汽輪發(fā)電機組TSI軸振動跳機邏輯設(shè)計改進

李進兵

摘? 要：汽輪機的安全監(jiān)測儀表系統(tǒng)（TSI）對汽輪發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行起著重要的作用，直接關(guān)系到機組運行的安全性和經(jīng)濟性。針對TSI系統(tǒng)重要監(jiān)測內(nèi)容軸振監(jiān)測介紹了統(tǒng)軸振監(jiān)測回路的構(gòu)成以及軸振跳機保護邏輯的設(shè)置。舉例說明了單點“或”軸振跳機邏輯和跳機值與上報警值軸振跳機邏輯，對于汽輪發(fā)電機組啟機過程中可能出現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域軸振動突然增大的工況提出了一種引入轉(zhuǎn)速判別的軸振跳機保護邏輯的改進設(shè)計。

關(guān)鍵詞：軸振;TSI;跳機保護;轉(zhuǎn)速判別

中圖分類號：TM311 ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0101-03

Abstract： TSI system of the steam turbine plays an important role in the safe and stable operation of the steam turbine generator set. This paper introduces the shaft vibration monitoring loop and the setting of the protection logic. Two examples of the shaft vibration tripping logic are introduced. For the operating conditions in which the shaft vibration suddenly increases in the critical speed area that may occur during the startup of the turbine generator set， an improved design of the protection logic of shaft vibration tripping logic with speed discrimination is proposed.

Keywords： Shaft vibration; TSI; Trip protection; Speed discrimination

汽輪機的安全監(jiān)測儀表系統(tǒng)（Turbine Supervisory Instrumentation）TSI是一種能對汽輪發(fā)電機組運行狀態(tài)參量可靠地進行長期、有效、準確、連續(xù)監(jiān)測的多路監(jiān)測系統(tǒng)。它能連續(xù)地監(jiān)測汽輪機的各種重要參數(shù)，例如：轉(zhuǎn)速、超速保護、偏心、軸振、蓋（瓦）振、軸位移、脹差、熱膨脹等，幫助運行人員判明故障，在被監(jiān)測的參數(shù)超出預(yù)置的設(shè)定值時發(fā)出報警及值停機信號保證機組安全。它也能提供故障診斷的各種測量數(shù)據(jù)。

1 軸振監(jiān)測回路的構(gòu)成

軸系的振動是TSI系統(tǒng)監(jiān)測的重要內(nèi)容。在測量軸振時，常常把渦流探頭裝在軸承殼上，探頭與軸承殼變?yōu)橐惑w，因此所測結(jié)果是軸相對于軸承殼的振動。由于軸在垂直方向與水平方向并沒有必然的內(nèi)在聯(lián)系，亦即在垂直方向（Y方向）的振動已經(jīng)很大，而在水平方向（X方向）的振動卻可能是正常的，因此，在垂直與水平方向各裝一個探頭，探頭采用渦流探頭。由于水平中分面對安裝的影響，實際上兩個探頭安裝保證相互垂直即可，如圖1所示。

當傳感器端部與轉(zhuǎn)軸表面間隙變化時，傳感器輸出一交流信號給監(jiān)測卡件，卡件計算出間隙變化（即振動）峰-峰（P-P）值。當測量值大于設(shè)定值時，卡件可輸出報警信號和跳機信號。

2 軸振跳機保護邏輯的設(shè)置

2.1 軸振報警邏輯的設(shè)置

對于軸振報警來說，因為報警只是提醒運行人員軸振測量超過正常值，并不用于汽機發(fā)電機組的跳機，因此軸振報警邏輯策略均選擇為“或”邏輯，為了能清楚說明，以一臺有2個軸承的機組為例，每個軸承上安裝互相垂直的2個軸振動測點，分別標記為X、Y，則軸振動報警邏輯如圖2。

即任意一個軸振動測點只要達到所設(shè)定的軸振報警值都會輸出報警信號。

2.2 軸振跳機邏輯的設(shè)計

對于軸振跳機邏輯來說，因其對汽輪發(fā)電機組運行的安全性及經(jīng)濟性會產(chǎn)生直接的影響，因此軸振跳機邏輯的準確性非常重要，在設(shè)計時需要充分考慮拒動和誤動的可能性，從而起到可靠保護機組安全可靠運行的作用。

一般來說軸振跳機的邏輯設(shè)計有多種，不同的機型，不同的汽輪機廠家給出的軸振跳機邏輯可能會有不同。本文僅列舉兩種予以說明： 單點“或”跳機邏輯，跳機值“與”報警值跳機邏輯。

2.2.1 單點或邏輯跳機

以有三個軸承的機組為例，這種跳機邏輯設(shè)計和軸振報警的邏輯一樣，即： 所有軸振動測點中只要有一個測點發(fā)出跳機信號，則驅(qū)動實際停機信號使機組停下來。振動跳機邏輯設(shè)計如圖3。

單點“或”跳機邏輯設(shè)計思想的出發(fā)點主要是保證機組的安全，寧可誤動不要拒動，因為軸振動大往往會造成汽機端部軸封磨損、隔板汽封磨損、葉片、葉輪等機組部件損毀的惡性后果，其經(jīng)濟損失要比誤動作產(chǎn)生的經(jīng)濟損失大得多。軸振單點“或”跳機邏輯在國外的主機廠制造商如GE、西屋、西門子、三菱、日立、東芝等的機組中得到廣泛采用。

但在我國，經(jīng)過實際運行統(tǒng)計，一般90%振動跳機是因為現(xiàn)場干擾，或者測量元件不穩(wěn)定所造成的誤跳機，而過多的誤跳機也會造成機組多次啟停的經(jīng)濟損失，因此軸振跳機邏輯需要綜合考慮機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

2.2.2 跳機值與上報警值跳機邏輯

此跳機邏輯的設(shè)計思路是： 既然單點跳機不可靠，則給跳機邏輯增加條件，不只看本軸承的單個方向的軸振跳機信號，同時還要看本軸承另一方向的測量值是否達到報警值或者其他軸承的軸振動信號是否達到報警值。只有本軸承一個軸振測量信號達到跳機值，本軸承另一方向的測量值達到報警或者其他的軸承測量值達到報警信號時才會跳機，此振動跳機邏輯設(shè)計如圖4。

由于停機邏輯中增加了軸振報警信號因此此邏輯增加了實際停機的難度，因此誤動的可能性大大降低。

軸振的跳機還有其他多種邏輯組合，無非是在機組的安全性和經(jīng)濟性之間進行取舍。這就需要總結(jié)機組的實際運行特性，根據(jù)機組的運行特性設(shè)計適合本機組的軸振跳機邏輯。另外考慮到機組實際運行中現(xiàn)場干擾對軸振探頭的影響，有些機組的跳機邏輯還增加了1秒或2秒的延時進一步增加了跳機邏輯的準確性。

3 跳機邏輯存在的問題及改進

不管是單點“或”跳機邏輯或者跳機值“與”報警值邏輯都沒考慮機組過臨界問題，當機組啟動轉(zhuǎn)速升到臨界轉(zhuǎn)速附近時，軸振振幅可能會突然加大，振動異常激烈，軸振完全有可能超過停機值，當通過臨界轉(zhuǎn)速后軸振又恢復(fù)正常。在這種情況下如果還是按照正常運行時的軸振情況設(shè)置報警跳機值顯然不能滿足汽輪機組啟動過程要求，從而導(dǎo)致在啟動過程中非正常跳機，導(dǎo)致機組不能正常啟動。

如果啟機過程中出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速處的軸振值大于正常運行情況下設(shè)置的報警停機值的情況，本文提出了兩種解決辦法。

3.1 手動打閘跳機

啟機過程中解除軸振自動跳機邏輯，啟機全過程完全由運行人員專門監(jiān)測汽輪機的振動情況，運行人員根據(jù)軸振監(jiān)測值自行決定是否需要手動打閘停機。待汽輪機達到額定轉(zhuǎn)速后再將軸振自動跳機邏輯恢復(fù)。這種方法雖然解決了啟動過程中臨界轉(zhuǎn)速大造成不必要跳機的問題，但是每次啟機都要解除、恢復(fù)軸振跳機邏輯增加了運行人員的負擔(dān)，并有可能在解除邏輯、恢復(fù)邏輯的過程中引入人為失誤因素造成邏輯錯誤。

3.2 引入轉(zhuǎn)速判斷

針對臨界轉(zhuǎn)速附近軸振動大的問題，我們可以考慮軸振設(shè)置雙閾值，即當汽輪機組在額定轉(zhuǎn)速范圍時可以設(shè)置軸振跳機值、報警值為較小的閾值，當在臨界轉(zhuǎn)速范圍時可以將軸振閾值放大，這樣汽機就可以沖過臨界轉(zhuǎn)速避免了啟機過程中由于軸振動大造成的不必要的停機。

以某百萬千瓦汽輪發(fā)電機組為例，該機組為半轉(zhuǎn)速機組，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，高中壓缸、三個低壓缸加上發(fā)電機一共有20個軸承。每個軸承處設(shè)有水平方向和垂直方向的軸振監(jiān)視探頭。軸振探頭的測量范圍為0-300μm，報警值為90μm，跳機值為130μm。

本機組的TSI系統(tǒng)還配置有兩個鍵相測量探頭，鍵相信號送到故障診斷系統(tǒng)用于軸的動平衡分析以及設(shè)備的故障分析與診斷等，兩個探頭一個運行，一個備用。

可以利用鍵相探頭作為轉(zhuǎn)速測量引入轉(zhuǎn)速判別，當汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于1450rpm時，可以認為是過臨界轉(zhuǎn)速運行;當轉(zhuǎn)速高于1450rpm時，認為是額定轉(zhuǎn)速運行。在升速及過臨界轉(zhuǎn)速情況下將軸振的報警值和跳機值擴大一倍分別為180μm和260μm，此閾值可以根據(jù)不同機組臨界過程實際情況進行更改。

表1 引入判別轉(zhuǎn)速的跳機閾值

以某一軸承的一個測量值為例，其轉(zhuǎn)速判別邏輯圖如圖5。

圖5中相關(guān)符號定義如圖6。

H為轉(zhuǎn)速判別閾值，H1為軸振報警值，H2為軸振跳機值。

以艾默生（原EPRO）的軸振卡件A6110為例，其轉(zhuǎn)速判別組態(tài)如下：

此卡件檢測相應(yīng)輸入端口由鍵相卡件A6312送來的轉(zhuǎn)速報警信號，轉(zhuǎn)速在小于1450RPM時啟動報警倍增功能，將正常設(shè)置的報警值、跳機值乘以組態(tài)中的限值倍增值2.00，從而使報警值、跳機值增大。

對20個軸承的每一個測量值都引入轉(zhuǎn)速判別后，其相應(yīng)的報警輸出信號、跳機輸信號再組合為相應(yīng)的跳機邏輯用于機組跳機，這樣就避免了機組啟動過程中臨界轉(zhuǎn)速軸振過高引起不必要跳機的問題。

4 結(jié)論

經(jīng)過機組的實際運行驗證，此項改進解決了汽機過程中汽輪機在達到額定轉(zhuǎn)速之前臨界轉(zhuǎn)速處振動大造成的不必要跳機情況。保證了機組啟動的成功率，提高了機組運行的安全性和經(jīng)濟性。

參考文獻：

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