汽輪機安全監(jiān)視與保護系統(tǒng)故障分析和改進技術研究

張浩龍，劉 威，孔德偉，張倍堯，楊明望

(華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400)

0 引言

汽輪機安全監(jiān)視與保護(turbine supervisory instrument，TSI)系統(tǒng)，通過監(jiān)測軸系的軸振動、軸向位移、差脹、熱膨脹、軸偏心、轉(zhuǎn)速、鍵相、零轉(zhuǎn)速等參數(shù)，幫助運行人員判別汽輪機的狀態(tài)；對監(jiān)測的數(shù)值與安全運行限值進行比較，發(fā)出報警信號和停機信號。它的測量系統(tǒng)是否安全、可靠，決定著機組能否安全、經(jīng)濟地運行。其中：軸振動、軸向位移、差脹、熱膨脹、軸偏心、鍵相采用電渦流傳感器，TSI超速、零轉(zhuǎn)速采用霍爾感應式傳感器，汽輪機數(shù)字電波(digital electric hydranlic,DEH)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速采用磁阻式傳感器。電渦流傳感器的測量系統(tǒng)主要由傳感器、電纜、前置器、信號處理卡件、輸出回路組成。磁阻式傳感器和霍爾感應式傳感器的測量系統(tǒng)與電渦流式傳感器測量系統(tǒng)相比，缺少前置器的轉(zhuǎn)換和濾波。

由于原設計的不合理、基建安裝的不規(guī)范施工、檢修維護過程中不細心等原因，使TSI系統(tǒng)存在一定的缺陷，如控制邏輯不完善、保護信號的硬件配置不合理、電纜及屏蔽不規(guī)范、電源不冗余等。這給汽輪機的安全運行埋下隱患，也造成了多起機組跳閘事故和設備異常事件。

本文通過統(tǒng)計和分析近年來66起由于熱控原因引起的TSI系統(tǒng)故障，從設備故障、硬件配置保護邏輯不合理、接線接觸不良、接地及電纜防護不規(guī)范、安裝不當、環(huán)境干擾、電源問題、人為因素等八個方面分析故障的原因，并結(jié)合典型案例提出相關故障的改進技術措施，為各個電廠的基建、檢修維護提供參考。

1 故障統(tǒng)計分析

通過對近年來66起熱控原因引起的TSI系統(tǒng)異常、故障[1-4]的統(tǒng)計分析，對引起故障的原因進行歸類，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 熱控原因引起TSI系統(tǒng)故障的原因歸類統(tǒng)計

從表1可以看出，熱控原因引起TSI系統(tǒng)故障中：現(xiàn)場設備安裝不規(guī)范及防護不當是引起故障的主要原因；保護邏輯設置的不合理也是其中的重要因素。

2 障原因分析及改進技術措施

2.1 設備故障

設備故障引起的事故中：傳感器周圍的溫度高或者傳感器耐高溫性能差引起的故障有3起；大修中更換差脹傳感器與要求量程不符造成顯示數(shù)據(jù)偏大異常事故1起；3個轉(zhuǎn)速傳感器靈敏度差異造成轉(zhuǎn)速快速變化時轉(zhuǎn)速測量值不同，轉(zhuǎn)速偏差超過100 r/min而判斷3個轉(zhuǎn)速值為壞點，造成給水泵跳閘事故1起；超速卡件故障誤發(fā)信號造成機組跳閘事故1起；磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器在3 400～3 900 r/min區(qū)域抗干擾能力差，兩個轉(zhuǎn)速傳感器測量值波動大，造成給水泵跳閘1起。

以上故障中既有設備選型的問題，也有設備本身的問題。為了避免類似設備故障的再次發(fā)生，提出以下改進措施。

①就地測量元件在選型過程中，要選用抗干擾性能好、耐高溫性能高的傳感器。

②根據(jù)汽輪機廠家的運行限值、系統(tǒng)測量精度、現(xiàn)場情況選取量程、最大線性誤差、溫漂合適的傳感器。

③電渦流傳感器測量位移值時，要保證傳感器的線性范圍大于被測間隙的15 %以上；對于多點保護的信號，要選用型號相同、量程相同、靈敏度相同的傳感器。

④測量元件在首次安裝前或者檢定周期到期后，要送至具有檢定資質(zhì)的機構(gòu)進行檢測，并出具正式的檢驗合格報告。在實際測量現(xiàn)場，經(jīng)實驗室檢定合格的傳感器要根據(jù)《火力發(fā)電廠汽輪機監(jiān)視和保護系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》(DL/T 1012-2006)[5]，采用真實物理量對每個測量回路進行校準。

⑤安裝前，要進行外觀檢查。在無明顯缺陷的情況下，用萬用表測量其直流阻抗；其直流阻抗必須符合制造廠規(guī)定。

⑥傳感器安裝位置的選擇在滿足測量要求的前提下，要盡量避開振動大、高溫區(qū)域和軸封漏汽的區(qū)域。

2.2 安裝不當

傳感器安裝過程中，如不按照制造廠家規(guī)定安裝或安裝不規(guī)范，都會造成測量異常。舉例如下。

①某機組給水泵汽輪機振動傳感器安裝在外部，不能直接看到探頭的安裝情況，只能用安裝間隙電壓來判斷安裝是否合格。機組啟動后，振動值顯示為0 μm。停機檢查發(fā)現(xiàn)，傳感器安裝不到位，傳感器距金屬體而不是軸承的距離較近，產(chǎn)生的電壓被誤認為是傳感器到軸承的間隙電壓。

②某機組1#軸承顯示值偏高且有波動，X向振動高于Y向振動。檢查發(fā)現(xiàn)，軸承傳感器固定支架太短，導致傳感器與側(cè)面間隙過小，不能達到電渦流傳感器安裝要求的34 mm，造成傳感器產(chǎn)生的磁場受到側(cè)面金屬壁的影響使測量值偏大。

③某機組汽動給水泵轉(zhuǎn)速由2 917 r/min跳變?yōu)? 630 r/min。停機后檢查發(fā)現(xiàn)，由于傳感器支架固定不牢固導致磁阻式轉(zhuǎn)速探頭測量間隙接近2 mm，與廠家要求的(1±0.1)mm相去甚遠，導致轉(zhuǎn)速信號跳變失真。

針對以上安裝過程中容易忽略的問題，可以通過以下措施進行改進。

①嚴格按照廠家要求進行安裝，間隙電壓誤差不超過±0.25 V，磁阻式傳感器間隙值誤差不超過±0.1 mm；為防止傳感器在機組運行中松動，盡量采用兩個鎖緊螺母鎖緊。

②傳感器支架的自振頻率應大于被測量工頻10倍以上[6]；當探頭保護套管的長度大于300 mm，設置防止套管共振的輔助支承；保證傳感器與側(cè)面的間隙達到安裝要求，以免造成對傳感器感應線圈的干擾；傳感器支架設計和安裝必須使傳感器垂直對準被測面表面，誤差不能超過±2°。

③為確保測量的準確性，軸向位移、差脹傳感器的調(diào)試必須向機務確認轉(zhuǎn)子位置，并進行全行程試驗；所有傳感器的安裝都必須記錄間隙電壓和間隙值。

④定期檢查各傳感器的間隙電壓和歷史曲線，有信號異常及時檢查處理；在條件允許的情況下，機組停機期間緊固各測點的套筒、螺母，偏離標準間隙電壓較大的測點應重新安裝。

2.3 接線和接頭接觸不良

電渦流傳感器測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電渦流傳感器測量系統(tǒng)示意圖

由前文分析可知，接線和接頭松動接觸不良造成的故障占了近四分之一，是引起TSI系統(tǒng)故障的主要原因之一。其中：傳感器輸出與延伸電纜的航空插頭造成的故障有2起，原因分別是航空插頭松動和航空插頭虛焊；接頭①(即延伸電纜1 m接頭)造成的故障有5起，原因有接頭防護不好氧化、靠近高溫油且采用自黏膠帶密封接頭松動、接頭松動與鎧裝導通、接觸不良；接頭②(即延伸電纜與前置器接頭)造成的故障有3起，主要原因是前置器安裝位置不好振動使接頭松動和出缸接頭密封不好漏油造成油污染使接頭內(nèi)有雜質(zhì)；接線端子松動造成的故障有4起，主要原因是就地和機柜接線端子松動、接線端子氧化。

采用以下技術措施，可改進接線和接頭接觸不良的問題。

①盡量選取傳感器與延伸電纜一體化的傳感器。傳感器與電纜采用航空插頭連接，焊接時要用焊錫焊牢；航空插頭的電纜出線用耐油密封膠密封牢固；航空插頭接頭要擰緊。

②盡量選取不帶中間接頭的、帶鎧裝電纜的傳感器；采用中間接頭，安裝前用丙酮或其他揮發(fā)性強的液體清洗接頭1和接頭2；確保接頭1擰緊，并用熱縮套管進行絕緣密封處理。

在室內(nèi)，假如穿缸接頭密封不好，潤滑油會在穿缸接頭處滲漏到地面，造成環(huán)境污染或者順延延伸電纜滲入接頭2，引發(fā)接觸不良。穿缸接頭應盡量選擇在油流沖擊小的位置；穿缸接頭可以采用在缸內(nèi)加裝向下的導流管引導潤滑油回流到軸承箱內(nèi)；接頭密封和尾線穿出可以加工的螺紋密封接頭和橡膠塊加密封膠進行密封；帶鎧裝的電纜可以剝除穿缸部分鎧裝[7]。

④前置器接線盒應選擇在振動較小并利于檢修的位置，盒體底座墊10 mm左右的橡皮后固定牢固，這樣可以避免接頭2由于振動引起松動。

⑤安裝過程接線端子要保證接線緊固，防止由于受力造成的接線松動；把接線端子緊固檢查列入檢修常規(guī)項目，老化的接線端子及時更換。

2.4 接地及電纜防護不規(guī)范

接地及電纜防護不規(guī)范造成的故障占四分之一，是威脅機組安全運行的主要因素之一。其中：電纜防護不規(guī)范造成多點接地情況造成的故障有12起，電纜、機柜、接線盒接地不規(guī)范造成的故障有5起。舉例如下。

①某機組6Y向振動探頭延伸電纜絕緣下降，導致振動信號的COM端與勵端擋油蓋發(fā)生短路。進行勵磁試驗時，勵端軸電壓加到擋油蓋上，諧波信號注入6Y振動信號COM端，導致信號跳變。由于所有的振動信號COM端相連的，會造成1#～7#瓦的14個振動信號跳變，導致機組跳閘。

②某機組TSI接地與交流穩(wěn)壓電源(active phase swithing,APS)地、不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power system,UPS)電源地、原旁路系統(tǒng)電源地、脫硝系統(tǒng)機柜接地、電氣系統(tǒng)ECS機柜接地，共19根接地線共同接到同一個接地匯流板上。TSI機柜接地不良，導致信號電纜屏蔽層未能起到屏蔽的作用，使環(huán)境中電磁干擾(如打雷、大型設備啟動)通過電纜混入振動信號中，造成軸振信號頻繁中斷[8]。接地不符合同一信號回路或同一線路屏蔽層只允許1個接地點的電力行業(yè)相關規(guī)定[9]。

③某機組轉(zhuǎn)速信號電纜屏蔽層在現(xiàn)場接線盒內(nèi)和電子室機柜內(nèi)都接地，形成兩點接地導致干擾信號串入，造成轉(zhuǎn)速顯示無規(guī)律間歇跳動，導致機組跳閘。

從上述典型案例可以看出，電纜防護不好、測點尾線固定不合格、就地接線盒和機柜接地不規(guī)范，是導致這類故障發(fā)生的主要因素。對此，可以采取以下技術措施進行改進。

①測量信號的電纜盡量選用金屬鎧裝電纜，元件沒有金屬鎧裝的可以套上黃臘管加強防護。

②軸振延伸電纜加裝線碼緊固在軸承外殼上，電纜的固定和走向不能存在有磨損的隱患，盡量避開油流沖擊的路線。延伸電纜不要用PVC扎帶進行捆扎和固定，以防浸油扎帶脆化；應采用1 mm2的銅線進行捆扎。延伸電纜至接線盒全程應避開高溫區(qū)域。

③傳感器外殼應接地，發(fā)電機、勵磁機的軸振和瓦振安裝時，底部應墊絕緣層并用膠木螺絲固定；鎧裝電纜不能與外殼直接接觸。

④前置器不與金屬接線盒直接接觸，浮空安裝，不與大地連接，電纜的屏蔽層全部連通，不得有斷層存在。屏蔽電纜的兩頭屏蔽層分別連接到前置器和測量儀表端子排的COM端，不與大地相連[10]。TSI機柜地線單獨接入電氣接地網(wǎng)。

⑤定期進行電纜絕緣的檢查，并把電纜絕緣列入檢修常規(guī)項目。

2.5 硬件配置及保護邏輯不合理

2.5.1 裝置硬件配置不合理

某機組超速卡件成組運行、動作。根據(jù)內(nèi)部邏輯，只要3塊超速卡件中2塊及以上，卡件就會監(jiān)測到轉(zhuǎn)速超過跳機值，則3塊超速卡件的繼電器都會同時動作。由于2號超速卡件硬件故障，超速繼電器誤動，機組跳閘。

①某機組超速保護動作機組跳閘，經(jīng)檢查為超速信號誤發(fā)。超速保護繼電器為常帶電，因電壓失去或不足而復位，誤發(fā)超速保護信號。

②某機組超速1因電磁干擾發(fā)出超速保護信號，而超速卡件2因曾經(jīng)發(fā)出保護跳機動作而沒有及時復位，三取二機組跳閘。超速保護信號表決方式采用非獨立表決方式，若任一塊超速保護卡在超速保護動作后沒有復位(必須人工復位)，而另外兩塊卡件任意一塊故障，就可發(fā)出超速保護動作指令，造成超速保護誤動。

針對硬件配置不合理的問題，可以采取以下措施。

①保護動作輸出繼電器的跳機信號，采用常開信號，即繼電器閉合跳機。

②帶保護信號應設置斷線自動退出保護邏輯判斷的功能。

③超速保護信號應為每個超速保護卡件通過單獨的繼電器輸出保護信號至ETS，進行三取二邏輯判斷。

④保護動作信號采用冗余判別邏輯，其信號動作后的復歸方式應設置為自動方式。

2.5.2 差脹單點保護

MMS6500原設計軸承振動控制回路如圖2所示。

圖2 MMS6500原設計軸承振動控制回路圖

某機組低壓差脹采取單點保護，信號突變至滿量程，導致機組跳閘；0.5 s后該信號恢復正常，無其他異常情況。

對于高、中、低壓差脹單點保護的信號，在有條件的情況下，應加裝測點采用多點保護。單點保護可設置延時10～20 s[11]，設置信號量程為跳機值的110%，以便壞點剔除保護功能的實現(xiàn)。

2.5.3 軸承振動保護設計不合理

軸承振動保護原設計大多采用單點保護。這種模式下，假如傳感器故障、卡件故障、信號干擾都可能造成機組誤動，將違反熱工保護“二取二”或者“三取二”的設計原則[12]。下面以epro公司MMS6500系統(tǒng)為例，分析原設計的不合理及改進方案，為軸振保護模式的改進提供參考。

從圖2可以看出，某瓦軸振X、Y向振動傳感器測量數(shù)值傳輸至軸振卡件，瓦振傳感器測量數(shù)值傳輸至瓦振卡件，軸振卡件和瓦振卡件輸出4～20 mA信號至DCS供監(jiān)視使用，輸出振動信號至TDM供振動分析使用?？?jīng)過判斷發(fā)出報警和危險信號，而X向軸振、Y向軸振、瓦振的報警信號和危險信號通過卡件之間的環(huán)線，分別輸出開關量信號至報警繼電器和危險繼電器，再輸出至DEH；DEH再輸出至ETS進行保護。這樣就使X向軸振危險、Y向軸振危險、瓦振危險中的任一信號發(fā)出，都能使機組跳閘。單點保護并且絕對振動，即瓦振信號參與保護。瓦振傳感器安裝在軸承蓋上，易受干擾造成機組誤動。

通過分析和咨詢廠家，提出MMS6500改進后軸承振動控制回路改進方案。

圖3 MMS6500改進后軸承振動控制回路圖

把1#X軸振、2#X軸振傳感器測量信號傳輸至一個軸振卡件，1#Y軸振、2#Y軸振傳感器測量信號傳輸至一個軸振卡件。通過加裝繼電器和拆除環(huán)線的方法，把卡件輸出的每個軸振報警和危險開關量信號都通過單獨的繼電器輸出至DEH。

在DEH中進行邏輯判斷，同一軸瓦的X(Y)向報警與Y(X)向危險相與輸出軸振跳機信號[13]。把瓦振報警和危險信號取消，只作監(jiān)視使用。這樣就做到了”二取二”的保護減少機組誤動。同時，兩個信號取至兩個不同的卡件，做到了取樣點的獨立，減少了卡件損壞造成的機組誤動概率。

2.6 環(huán)境干擾

環(huán)境干擾造成的故障主要有兩類：一類是電磁干擾，有5起；另一類是運行環(huán)境干擾，有4起。

某機組8#Y振動畫面顯示壞點，持續(xù)30 s后自動恢復正常；查看汽輪機各軸承振動正常，8#Y振動位于低壓缸與發(fā)電機勵磁側(cè)，受勵磁干擾。

某1#X方向振動跳變?yōu)?，又跳變?yōu)?17 μm，就地檢查探頭電阻10.18 Ω，探頭、接頭和前置器均正常，但間隙電壓為-2.5 V。經(jīng)調(diào)停檢查發(fā)現(xiàn)，探頭被油泥覆蓋。

TSI系統(tǒng)的一次測量元件工作環(huán)境復雜，既有溫度、振動、油污等環(huán)境干擾，也有大型設備啟停的諧波、雷電、勵磁系統(tǒng)、對講機、移動電話等設備的電磁干擾。對此，必須采取可靠的措施，以避免這些干擾影響設備正常運行。

①測點及接線盒避開高溫、振動大、油流沖擊大的區(qū)域。電纜敷設盡可能地回避干擾源，獨立走線，避開高電壓、交流信號等可能引起干擾的電纜。

②加強電子間的無線電監(jiān)管，避免對講機、手機等干擾源的干擾。嚴禁磁性物體接近一次測量元件或在一次測量元件5 m內(nèi)使用對講機、手機等易產(chǎn)生電磁干擾的設備。

③做好系統(tǒng)接地和電纜屏蔽接地。加強日常巡檢，保證機柜電源安全、通風正常，一旦出現(xiàn)信號擾動要作全面檢查。定期對高溫區(qū)域電纜測溫檢查。

2.7 電源問題

隨著近年來對電源問題的重視，大多電廠都采用了冗余電源。由于接線的松動、模塊老化等問題，造成設備故障還是有3起。

①某機組超速保護裝置電源回路的端子開路，引起L+B回路失電。供電回路上的二極管實際容量不足，造成回路過載運行、二極管發(fā)熱擊穿、電源輸出端無電壓、電源報警、機組跳閘。

②某機組MTSI電源故障報警，故障電源模塊檢測后發(fā)現(xiàn)脈沖寬調(diào)制芯片供電電容老化。一路UPS電源故障把本路電源模塊燒毀后，由于另外一路模塊老化造成帶負載能力下降，負荷的瞬間上升把該路模塊燒毀，最終造成芯片供電不足無法正常運行，MTSI機柜失電，MFT動作。

③某機組MTSI系統(tǒng)電源接線回路接線松脫或者松動接觸不良。電氣保安電源失電時，MTSI系統(tǒng)UPS電源由于接線松動導致MTSI機柜電源失電，發(fā)轉(zhuǎn)速故障信號，小機跳閘。

針對以上問題，可以采用以下改進技術措施進行改進。

①配備兩路可靠接地的220 V AC冗余電源，并且通過雙路電源模件進行供電。各檢測卡件用的24 V電源盡量采用同層監(jiān)視電源冗余及上下層間監(jiān)視器電源冗余的布置方式，實現(xiàn)電源無擾切換，并有失電報警輸出。電源切換時間不大于5 ms[14]，保證切換過程中各個監(jiān)測回路正常無誤。

②保證電源接通或斷開的瞬間，電源監(jiān)視模件應具有通、斷電抑制功能，不會誤發(fā)信號。

③機組檢修期間，要進行電源切換試驗和端子緊固檢查，并更換老化、有故障隱患的電源模塊。

2.8 人為因素

人為因素造成的故障大多在進行機組調(diào)試或試驗期間，舉例如下。

①某機組因3#X向軸振信號誤發(fā)跳閘，保護邏輯是本軸承X向報警和Y向跳機相與機組跳閘。檢查發(fā)現(xiàn)，1個月前3#Y向振動信號誤發(fā)，其繼電器信號觸發(fā)后運行人員未復位，滿足跳機邏輯。

②某新建機組試驗時，工作人員將錄波器接入轉(zhuǎn)速1時，錄波器接地，造成DEH測速卡故障。報警信號消失后未進行復位，在未查明原因又連接轉(zhuǎn)速2，轉(zhuǎn)速故障“三選二”滿足，機組跳閘。

以上案例充分暴露了工作流程存在疏漏，人員安全意識弱、專業(yè)素質(zhì)差、工作不細心的問題。今后要加強人員素質(zhì)的培訓，嚴格對熱控自動化系統(tǒng)檢修運行規(guī)程進行維護，提高檢修運行維護的質(zhì)量。尤其要完善熱工保護試驗制度、聯(lián)鎖投退制度，以減少因為人為原因造成的TSI系統(tǒng)的故障。

3 結(jié)束語

為確保TSI系統(tǒng)的安全、可靠運行，合格的設備、規(guī)范的安裝、周全的防護、合理的邏輯和可靠的測量系統(tǒng)是基礎，正常的巡視、及時的檢修、細心的維護是保證。本文對故障原因進行分析，并提出改進技術措施，為電廠檢修維護人員提供參考。