MMS6000汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)可靠性分析及優(yōu)化

瞿七九，粟宣淞，王華東

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 惠來 515223)

MMS6000汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)可靠性分析及優(yōu)化

瞿七九，粟宣淞，王華東

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 惠來 515223)

TSI系統(tǒng)是采集和處理電廠旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，不僅提供數(shù)據(jù)供檢修和運(yùn)行人員分析和判斷，也保護(hù)設(shè)備免受損壞。通過分析TSI系統(tǒng)的組成和工作原理，對(duì)其可靠性進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問題提出了合理的解決方法，增強(qiáng)了其正常工作的容錯(cuò)能力和可靠性。

汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)；可靠性；容錯(cuò)；傳感器；冗余配置

0 引言

某電廠1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)采用東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的沖動(dòng)式汽輪機(jī)。為了保證主機(jī)本體設(shè)備正常運(yùn)行，有必要對(duì)汽輪機(jī)各種重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，以便及時(shí)提醒運(yùn)行和檢修人員。TSI(Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng))可采集表征汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等，通過信號(hào)處理，及時(shí)將相關(guān)信號(hào)提供給檢修和運(yùn)行人員；同時(shí)當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，及時(shí)觸發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)正確動(dòng)作，并遮斷汽輪機(jī)，保證機(jī)組安全。另外TSI監(jiān)測(cè)信息可提供汽輪機(jī)動(dòng)平衡和在線診斷數(shù)據(jù)，檢修人員還可以據(jù)此分析可能存在的設(shè)備故障，使機(jī)組維修更有計(jì)劃性和可靠性，以減少設(shè)備損失，提高汽輪機(jī)組的可用率。由此可見，TSI系統(tǒng)的重要性不言而喻，其工作可靠性必須得到保證。以下對(duì)TSI系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)存在的問題進(jìn)行全面整改和優(yōu)化，保證其工作的可靠性。

1 TSI系統(tǒng)組成

該廠1 000 MW TSI系統(tǒng)采用EPRO公司的MMS6000系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由傳感器、智能數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，用來采集和監(jiān)視汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、軸向位移、脹差、偏心等信號(hào)。

1.1 傳感器系統(tǒng)

傳感器是將機(jī)械振動(dòng)量、位移、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)測(cè)量裝置是否與被測(cè)物體接觸，可分為非接觸式傳感器和接觸式傳感器。前者如電渦流傳感器，可以測(cè)量汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、軸向位移、振動(dòng)、脹差等物理量，其主要原理是通過傳感器端部線圈與被測(cè)物體間的間隙變化來測(cè)量物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移；后者如速度傳感器、LVDT傳感器，可以測(cè)量汽輪機(jī)軸承箱蓋振動(dòng)、缸的熱膨脹等，其主要原理是通過傳感器與被測(cè)物體直接接觸，反映物體物理量的直接變化。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是一套完整的系統(tǒng)，主要包括電源、各種數(shù)據(jù)采集及處理卡件、框架等。該系統(tǒng)將相應(yīng)傳感器的電量信號(hào)進(jìn)行整形、計(jì)算、邏輯處理后，輸出準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警指示，也實(shí)時(shí)監(jiān)視傳感器和卡件自身的工作狀態(tài)。重要電源和卡件等的冗余配置，提高了該系統(tǒng)工作的容錯(cuò)能力。

2 可靠性分析及優(yōu)化

在汽輪機(jī)正常啟停和運(yùn)行過程中，需密切監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)參數(shù)異?；虺^報(bào)警值時(shí)，需及時(shí)分析，找出異常的原因；在達(dá)到跳閘值時(shí)，需及時(shí)遮斷汽輪機(jī)，讓其安全停運(yùn)，以防事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，TSI系統(tǒng)在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中處于特別重要的地位，其設(shè)計(jì)、安裝不僅應(yīng)合理，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程要求設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋Ｗo(hù)邏輯，且要考慮選擇合適的控制設(shè)備、跳閘信號(hào)來源、信號(hào)測(cè)量安裝位置等，以保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠準(zhǔn)確、靈敏、可靠地監(jiān)視機(jī)組安全運(yùn)行。TSI系統(tǒng)還應(yīng)具有防止信號(hào)誤動(dòng)、拒動(dòng)的相關(guān)功能。因此，要使TSI系統(tǒng)可靠工作，就必須保證各環(huán)節(jié)的可靠性。

TSI系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，即采用功能不同的模件搭建所需要的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如監(jiān)視軸向位移的MMS6210模件、監(jiān)視軸承振動(dòng)的MMS6110模件和適應(yīng)不同需求的PR642X系列傳感器等。通過可靠性分析，發(fā)現(xiàn)其主要存在以下問題，并對(duì)這些問題進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 傳感器系統(tǒng)工作不穩(wěn)定分析及優(yōu)化

為了安裝方便，大部分電渦流傳感器的探頭與延伸電纜之間設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)接頭，如PR642X系列傳感器采用插接式轉(zhuǎn)接頭(見圖1)。EPRO系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝完成進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)波動(dòng)大而且不穩(wěn)定。對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查和分析后，發(fā)現(xiàn)在傳感器鎧裝電纜距探頭1 m的地方有一個(gè)長(zhǎng)約10 cm、直徑約1 cm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，里面是一根用小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)地連接的(見圖2)，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)。因此，決定在小LEMO接頭處用熱縮套管進(jìn)行絕緣處理，保證小LEMO接頭與金屬管及電纜鎧裝完全絕緣。這樣就保證了信號(hào)電纜的單端接地。再次試驗(yàn)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖1 傳感器中間連接示意

機(jī)組正常運(yùn)行后，又相繼發(fā)生了A小機(jī)振動(dòng)過大誤跳閘而減負(fù)荷事件、主機(jī)及小機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)多次不明原因的波動(dòng)等問題。初步懷疑是由于連接頭的絕緣沒有處理好，或運(yùn)行過程中磨損而引入了干擾信號(hào)，即小LEMO頭外殼與金屬管接觸。為了驗(yàn)證此判斷的正確性，將前置器地(COM端)至卡件的接線斷開(圖2中粗線所示)，用歐姆表測(cè)量前置器地(COM端)與鎧裝纜之間的電阻，電阻值滿足安裝要求，排除絕緣不良引起的波動(dòng)。搖晃中間接頭處發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)，由此確定是由于采用插接式連接的轉(zhuǎn)接頭連接不牢靠引起的信號(hào)電纜接觸不良，因此決定全部更換此種結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)，采用一體化的傳感器，保證測(cè)量的可靠性。

圖2 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置不合理分析及優(yōu)化

軸位移保護(hù)是汽輪發(fā)電機(jī)組最為重要的保護(hù)之一。為了提高汽輪機(jī)的效率，汽輪機(jī)級(jí)間間隙設(shè)計(jì)得都很小。因轉(zhuǎn)子的軸向位移是靠轉(zhuǎn)子的推力盤及推力軸承限制的，一旦推力軸承磨損，在機(jī)組啟動(dòng)和正常運(yùn)行中軸向位移就會(huì)變大，級(jí)間間隙就會(huì)變小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜子碰撞，損壞設(shè)備，故需對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向位移進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)軸向位移達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，立即遮斷停機(jī)?！斗乐闺娏ιa(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定：“所有重要的主保護(hù)都應(yīng)采用3取2的邏輯判斷方式，保護(hù)信號(hào)應(yīng)遵循從取樣點(diǎn)到輸入模件全程相對(duì)獨(dú)立的原則”。對(duì)TSI系統(tǒng)的配置進(jìn)行全面檢查后發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)軸向位移監(jiān)視和保護(hù)的配置雖采用了3個(gè)獨(dú)立的傳感器，但其中2個(gè)傳感器接到同一塊模件中。當(dāng)任一模件故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)即會(huì)失效。因此，增加1塊MMS6210位移測(cè)量模塊，使現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)位移信號(hào)分別接到對(duì)應(yīng)的模塊，保證從測(cè)點(diǎn)、回路到模件完全獨(dú)立，同時(shí)還克服了由于探頭安裝不合理導(dǎo)致信號(hào)疊加干擾的問題。

TSI系統(tǒng)不僅輸出監(jiān)視和保護(hù)信號(hào)至其他系統(tǒng)，如DCS系統(tǒng)、ETS系統(tǒng)，還輸出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的原始數(shù)據(jù)至汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)(TDM)，供分析轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)用。這就要求測(cè)量數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接線是利用專業(yè)工具將輸入、輸出線推至48針底座上的。因底座的金屬針裸露在外，如操作不慎或有金屬碎屑脫落，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)線短路，增加機(jī)組運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。由于至其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)過多，如中間增加了V/I轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)多路使用導(dǎo)致傳輸信號(hào)減弱；報(bào)警、跳閘輸出采用常規(guī)繼電器邏輯搭接等，不僅增加了設(shè)備采購(gòu)成本也不利于信號(hào)異常時(shí)的分析和判斷，因此采用新型框架結(jié)構(gòu)，利用端子插接方式進(jìn)行接線，以易于操作、改動(dòng)和擴(kuò)展。增加繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)邏輯報(bào)警、跳機(jī)、通道正常、3取2邏輯等開關(guān)量信號(hào)的輸出，既增加了裝置的可靠性，也提高了容錯(cuò)能力。

2.3 系統(tǒng)裝置接地不合理分析及優(yōu)化

機(jī)柜24 V DC電源不僅提供傳感器正常工作的電壓，也提供模件邏輯判斷的基準(zhǔn)電壓。例行檢查TSI機(jī)柜24 V DC電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)電源負(fù)端對(duì)地有+6 V電壓，電源負(fù)端未接地。為了檢驗(yàn)此種狀態(tài)是否影響數(shù)據(jù)測(cè)量，通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，在3A小機(jī)1號(hào)軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)預(yù)制電纜外殼上，分別加載4—16 V交流、直流干擾電壓后，小機(jī)TSI機(jī)柜內(nèi)的所有測(cè)點(diǎn)測(cè)量值均大幅波動(dòng)，甚至變壞值。此情況確認(rèn)為負(fù)端沒有接地導(dǎo)致。將24 V DC電源負(fù)端接地后，重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)測(cè)量值均無變化。通過對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際接線的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中需將24 V DC電源負(fù)端接地，聯(lián)系設(shè)計(jì)廠家確認(rèn)后，將電源負(fù)端接至機(jī)柜地端。電源負(fù)端沒有接地將會(huì)導(dǎo)致電荷聚積而無法釋放，影響傳感器正常工作。負(fù)端接地后不僅能消除干擾，釋放堆積的電荷，也提供了準(zhǔn)確的工作電壓和基準(zhǔn)信號(hào)。這樣就有效避免了信號(hào)地浮空導(dǎo)致基準(zhǔn)信號(hào)不準(zhǔn)，而使振動(dòng)信號(hào)異常的問題。

3 結(jié)束語

TSI系統(tǒng)作為電廠重要設(shè)備(汽輪機(jī)、小機(jī)、風(fēng)機(jī))的監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)，其安全、可靠工作不僅保證了設(shè)備可靠運(yùn)行，也保證了發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)TSI系統(tǒng)的可靠性分析和優(yōu)化，采取冗余配置、獨(dú)立合理取樣、高可靠性元器件、電源負(fù)端可靠接地等措施，提高了TSI系統(tǒng)工作的安全可靠性，為設(shè)備狀態(tài)分析提供準(zhǔn)確依據(jù)。

1 馬繼先，馬 琳．《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》輔導(dǎo)教材[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2015.

2 趙燕平．熱工聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)配置優(yōu)化技術(shù)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2006.

3 馬智勇．汽輪機(jī)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造[J]．電力安全技術(shù)，2012，14(8):37-39.

2016-12-03；

2017-05-16。

瞿七九(1982—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)檢修和技術(shù)管理工作，email：178232523@qq.com。

粟宣淞(1982—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)研究工作。

王華東(1983—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)維護(hù)工作。