1#Y振動傳感器因套筒松動導(dǎo)致頭部已經(jīng)有部分被磨損。

1.3.2 延伸電纜及前置器連接不牢固或者被污染

對TSI系統(tǒng)來說，一個探頭對應(yīng)一根延長電纜和一個前置器，三者是一個測量整體，具有相應(yīng)的阻抗和特性曲線。一旦測量系統(tǒng)的阻抗和特性曲線發(fā)生變化，會引起測量信號的異常。由于前置器至傳感器延伸電纜接頭外殼連接前置器COM端，其與機(jī)柜內(nèi)卡件信號地連接，若接頭松動、破損及污染就可能發(fā)生前置器COM端與現(xiàn)場導(dǎo)體短接，從而造成雙端接地。當(dāng)這兩端存在電位差時，就可能竄入干擾信號，引起測量值波動。在現(xiàn)場中由于中間連接部分不牢固，接頭連接部分被污染等原因，受現(xiàn)場振動等的影響造成傳輸信號的異常并最終導(dǎo)致機(jī)組異常的事件時有發(fā)生。某廠3#、4#機(jī)組小機(jī)曾多次發(fā)生因延伸電纜中間接頭受振動或者人為誤動松動導(dǎo)致測量值突變情況發(fā)生，2014年6月8日甚至造成3#機(jī)組B小機(jī)跳閘。

1.3.3 周圍環(huán)境影響導(dǎo)致信號異常

汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)一次元件主要是電渦流探頭，其基本的測量原理是電磁感應(yīng)原理。在探頭中有一線圈，前置器中高頻振蕩電流，通過延伸電纜流入該線圈，產(chǎn)生一個軸向磁場。當(dāng)被測金屬體靠近這個磁場時切割磁力線產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小隨探頭與被測體表面間的間距變化，并經(jīng)延伸電纜送至前置器檢波、放大，轉(zhuǎn)化成被測間隙量變化的電壓信號。

若周圍有磁場影響該線圈產(chǎn)生的磁場時，電渦流的大小就不能正確地反映探頭與被測物間的間距，從而引起測量顯示異常。如:在某廠2#機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生過發(fā)電機(jī)側(cè)的6#Y振動信號波動的情況，檢查測量回路未發(fā)現(xiàn)異常，但是發(fā)現(xiàn)在該處的發(fā)電機(jī)碳刷處不時冒出電火花。在電氣人員處理碳刷問題后，測量恢復(fù)正常。

對于具有時滯的控制系統(tǒng)，期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)是1個一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)，那么對于副回路的閉環(huán)目標(biāo)函數(shù)可以描述為由式(9)可得:

某廠1#機(jī)組瓦振動在運(yùn)行中出現(xiàn)，1#到6#瓦振先后依次出現(xiàn)比較明顯的波動，隨后恢復(fù)正常的情況?，F(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)任何異常，后來查閱現(xiàn)場錄像發(fā)現(xiàn)原來是有巡檢人員利用手持式測振儀先后依次在1#到6#瓦附近進(jìn)行了振動測量。由于手持式測振儀探頭電磁干擾造成了瓦振測量值的波動。除了外部磁場對探頭的影響，測量回路受高溫環(huán)境影響造成電纜的老化，也是一個不容忽視的問題。

1.3.4 接地不規(guī)范導(dǎo)致干擾信號串入測量系統(tǒng)

不同的接地網(wǎng)之間會產(chǎn)生電勢差，在信號電纜的屏蔽層產(chǎn)生電流，疊加在信號上會引起毫安值模擬量的變動。因此必須通過可靠的系統(tǒng)接地和正確的電纜屏蔽措施來抑制干擾。電渦流探頭的延長電纜屏蔽層只允許一端接地(一般在機(jī)柜內(nèi)接地)，在同一框架內(nèi)接到監(jiān)視器的所有現(xiàn)場導(dǎo)線的屏蔽應(yīng)接在機(jī)柜內(nèi)的同一接地點(diǎn)，以避免形成接地回路。

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、高溫等原因在運(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，也可能會引起信號跳變。某廠4#機(jī)組在調(diào)試階段4#X振動曾出現(xiàn)沒有規(guī)律的波動。對測量回路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，更換就地振動探頭也無法解決。后來將整個電纜全部翻出檢查，發(fā)現(xiàn)其在電纜橋架拐彎處的電纜皮已經(jīng)破損，導(dǎo)致屏蔽層裸露與橋架接地，兩點(diǎn)接地引入干擾信號，從而引起信號跳變。

3#機(jī)組A小機(jī)1#Y振動在機(jī)組運(yùn)行中也曾多次發(fā)生測量值偶爾波動又恢復(fù)正常的情況，后檢查發(fā)現(xiàn)，連接振動傳感器的連接電纜中間，其連接頭處的熱縮套管破損，導(dǎo)致連接頭的金屬外殼，有時會接觸到小機(jī)外殼導(dǎo)致回路兩點(diǎn)接地。

1.4 運(yùn)行維護(hù)管理不到位

在TSI系統(tǒng)日常維護(hù)中，突發(fā)性事件通常有比較明顯的標(biāo)識，如故障報(bào)警，這是比較好處理的。而對于一些因系統(tǒng)元器件、連接介質(zhì)老化或者周圍環(huán)境變化等原因造成系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)逐漸下降，并最終超出系統(tǒng)工作允許范圍而引發(fā)的故障，或者因?yàn)槿藶橐蛩毓收蠈?dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低的情況則是比較難預(yù)防的。需要有到位的運(yùn)行維護(hù)管理制度才能盡量減少系統(tǒng)的故障率，對于一些可以早期發(fā)現(xiàn)的問題應(yīng)及時處理，防止缺陷擴(kuò)大。

2 提高TSI系統(tǒng)可靠性的主要方法

2.1 優(yōu)化硬件配置及保護(hù)邏輯

TSI系統(tǒng)必須配置兩路可靠的切換時間大于5 ms的AC220 V的冗余電源，同時在硬件上，TSI裝置應(yīng)該配置兩塊電源模塊。為了保證保護(hù)系統(tǒng)的全程冗余配置，設(shè)計(jì)為三取二保護(hù)的信號回路必須配置相應(yīng)數(shù)量的卡件，如轉(zhuǎn)速信號卡件、軸向位移信號卡件等都應(yīng)該配置三塊而不能從一塊卡件的不同通道中引出。所有輸出的保護(hù)信號均應(yīng)采用常開且兩路輸出的信號。

對于使用單點(diǎn)作為保護(hù)的振動信號宜增加一路確認(rèn)信號以防止單點(diǎn)保護(hù)誤動，即將單點(diǎn)的保護(hù)改成兩點(diǎn)相與后再輸出保護(hù)信號(以1X為例)。如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)保護(hù)邏輯修改原理圖

例如，可采用任何一路振動信號達(dá)到報(bào)警值，同時其他任何一路信號也達(dá)到跳機(jī)值，最后以保護(hù)信號的方式輸出。并且在DCS系統(tǒng)中設(shè)置振動信號偏差報(bào)警。軸向位移保護(hù)信號，宜采用三取二判斷邏輯或者具備同等判斷功能的邏輯輸出。且從現(xiàn)場信號測量到保護(hù)系統(tǒng)必須保證全程信號獨(dú)立、冗余。對于高、中、低壓缸脹差保護(hù)，若為單點(diǎn)時宜設(shè)置10～20 s延時;若有兩點(diǎn)信號時宜采用“二取二”邏輯，量程可設(shè)置不高于跳機(jī)值的110%。單點(diǎn)設(shè)置的汽輪機(jī)缸脹信號宜作為報(bào)警信號。保護(hù)信號采用冗余判斷邏輯時，其中一路信號動作后的復(fù)歸方式應(yīng)設(shè)置為手動方式。TSI系統(tǒng)的輸入信號通道，應(yīng)設(shè)置斷線自動退出保護(hù)邏輯判斷的功能。

2.2 提高TSI系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的可靠性措施

2.2.1 正確規(guī)范的完成TSI系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備安裝和調(diào)試工作

TSI系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的可靠性是保證整個系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，是保障TSI系統(tǒng)準(zhǔn)確動作的先決條件。傳感器安裝時其支架必須有足夠的剛性，與支架之間要采用可靠的防止松動的措施，如增加防滑墊等，振動探頭內(nèi)的螺紋與底座配套，不同規(guī)格的螺紋可能引起振動探頭安裝不牢，防止因長期振動導(dǎo)致傳感器松動甚至脫落。

應(yīng)選擇一體化的傳感器即傳感器與延伸電纜一體化，不帶中間接頭，否則要有可靠的措施保證傳感器尾線與延長電纜的接頭有可靠的絕緣。延伸電纜的走向與固定不應(yīng)有損失電纜的隱患。傳感器安裝前連帶與之配對的前置器應(yīng)該成套進(jìn)行效驗(yàn)，以確保系統(tǒng)有較好的線性。

2.2.2 規(guī)范TSI系統(tǒng)電纜接地及鋪設(shè)工作，防止干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)

為了防止電纜之間的信號相互干擾，每一個信號都應(yīng)該使用獨(dú)立的四芯屏蔽電纜，電纜鋪設(shè)時應(yīng)避開有可能出現(xiàn)電磁干擾的區(qū)域，信號電纜應(yīng)與動力電纜分層鋪設(shè)。系統(tǒng)采用在機(jī)柜側(cè)電纜一端接地法，即在電子設(shè)備間的TSI盤柜處單端接地，就地浮空。有備用芯的，備用芯在機(jī)柜處也應(yīng)該接地。

電纜屏蔽層應(yīng)直接延伸到機(jī)架的接線端子旁，盡量靠近框架處破開屏蔽層，使得露出屏蔽層的接線盡可能的短，并將屏蔽線直接接在機(jī)架的COM或者SHIELD端上。通常系統(tǒng)的COM端與機(jī)架電源在出廠時，缺省設(shè)置為導(dǎo)通，整個系統(tǒng)是通過電源地接地，因此與其他系統(tǒng)連接時，應(yīng)該把TSI系統(tǒng)和被連接的系統(tǒng)作為一個整體系統(tǒng)來考慮并保證屏蔽層為一點(diǎn)接地。前置放大器應(yīng)選擇金屬盒安裝，且應(yīng)放置在較小振動并便于檢修的位置，盒體底座墊10 mm左右的橡皮后固定住。

2.2.3 傳感器和延伸電纜的接頭必須連接緊固，定期檢查系統(tǒng)接線

對于沒有采用一體化傳感器的系統(tǒng)，傳感器尾線與延伸電纜中間的接頭在安裝完成后應(yīng)該使用熱縮套管進(jìn)行熱縮，以確保連接的可靠性和絕緣。利用停機(jī)機(jī)會對前置器接線進(jìn)行檢查緊固，必要時采用拉動試驗(yàn)，對掉出來的接線重新插接，確保接線緊固。對于機(jī)柜內(nèi)的接線也應(yīng)利用停機(jī)機(jī)會進(jìn)行緊線，但用力要適中，防止接線端子損壞。

2.3 加強(qiáng)對TSI系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理

合理的邏輯與系統(tǒng)配置、可靠的現(xiàn)場設(shè)備是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，而及時的檢修和維護(hù)則是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有力保證。因此需加強(qiáng)對TSI系統(tǒng)的部件、裝置、電纜運(yùn)行中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象及時檢修、維護(hù)和管理。

TSI的渦流探頭系統(tǒng)校驗(yàn)時，應(yīng)保證探頭、延長電纜和前置器成套進(jìn)行，校驗(yàn)周期隨機(jī)組B級檢修進(jìn)行，有資質(zhì)的檢定機(jī)構(gòu)出具的校驗(yàn)合格報(bào)告和機(jī)務(wù)配合下進(jìn)行的傳動效驗(yàn)記錄可溯源。定期檢查TSI系統(tǒng)的歷史曲線，若有信號跳躍現(xiàn)象，應(yīng)引起高度重視，及時檢查傳感器的各相應(yīng)接頭是否有松動或接觸不良，電纜絕緣層是否有破損或接地，屏蔽層接地是否符合要求等，并進(jìn)行處理。定期檢查測量TSI各測點(diǎn)的間隙電壓，結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)與以前的記錄進(jìn)行分析對比，了解變化趨勢。按規(guī)定進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)，確認(rèn)系統(tǒng)的可靠性。聯(lián)鎖試驗(yàn)時對每個保護(hù)項(xiàng)進(jìn)行一一確認(rèn)，對既有硬邏輯又有軟邏輯的保護(hù)系統(tǒng)，聯(lián)鎖試驗(yàn)單上要特別注明，并分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題要查明原因。就地測量探頭處應(yīng)貼有明顯的警示牌，嚴(yán)禁磁性物體接近探頭，在離探頭5米處嚴(yán)禁使用步話機(jī)通話。

3 結(jié)束語

通過采取上述措施，對靖海發(fā)電公司四臺機(jī)組兩種不同產(chǎn)品的TSI系統(tǒng)進(jìn)行了整改，TSI系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性得到明顯提高，未發(fā)生過因TSI系統(tǒng)故障造成機(jī)組出現(xiàn)異常的情況，有力地保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。

TSI系統(tǒng)是重要的熱控測量及保護(hù)系統(tǒng)，是保證汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要設(shè)備，而在實(shí)際生產(chǎn)過程中TSI系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性還存在一定的問題，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行還存在一些隱患，通過對現(xiàn)場出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析歸納與總結(jié)，結(jié)合火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)導(dǎo)則的要求，采取一些有針對性的措施，就可以保證TSI系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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