汽輪機(jī)軸向位移和脹差傳感器安裝探討

繆水寶

（蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241009）

0 引言

在高參數(shù)、大容量汽輪發(fā)電機(jī)組中，軸向位移和脹差是直接反映汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙的兩個(gè)最重要的技術(shù)參數(shù)，也是兩項(xiàng)重要保護(hù)。目前，由于許多機(jī)組的軸系機(jī)械安裝零位和監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的電氣零位不統(tǒng)一，經(jīng)常發(fā)生檢修后的機(jī)組因脹差、軸向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的零位鎖定不當(dāng)，導(dǎo)致該系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)后，測(cè)量誤差較大，甚至無法正常監(jiān)測(cè)和投入保護(hù)的情況，只能停機(jī)處理。檢修后機(jī)組軸向位移大小與脹差傳感器的安裝正確與否直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行［1］。

汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（Turbine Supervisory Instrumentation，TSI）是一種連續(xù)監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子和汽缸機(jī)械工作參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，能連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠地監(jiān)視機(jī)組在啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過程中的重要參數(shù)變化，為記錄表提供輸出信號(hào)，并在被測(cè)參數(shù)超出預(yù)置的運(yùn)行極限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，必要時(shí)采取自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。此外，還能提供用于故障診斷的各種測(cè)量數(shù)據(jù)［2］。其中TSI監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)就包括對(duì)軸向位移和脹差測(cè)量、監(jiān)視，其工作原理是利用渦流傳感器將其與被測(cè)表面的位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送至前置放大器，經(jīng)整形放大后，輸出0～24 V DC電壓信號(hào)，送至TSI卡件進(jìn)行信號(hào)處理。輸出開關(guān)量信號(hào)至汽輪機(jī)緊急停機(jī)系統(tǒng)（Emergency Trip System，ETS）實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，同時(shí)送出4～20 mA模擬量信號(hào)至汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）；通道故障、報(bào)警等開關(guān)量信號(hào)至分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）進(jìn)行畫面顯示以及光字牌報(bào)警。

1 汽輪機(jī)軸向位移

1.1 汽輪機(jī)軸向位移測(cè)量系統(tǒng)

軸向位移電渦流傳感器位于汽輪機(jī)中間軸承箱右側(cè)，兩只軸向位移傳感器安裝于2號(hào)與3號(hào)軸承箱的側(cè)面，固定在同一支架上，探頭朝向汽輪機(jī)方向安裝，測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。軸向位移檢測(cè)推力軸承與汽缸的相對(duì)位移，在機(jī)組運(yùn)行過程中，要使動(dòng)靜部件之間保持一定的軸向間隙及油膜，避免汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間發(fā)生摩擦和碰撞［3］。

圖1 脹差/軸向位移測(cè)量分布

軸向位移監(jiān)測(cè)采用了兩只傳感器，對(duì)應(yīng)于-2～+2 mm軸向位移測(cè)量范圍，型號(hào)為MMS6000 PR6424/010-040。

1.2 汽輪機(jī)軸向位移安裝調(diào)試

汽輪機(jī)軸向位移傳感器安裝如圖2所示。通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪確保測(cè)量范圍，并鎖緊調(diào)整架上的鎖緊螺栓。松開①②固定螺栓，可以旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪使軸向位移探頭遠(yuǎn)離或靠近汽機(jī)轉(zhuǎn)子凸緣，確保軸向位移在測(cè)量線性范圍。根據(jù)校驗(yàn)報(bào)告確定探頭安裝間隙電壓，在前置器輸出為-12 V處定位零位。

1）軸向位移方向的確定。探頭靠近推力盤為正，遠(yuǎn)離推力盤為負(fù)。即當(dāng)汽輪機(jī)大軸向發(fā)電機(jī)方向移動(dòng)為正，向機(jī)頭方向移動(dòng)為負(fù)。

2）現(xiàn)場(chǎng)軸向位移傳感器安裝在支架上的位置從左到右依次為軸向位移1、軸向位移2。定位時(shí)應(yīng)先固定好軸向位移傳感器1，測(cè)量前置器輸出直流電壓為-12 V，然后定軸向位移2，測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸向位移前置器輸出電壓都是-12 V，最后將兩個(gè)軸向位移鎖緊螺栓固定。

3）旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪至軸向位移報(bào)警值和危險(xiǎn)值（見表1），檢查MMS6210軸向位移監(jiān)視器、ETS系統(tǒng)畫面報(bào)警和汽機(jī)光字牌畫面報(bào)警正常。

4）最終定位：移動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪使前置器輸出電壓為-12 V，DEH畫面顯示0 mm。將鎖緊螺栓固定。

圖2 汽輪機(jī)軸向位移傳感器安裝

表1 汽輪機(jī)軸向位移/脹差定值 mm

2 給水泵汽輪機(jī)軸向位移

2.1 給水泵汽輪機(jī)軸向位移

每臺(tái)給水泵汽輪機(jī)設(shè)計(jì)有2套軸向位移測(cè)量系統(tǒng)，均安裝于前軸承箱內(nèi)，如圖3所示。小汽輪機(jī)軸向位移報(bào)警值和危險(xiǎn)值分別為±0.56 mm和±0.8 mm。2個(gè)信號(hào)中任一信號(hào)達(dá)到危險(xiǎn)值跳閘給水泵汽輪機(jī)。

圖3 給水泵汽輪機(jī)軸向位移測(cè)量

2.2 給水泵汽輪機(jī)軸向位移安裝調(diào)試

小汽輪機(jī)軸位移監(jiān)測(cè)的方向規(guī)定軸系由前箱側(cè)向小汽輪機(jī)側(cè)竄動(dòng)視為正方向。

參考檢修后傳感器校驗(yàn)報(bào)告，PR6423/004-010電渦流傳感器零位電壓V0、靈敏度K以及量程見表2。

表2 PR6423/004-010電渦流傳感器參數(shù)

軸向位移傳感器安裝時(shí)，以小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子推力盤與正、負(fù)推力瓦總間隙的中間值為0點(diǎn)來定位即“軸系的機(jī)械零位”。

安裝前將A/B兩臺(tái)小汽輪機(jī)推力盤推向推力瓦的非工作瓦塊（小汽輪機(jī)側(cè)），并與非工作面靠緊，即將軸系機(jī)械零位向小汽輪機(jī)側(cè)推了δ/2。其中，A、B小汽輪機(jī)推力間隙δ分別為0.40 mm和0.39 mm。因此，小汽輪機(jī)軸向位移傳感器安裝時(shí)，應(yīng)將推力間隙予以考慮，否則會(huì)產(chǎn)生δ/2的測(cè)量誤差。即：實(shí)際的傳感器安裝電壓V=V0±K·δ。其中，K為線性靈敏度，V0為零位電壓。

最終兩臺(tái)給水泵汽輪機(jī)軸向位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，DCS畫面顯示數(shù)據(jù)為0.2 mm左右，即將機(jī)械零位向正方向移了δ/2。

3 脹差監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在機(jī)組正常運(yùn)行中，脹差傳感器固定在缸體上，而傳感器的被測(cè)金屬表面鑄造在轉(zhuǎn)子上即測(cè)量盤上。汽缸和轉(zhuǎn)子受熱膨脹的相對(duì)差值稱為“脹差”，大型火電機(jī)組脹差有高中壓缸脹差 、低壓缸脹差。當(dāng)汽輪機(jī)減負(fù)荷或停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)子和汽缸分別以各自的死點(diǎn)為基準(zhǔn)膨脹或收縮。由于轉(zhuǎn)子溫度較汽缸低，轉(zhuǎn)子的軸向膨脹值比汽缸膨脹值小，兩者的膨脹差為負(fù)值，又稱為負(fù)脹差。由此可知，凡轉(zhuǎn)子軸向膨脹值大于汽缸膨脹值時(shí)，稱為正脹差，反之，稱為負(fù)脹差［4］。

一般來說，在冷態(tài)啟動(dòng)過程中，主要表現(xiàn)為正脹差，在熱態(tài)啟動(dòng)和停機(jī)過程中，主要表現(xiàn)為脹差往負(fù)向走［5］。高壓缸脹差探頭位于汽輪機(jī)前箱左側(cè)，低壓缸脹差位于6號(hào)瓦與7號(hào)瓦中間。

高中壓缸脹差監(jiān)測(cè)采用1只傳感器，對(duì)應(yīng)于-7.5～+12.5 mm脹差測(cè)量范圍。

低壓缸脹差監(jiān)測(cè)采用2只傳感器，對(duì)應(yīng)于-9～+31 mm脹差測(cè)量范圍。

3.1 補(bǔ)償式脹差測(cè)量原理

如果脹差測(cè)量范圍較大，已超過探頭的線性范圍，可采用斜面式測(cè)量和補(bǔ)償式測(cè)量方式。由于低壓缸脹差的測(cè)量范圍較大（0～40 mm），機(jī)組低缸脹差測(cè)量時(shí)采用補(bǔ)償式測(cè)量方法。在軸端推力盤的兩端各安裝一支探頭，在熱膨脹過程中，當(dāng)被監(jiān)測(cè)推力盤的移動(dòng)超出第1個(gè)探頭的測(cè)量范圍時(shí)，緊接著進(jìn)入第2 個(gè)探頭監(jiān)測(cè)范圍［6］，見圖 4（a）。兩個(gè)探頭輸出信號(hào)經(jīng)過前置器至MMS6210卡件合成為脹差信號(hào)［7］。

3.2 脹差傳感器安裝調(diào)試

機(jī)組停機(jī)時(shí)，用千斤頂將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子頂向一側(cè)，使轉(zhuǎn)子的推力盤緊靠推力瓦塊非工作面或頂向發(fā)電機(jī)側(cè)緊靠工作面。

圖4 低壓缸脹差安裝

用筆記本電腦連接MMS6210監(jiān)測(cè)器進(jìn)行組態(tài)時(shí)，channelOutput選項(xiàng)的子項(xiàng)“Inver Measuring Range”不選，當(dāng)被測(cè)面遠(yuǎn)離A探頭時(shí)脹差增大。如圖4（b）所示，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪確保測(cè)量范圍，并鎖緊調(diào)整架上的鎖緊螺栓。松開①②固定螺栓，可以旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪使脹差探頭遠(yuǎn)離或靠近汽機(jī)轉(zhuǎn)子凸緣，確保脹差在測(cè)量線性范圍。

低壓缸脹差采用補(bǔ)償式測(cè)量原理，即由2個(gè)探頭合成進(jìn)行脹差測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)低壓缸脹差探頭A安裝靠汽輪機(jī)側(cè)、低壓缸脹差探頭B安裝靠近發(fā)電機(jī)側(cè)。定位時(shí)分別固定好低壓缸脹差探頭A和B，移動(dòng)探頭支架，測(cè)量低壓缸脹差A(yù)和B前置器輸出電壓均為-20 V，此時(shí)轉(zhuǎn)子上的被測(cè)面處于支架中間位置，最后將2個(gè)脹差鎖緊螺栓固定好。

如圖4（b）所示，使支架連同探頭一起向右（發(fā)電機(jī)側(cè)）移動(dòng)11 mm，零位間隙即調(diào)停。

旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪至低壓缸脹差報(bào)警值和危險(xiǎn)值，檢查MMS6210低壓缸脹差監(jiān)視器、ETS系統(tǒng)畫面報(bào)警和汽機(jī)光字牌畫面報(bào)警正常。正向報(bào)警值和危險(xiǎn)值由于調(diào)整架移動(dòng)范圍所限，現(xiàn)場(chǎng)無法進(jìn)行全行程模擬，故沒有進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

最終定位：移動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整架手輪使DEH畫面顯示0 mm，將鎖緊螺栓固定好。

4 異常問題分析及處理

4.1 給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及處理

4.1.1 延伸電纜中間接頭問題及處理

2號(hào)機(jī)A給水泵汽輪機(jī)軸向位移1點(diǎn)發(fā)生突變，隨即進(jìn)行就地前置器和轉(zhuǎn)接頭檢查，當(dāng)確定前置器無異常后，對(duì)轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行重新包扎處理，處理后正常。

2號(hào)機(jī)組A給水泵汽輪機(jī)機(jī)軸向位移2點(diǎn)顯示不準(zhǔn)，檢查歷史趨勢(shì)另外一點(diǎn)顯示正常且振動(dòng)、推力軸承溫度均正常，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，判斷該測(cè)點(diǎn)本身存在問題，開工作票退軸向位移保護(hù)，檢查延伸電纜接頭，對(duì)其進(jìn)行清洗、重新包扎后恢復(fù)正常。因此，機(jī)組每次檢修后重新安裝時(shí)，探頭電纜與延伸電纜之間的接插件連接好后，應(yīng)用耐油熱縮套管封裝，使之與外部鎧裝電纜絕緣，禁止采用絕緣膠布等易腐材料進(jìn)行封裝，否則會(huì)影響傳感器的阻抗，致使測(cè)量誤差增大。探頭安裝時(shí)為防止機(jī)械損壞，應(yīng)把探頭引線與延伸電纜分開，并用工具夾住探頭上的扳手平臺(tái)緊固，探頭引線隨之旋轉(zhuǎn)，禁止握住傳感器引線旋轉(zhuǎn)。電渦流傳感器探頭組成如圖5所示。

圖5 電渦流傳感器探頭組成

4.1.2 電纜引線問題及處理

1號(hào)機(jī)組給水泵汽輪機(jī)在檢修期間，安裝探頭時(shí)進(jìn)行線性范圍模擬試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量前置器電壓超出正常范圍，后檢查發(fā)現(xiàn)傳感器引線處有破損影響了測(cè)量精度，見圖5（a）。由于給水泵汽輪機(jī)電渦流傳感器引線為無鎧裝，且隨著機(jī)組檢修次數(shù)的增多，探頭拆裝次數(shù)也因此增加，縮短了探頭的壽命。因此在安裝探頭時(shí)，引線必須要隨著探頭旋轉(zhuǎn)，否則引線受力后容易破損。更換一套校驗(yàn)好的新傳感器后前置器電壓恢復(fù)正常。

4.1.3 機(jī)組等級(jí)檢修后脹差/軸向位移異常處理

1號(hào)機(jī)A檢修后汽輪機(jī)高中壓缸脹差、低壓缸脹差相對(duì)檢修前異常；汽輪機(jī)軸向位移比機(jī)組檢修前絕對(duì)值偏大。

高中壓缸脹差檢修后由+0.55 mm變?yōu)?1.20 mm是由于高中壓缸返廠處理，在高中壓內(nèi)缸外壁加裝汽封裝置后，減少了高排的蒸汽對(duì)高中壓內(nèi)缸外壁的冷卻，由此汽缸夾層溫度變高，相應(yīng)的高中壓外缸溫度升高，從而汽缸絕對(duì)膨脹值增加（由檢修前膨脹值23 mm變?yōu)闄z修后膨脹值28 mm）。高中壓缸脹差滿負(fù)荷設(shè)計(jì)值為-2.5 mm，機(jī)組報(bào)警值為≤-5.3 mm或≥10.50 mm，故高中壓缸脹差-1.20 mm是機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)于低壓缸脹差由檢修前的14.47 mm變?yōu)闄z修后的13.06 mm，分析為低壓缸的滑銷系統(tǒng)修后保持了良好的膨脹性、脹差縮小，機(jī)組運(yùn)行的安全性提高。

軸向位移的零位確定為把轉(zhuǎn)子（軸系）向發(fā)電機(jī)側(cè)推足。檢修中轉(zhuǎn)子軸系定位時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重過推，而檢修人員在未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的情況下，通知熱工人員轉(zhuǎn)子已推到零位。熱工人員據(jù)此調(diào)整軸向位移測(cè)量裝置值，機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子前竄（軸向位移A：-0.84 mm、軸向位移 B：-0.82 mm）。依據(jù)軸向位移測(cè)量系統(tǒng)的工作原理證明轉(zhuǎn)子軸系前移，推力盤靠向機(jī)頭側(cè)。軸向位移數(shù)據(jù)已接近報(bào)警值。此數(shù)值包含軸系轉(zhuǎn)子推向發(fā)電機(jī)側(cè)的過推量以及推力間隙量，實(shí)際運(yùn)行中推力盤靠向定位推力瓦塊，造成汽輪機(jī)軸向位移負(fù)值較大［8］。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該軸向位移數(shù)據(jù)滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

處理措施與建議。機(jī)組在高負(fù)荷變動(dòng)下運(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)軸向位移的監(jiān)視；機(jī)組下次檢修或停運(yùn)期間軸系重新定零位并重新對(duì)軸向位移傳感器進(jìn)行安裝調(diào)整。

5 結(jié)語

通過對(duì)汽輪機(jī)兩項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)參數(shù)軸向位移、脹差傳感器安裝方面的探討，對(duì)機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中存在的一些問題進(jìn)行了分析并采取相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的一些問題提出了相應(yīng)的建議和應(yīng)采取的措施，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。在以后的實(shí)際運(yùn)行中以及機(jī)組等級(jí)檢修中繼續(xù)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)問題的總結(jié)，避免由于熱工測(cè)量裝置異常導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)。