汽輪機(jī)軸承振動(dòng)保護(hù)策略的優(yōu)化探討

陳長(zhǎng)和，林逢春，郭 勇，周超泉

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）是一種可靠的多通道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過監(jiān)視汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、鍵相、相對(duì)振動(dòng)、絕對(duì)振動(dòng)、軸位移、差脹、缸脹、偏心等運(yùn)行參數(shù)[1]，顯示汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況，記錄輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值越限報(bào)警，出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)使機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)還能為后期的故障診斷提供數(shù)據(jù)，因此廣泛應(yīng)用在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組上。

TSI系統(tǒng)通常由傳感器系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)連線及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，對(duì)于最常用的電渦流傳感器系統(tǒng)來說，由探頭、延伸電纜及前置器組成。當(dāng)接通前置器電源時(shí)，前置器產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，送至探頭頭部的線圈，從而在頭部周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1；當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近探頭頭部時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流場(chǎng)，從而產(chǎn)生一個(gè)與H1相反的交變磁場(chǎng)H2。由于H2的反作用，使得探頭頭部線圈內(nèi)的高頻電流的幅度和相位相應(yīng)變化，即改變了線圈的有效阻抗Z，通過前置器內(nèi)部處理之后，將線圈阻抗Z的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，從而實(shí)現(xiàn)探頭與金屬導(dǎo)體表面距離的測(cè)量，即實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬導(dǎo)體的振動(dòng)測(cè)量。

圖1 振動(dòng)測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of vibration measurement

圖2 本特利3500系統(tǒng)Fig.2 Bentley 3500 system

圖3 某電廠#3機(jī)組TSI裝置安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of installation of TSI device in a power plant #3 unit

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的25項(xiàng)重點(diǎn)要求》及《火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》中有關(guān)TSI系統(tǒng)可靠性評(píng)估相關(guān)規(guī)定，采用軸承相對(duì)振動(dòng)信號(hào)作為振動(dòng)保護(hù)的信號(hào)源，應(yīng)有防止單點(diǎn)信號(hào)誤動(dòng)的措施[2]；TSI系統(tǒng)的重要跳機(jī)信號(hào)應(yīng)冗余配置，輸出動(dòng)作信號(hào)應(yīng)至少有兩路至ETS系統(tǒng)組成二取一邏輯運(yùn)行[3]。

1 機(jī)組概況

某電廠3號(hào)機(jī)組TSI監(jiān)測(cè)采用了本特利3500系統(tǒng)，其中軸振共7個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用在每一個(gè)軸上各安裝一個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的方案，不符合重要保護(hù)需冗余配置的要求，且各軸承單一測(cè)點(diǎn)不能準(zhǔn)確反映出機(jī)組振動(dòng)的實(shí)際情況，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析帶來極大困難。振動(dòng)保護(hù)配置為：當(dāng)“任一軸承振動(dòng)大于254”時(shí)觸發(fā)振動(dòng)高高保護(hù)，通過3500/33（繼電器輸出卡）送出1路硬回路DO信號(hào)（常開觸點(diǎn)）至汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（ETS）機(jī)組跳閘保護(hù)動(dòng)作，單點(diǎn)保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)回路中有任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，均有可能造成機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，亟待解決。

圖4 相鄰軸承振動(dòng)保護(hù)跳閘邏輯Fig.4 Adjacent bearing vibration protection trip logic

2 幾種常見的振動(dòng)保護(hù)邏輯優(yōu)化方案

1）任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且相鄰軸X向或Y向振動(dòng)高觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳閘[4]

通過在振動(dòng)保護(hù)跳閘邏輯中增加相鄰軸承振動(dòng)高條件，只有當(dāng)本軸承出現(xiàn)振動(dòng)高高信號(hào)的同時(shí)，相鄰軸承觸發(fā)振動(dòng)高信號(hào)，才會(huì)最終觸發(fā)跳機(jī)保護(hù)[5]，減少了任一軸承高高單點(diǎn)誤動(dòng)的可能性。

2）任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且同軸另一方向振動(dòng)高觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳閘

在振動(dòng)保護(hù)跳閘邏輯中增加本軸承另一方向振動(dòng)高條件，只有當(dāng)本軸承一方向振動(dòng)高高信號(hào)觸發(fā)時(shí)，另一方向振動(dòng)高信號(hào)同時(shí)觸發(fā)才會(huì)最終觸發(fā)跳機(jī)保護(hù)，避免單點(diǎn)誤動(dòng)。

3）任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且除自身外任一軸承振動(dòng)高觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳閘

采用任一軸承振動(dòng)高高信號(hào)與除自身外任一軸承振動(dòng)高信號(hào)同時(shí)，觸發(fā)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)跳閘保護(hù)。通過在振動(dòng)保護(hù)邏輯中引入除自身外任一方向振動(dòng)高信號(hào)，兩者相與，增加了振動(dòng)保護(hù)邏輯的可靠性。

圖5 同軸承振動(dòng)保護(hù)跳閘邏輯Fig.5 Same bearing vibration protection trip logic

圖6 除自身外任一軸承高振動(dòng)保護(hù)跳閘邏輯Fig.6 Any bearing high vibration protection trip logic except itself

圖7 某電廠#3機(jī)組TSI裝置改進(jìn)方案Fig.7 A power plant #3 unit TSI device improvement plan

圖8 新增3500/42M 位移/速度加速度監(jiān)測(cè)器Fig.8 Newly added 3500/42M displacement/velocity acceleration monitor

3 TSI系統(tǒng)振動(dòng)保護(hù)改進(jìn)方案

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝

某電廠#3機(jī)組采用的汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠的330MW超臨界汽輪機(jī)，共有#1～#7共7個(gè)軸承，在每個(gè)軸承蓋上均有上海汽輪機(jī)廠預(yù)留的振動(dòng)探頭安裝孔位。

通過在汽輪機(jī)#1～#7軸承上增加1組7個(gè)振動(dòng)探頭，即在每個(gè)軸承的X向和Y向各安裝一個(gè)振動(dòng)探頭的方式，形成冗余。

新增振動(dòng)探頭采用與原系統(tǒng)相同型號(hào)，為提高TSI系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，在本特利3500系統(tǒng)的機(jī)架槽道8位置與9位置增加兩塊3500/42M 位移/速度加速度監(jiān)測(cè)器，分別接收VB1Y、VB2Y、VB3Y、VB4X、VB5X、VB6X、VB7X共7個(gè)振動(dòng)信號(hào)。

3.2 振動(dòng)保護(hù)邏輯優(yōu)化

某電廠#3機(jī)組原先振動(dòng)保護(hù)邏輯采用在3500/42M監(jiān)測(cè)器內(nèi)組態(tài)的方式，并通過3500/33 繼電器輸出模塊輸出一路DO信號(hào)至ETS進(jìn)行振動(dòng)保護(hù)跳閘動(dòng)作。

優(yōu)化后修改為由3500/42M監(jiān)視器模塊收集14個(gè)振動(dòng)信號(hào)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，輸出14路4mA～20mA模擬量至DEH中進(jìn)行組態(tài)。保護(hù)邏輯采用任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且除自身外任一軸承振動(dòng)高觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳閘。在DEH中進(jìn)行振動(dòng)保護(hù)判斷后，輸出三路硬回路DO信號(hào)至ETS中，進(jìn)行三取二邏輯判斷，最終實(shí)現(xiàn)振動(dòng)保護(hù)跳閘動(dòng)作。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知，14個(gè)振動(dòng)高高信號(hào)需分別與除本身外13個(gè)振動(dòng)高信號(hào)相遇，共有182種情況。若是將每種情況在邏輯中列出，會(huì)使邏輯過于冗長(zhǎng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中需要強(qiáng)制時(shí)過于復(fù)雜，且容易出現(xiàn)遺漏的情況?？紤]到振動(dòng)高高與振動(dòng)高在邏輯中進(jìn)行判斷，當(dāng)任一軸X向或Y向振動(dòng)高高觸發(fā)時(shí)，其振動(dòng)高同時(shí)觸發(fā)，將保護(hù)判斷邏輯進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)14個(gè)振動(dòng)高高信號(hào)有任一一條觸發(fā)時(shí)，同時(shí)有兩條振動(dòng)高信號(hào)觸發(fā)，即認(rèn)為有任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且除自身外任一軸承振動(dòng)高觸發(fā)。同時(shí)添加質(zhì)量判斷，只有當(dāng)振動(dòng)信號(hào)為好質(zhì)量時(shí)，參與振動(dòng)保護(hù)判斷邏輯，否則切除該點(diǎn)。

圖9 振動(dòng)保護(hù)判斷邏輯Fig.9 Vibration protection judgment logic

圖10 優(yōu)化后振動(dòng)保護(hù)判斷邏輯原理圖Fig.10 Logic principle diagram of vibration protection judgment after optimization

圖11 信號(hào)發(fā)生器模擬振動(dòng)信號(hào)Fig.11 Signal generator simulates vibration signal

3.3 邏輯優(yōu)化后TSI保護(hù)回路試驗(yàn)

為驗(yàn)證新增振動(dòng)信號(hào)正確性及振動(dòng)保護(hù)邏輯正確性，采用信號(hào)發(fā)生器模擬振動(dòng)信號(hào)試驗(yàn)，信號(hào)采用正弦波，直流偏置電壓為-6V，頻率為50Hz，信號(hào)加載在盤柜SIG和COM輸入端子上，通過調(diào)整幅度模擬振動(dòng)信號(hào)變化。經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)調(diào)整正弦波輸出幅度為1.1V左右時(shí)，觸發(fā)振動(dòng)高；調(diào)整正弦波輸出幅度為2.2V左右時(shí)，觸發(fā)振動(dòng)高高。在對(duì)182種情況分別進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化后TSI保護(hù)回路正常動(dòng)作。

3.4 振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)異常狀況，需分析主機(jī)TSI保護(hù)數(shù)據(jù)時(shí)，由于目前振動(dòng)數(shù)據(jù)沒有事故追憶功能，發(fā)生事故時(shí)不能獲得詳盡的振動(dòng)數(shù)據(jù)供分析診斷，僅能對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而沒有歷史數(shù)據(jù)，對(duì)引起故障的原因分析將造成困難。

為了更加準(zhǔn)確分析振動(dòng)與轉(zhuǎn)速、振動(dòng)與負(fù)荷、振動(dòng)與脹差等之間的相互關(guān)系，為查找故障原因提供直接依據(jù)，新增了1臺(tái)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)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析（TDM）系統(tǒng)，通過硬接線的方式將TSI系統(tǒng)中軸振、瓦振、鍵相等信號(hào)采集至數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)的3塊轉(zhuǎn)軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊和1塊鍵相模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)并行采集、存儲(chǔ)和預(yù)處理，通過上位機(jī)上安裝的監(jiān)測(cè)分析和故障診斷軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析處理。

4 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的TSI振動(dòng)保護(hù)回路由原先的7個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)高高信號(hào)單點(diǎn)保護(hù)送出1路DO信號(hào)至ETS進(jìn)行跳閘保護(hù)修改為7個(gè)軸承有任一軸X向或Y向振動(dòng)高高，且除自身外任一軸承振動(dòng)高觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)，同時(shí)添加質(zhì)量判斷，輸出三路硬回路DO信號(hào)至ETS中進(jìn)行三取二邏輯判斷，最終實(shí)現(xiàn)振動(dòng)保護(hù)跳閘動(dòng)作，能夠有效降低由單點(diǎn)保護(hù)帶來的誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性，能夠有效降低由于某一測(cè)點(diǎn)失效時(shí)引起的誤停機(jī)幾率，通過增加汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和事故追憶，提高了汽輪機(jī)機(jī)組軸承振動(dòng)保護(hù)的安全性與可靠性。