本特利3500系統(tǒng)在328.5MW汽輪機(jī)中的應(yīng)用

王振學(xué)

（國能（天津）大港發(fā)電廠有限公司，天津 300272）

3500汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)是本特利內(nèi)華達(dá)公司1995年推出的產(chǎn)品，其產(chǎn)品采用了可靠的微處理器和數(shù)字化技術(shù)，經(jīng)多次改進(jìn)和升級，具有良好的人機(jī)界面。

1 本特利3500系統(tǒng)介紹

隨著大型汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，對汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求不斷提高。蒸汽參數(shù)越來越高，汽輪機(jī)各部件設(shè)計(jì)更加精密緊湊，汽輪機(jī)葉片、噴嘴、軸封、軸瓦等之間的徑向間隙、軸向間隙等都更小，需要監(jiān)視的參數(shù)和保護(hù)越來越多，對汽輪機(jī)監(jiān)視儀表TSI提出了更高的要求。汽輪機(jī)監(jiān)視儀表系統(tǒng)TSI（Turbine Supervision Instrument），主要對汽輪機(jī)的振動、位移、偏心、脹差等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。本特利3500系統(tǒng)是美國本特利內(nèi)華達(dá)公司生產(chǎn)的一種能夠提供連續(xù)在線監(jiān)測功能的多用途系統(tǒng)，它適用于各類旋轉(zhuǎn)、往復(fù)式機(jī)械監(jiān)視、保護(hù)等場合，尤其適合作為電廠汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)。3500系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的19”框架結(jié)構(gòu)，可安裝多種不同功能的模塊，實(shí)現(xiàn)多種組合配置，完成汽輪機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測。

該系統(tǒng)主要硬件包括：用于安裝各種監(jiān)測模塊的儀表框架；提供系統(tǒng)運(yùn)行電源的電源模塊15；組態(tài)、通訊、連接其他系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)的框架接口模塊22M；位移監(jiān)測模塊40M；位移/速度加速度監(jiān)測模塊42M；空氣動力監(jiān)測模塊44M、脹差/軸向位移監(jiān)測模塊45、多用途監(jiān)測器模塊46M；轉(zhuǎn)速表模塊50；超速保護(hù)模塊53，增強(qiáng)型鍵相監(jiān)測模塊25，四通道繼電器模塊32，16通道繼電器模塊33。

主要應(yīng)用軟件包括：3500框架組態(tài)軟件，3500操作者顯示軟件，以及TDM系統(tǒng)軟件。

2 本特利3500系統(tǒng)常用硬件介紹

2.1 儀表框架

3500系統(tǒng)有兩種尺寸安裝框架可供選擇，全尺寸框架和迷你框架。其全尺寸框架寬度為19”，在現(xiàn)場可以根據(jù)實(shí)際情況，采用導(dǎo)軌、面板或壁板等多種形式靈活安裝[1]，應(yīng)用較多。19”框架最左端為兩個電源模塊專用位置，SLOT-1為框架接口模塊專用位置，框架中SLOT-2至SLOT-15的其余14個插槽，用戶可以根據(jù)需要靈活布置鍵相監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)速模塊、監(jiān)測器模塊、顯示模塊、繼電器模塊和通訊網(wǎng)關(guān)模塊的任意組合。框架深349 mm，中間為底板，提供框架內(nèi)模塊間電源分配、通訊傳輸?shù)然A(chǔ)功能，將框架分為前后兩個部分，所有模塊插入到框架的底板中。各個功能模塊組由前面板卡（主模塊）部分和框架后部配套的I/O模塊組成，現(xiàn)場接線均在框架后部I/O模塊上。3500框架還提供一種迷你型12”框架，迷你框架具有7個插槽，一般用于小型系統(tǒng)監(jiān)測。

2.2 電源模塊

3500/15電源模塊是一個半高度模塊，它必須安裝在框架最左端的槽位[2]，這個槽位分為上下兩部分，可以安裝1個電源模塊，也可以安裝兩個電源模塊。當(dāng)安裝兩個電源模塊時，上部電源為主電源，下部為備份電源，任何一個電源模塊均可提供整個框架正常運(yùn)行所需電流。3500/15電源模塊具有較大的電壓適應(yīng)范圍，它主要有4種電源輸入可供選擇：交流電壓（85V～132V）、交流電壓（175V～264V）、高壓直流（88V～140V）、低壓直流（20V ～30V），用戶可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活選擇電源模塊。當(dāng)現(xiàn)場需要較高的可靠性時，可以安裝兩個電源模塊1+1冗余供電，冗余電源模塊可以采用不同的形號，如主電源由220Vac電源供電，而備份電源可以由直流110VDC電源供電。當(dāng)主電源發(fā)生故障時，備份電源立即自動切換為主電源模塊功能，只要框架中有一個電源在工作，拆除或安裝第二個電源不影響系統(tǒng)運(yùn)行。3500/15電源模塊可以監(jiān)測所有的輸出電壓是否符合規(guī)范，通過自檢，在電源模塊前面板上的綠色“Supply OK”發(fā)光二極管（LED）顯示出來。

2.3 框架接口模塊22M

22M瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口模塊必須安裝在框架SLOT-1槽位，而且每個框架必須安裝一個模塊[3]。它提供BN主計(jì)算機(jī)通訊協(xié)議可以通過3500組態(tài)軟件對框架進(jìn)行組態(tài)，也可以通過BN TDI協(xié)議建立與本特利公司資產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)采集軟件之間的通訊，提供給工程師連續(xù)采集穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)波形數(shù)據(jù)。整套模塊分為主模塊（安裝于前槽位）和輸入/輸出模塊（安裝于后槽位）兩部分。主模塊前面板帶有9針D-SUB RS232接口，端口具有最大115.2K波特的自適應(yīng)能力，最大通訊距離30 m，可以用于3500組態(tài)軟件和顯示軟件通訊。配套輸入/輸出模塊有兩種，一種為支持TCP/IP協(xié)議的100Base-FX光線以太網(wǎng)模塊，物理接口為RJ45接口，最大通訊距離100 m，可以用于3500組態(tài)軟件和顯示以及本特利System1軟件通訊。第二種是一種為支持TCP/IP協(xié)議的10Base-T/100Base-Tx以太網(wǎng)模塊，物理接口為MT-RJ光纖接頭，最大通訊距離400 m，可以用于3500組態(tài)軟件和顯示以及本特利System1軟件通訊。22M瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口模塊有自檢功能，內(nèi)置系統(tǒng)OK繼電器，繼電器接點(diǎn)通過IO模塊輸出干接點(diǎn)，提供給DCS或其他系統(tǒng)使用。模塊前面板有4個LED，指示模塊的運(yùn)行狀態(tài)：“OK”常亮，模塊處于正常運(yùn)行模式；“TX/TR”閃爍，模塊于框架中其他模塊存在信息交換，通訊正常；“TM”框架處于報(bào)警倍增模式；“CONFIG OK”常亮，框架組態(tài)有效無沖突。模塊前面板帶有“RESET”按鈕，可以復(fù)位整個框架中任一模塊產(chǎn)生報(bào)警或“NOT OK”信息。22M模塊作為整個框架的數(shù)據(jù)通訊接口，當(dāng)整個框架組態(tài)完成后，22M模塊損壞或拆除，不影響整個3500系統(tǒng)的正常運(yùn)行和機(jī)械保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。

2.4 鍵相模塊

鍵相測量是通過被測軸上設(shè)置一個凹槽或凸鍵作為鍵相標(biāo)記，當(dāng)這個凹槽或凸鍵經(jīng)過探頭時，傳感器就會產(chǎn)生一個脈沖信號[4]。鍵相提供了精確汽輪機(jī)大軸旋轉(zhuǎn)一周的精確時間，它一般作為框架內(nèi)監(jiān)測器模塊或外部故障診斷設(shè)備測量倍頻幅值轉(zhuǎn)子相位的向量參數(shù)。改進(jìn)行的鍵相模塊擴(kuò)展了相位信號處理功能，鍵相模塊采用半高度設(shè)計(jì)，每個模塊2個通道，可以接收電渦流傳感器或磁電傳感器的信號作為輸入[5]。鍵相模塊前面板上有“OK”指示燈，當(dāng)OK燈常亮?xí)r，指示本模塊運(yùn)行正常；“TX/RX”燈閃爍，指示本模塊與其他模塊有數(shù)據(jù)交換，模塊通訊正常。一般系統(tǒng)配置1個鍵相模塊即可滿足框架需要，當(dāng)采用三冗余（TMR）方案時，3500系統(tǒng)必須安裝兩個鍵相模塊才能滿足要求。在TMR方式下，兩個鍵相模塊同時提供基本信號和輔助信號給其他監(jiān)測模塊使用。鍵相模塊在3500系統(tǒng)并非必須配置的模塊，但是沒有鍵相模塊支持，系統(tǒng)中偏心、振動等功能會有限制。

2.5 監(jiān)測器模塊42

3500/42M模塊是一個多用途的模塊，它可以完成下列各種功能：徑向振動、軸向位移、差脹、偏心、加速度、速度、絕對振動、圓形可接受區(qū)等[6]。42M監(jiān)測器模塊擁有4個通道，它可以連接位移傳感、速度傳感、加速度傳感器等，使用3500框架組態(tài)軟件進(jìn)行通道編程，通過對這些信號的處理完成振動、位移測量。42/M監(jiān)測模塊設(shè)置時每對通道功能必須是一致的，也就是說這個4通道的監(jiān)測模塊最多可以同時設(shè)置兩種功能，如通道1和2必須同時設(shè)置為軸振監(jiān)測功能，而通道3和4則可設(shè)置為軸向位移功能（或同樣是軸振功能），在策劃功能過程中需要避免不同功能布置在一對通道內(nèi)。通過組態(tài)軟件，用戶可以設(shè)定處理后的信號，按照儀表量程輸出4 mA～20 mA，接入記錄表、PLC、DCS等控制系統(tǒng)，為操作人員和維護(hù)人員提供監(jiān)測信息，模塊還可以為每個測量通道在其0%～100%范圍內(nèi)設(shè)置“一般報(bào)警值”和“危險(xiǎn)報(bào)警值”，報(bào)警可以設(shè)置延時。需要注意的是42M檢測器模塊提供的差脹監(jiān)測功能僅支持單探頭工作模式，在有特殊要求的現(xiàn)場不適合使用。42M模塊前面板上有“OK”指示燈，當(dāng)OK燈常亮?xí)r，指示本模塊運(yùn)行正常；當(dāng)“OK”指示燈閃爍時，模塊內(nèi)有報(bào)警或曾經(jīng)發(fā)生過報(bào)警，按下22M前面板上的“RESET”按鈕可以復(fù)位報(bào)警；“TX/RX”燈閃爍，指示本模塊與其他模塊有數(shù)據(jù)交換，模塊通訊正常；“BYPASS”為紅色指示燈，其指示模塊內(nèi)有通道故障。

2.6 監(jiān)測器模塊45

汽輪機(jī)脹差監(jiān)測用來顯示動、靜部分的相對位移，它可以連續(xù)地指示汽輪機(jī)在運(yùn)行中的軸向間隙[7]。3500/45模塊設(shè)計(jì)為專用的差脹/軸向位置監(jiān)測模塊，它可以連接多種傳感器作為輸入信號，最常用傳感器為AC線性位移傳感器（AC LVDT）和渦流傳感器。45監(jiān)測模塊4輸入通道，每對通道必須設(shè)置為相同功能[8]。如1、2通道必須同時設(shè)置為“差脹”功能，3、4通道則必須同時設(shè)置為相同的“差脹”功能或同時設(shè)置為其它功能。但是，只有通道3和通道4可以設(shè)置殼脹監(jiān)測。45模塊可被組態(tài)實(shí)現(xiàn)差脹、軸向位置、斜面差脹、補(bǔ)償式差脹、殼脹、閥門位置常用功能，45模塊與42模塊相比，更注重于脹差監(jiān)測功能的實(shí)現(xiàn)。需要注意不同的傳感器、不同的輸入信號45模塊配置的輸入/輸出（I/O）模塊是不同的，對系統(tǒng)配置通道功能做好規(guī)劃。45模塊前面板上有“OK”“TX/RX”“BYPASS”3個指示燈，指示模塊運(yùn)行狀態(tài)。需要注意采用聯(lián)合探頭測量差脹時，機(jī)組運(yùn)行中可能會因?yàn)闄z測面過于遠(yuǎn)離某一探頭，間隙電壓超出正常范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)判斷為故障。

2.7 轉(zhuǎn)速模塊50

轉(zhuǎn)速值顯示是汽輪機(jī)機(jī)組啟機(jī)、停機(jī)以及穩(wěn)定運(yùn)行的重要參數(shù)，而且汽輪機(jī)振動與轉(zhuǎn)速有著較為密切的關(guān)系，3500/50轉(zhuǎn)速表模塊提供精確的轉(zhuǎn)速測量。轉(zhuǎn)速模塊50具有兩個測量通道，它可以接收一個或者兩個渦流傳感器或磁電傳感器信號，信號允許輸入范圍+10V～-24V，超過這個電壓范圍，在模塊內(nèi)將受限，所以一般情況下選擇渦流傳感器配套使用。磁電傳感器受限的可能性更高[9]，而且磁電傳感器應(yīng)用在零轉(zhuǎn)速、反轉(zhuǎn)檢測等功能時，由于其不能提供較為清晰的脈沖延，可能導(dǎo)致監(jiān)測不準(zhǔn)。轉(zhuǎn)速模塊50提供了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子加速度和轉(zhuǎn)向等基本監(jiān)測功能，它還可以通過激活鍵相功能，向同一框架其它監(jiān)測模塊提供鍵相位信號，安裝鍵相位模塊。50轉(zhuǎn)速模塊具有峰值記憶功能，存儲曾達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速、最高反轉(zhuǎn)速度、反轉(zhuǎn)次數(shù)等，這個記憶值可通過復(fù)位按鍵復(fù)位。轉(zhuǎn)速模塊50前面板上同樣有“OK”“TX/RX”“BYPASS”3個指示燈，指示模塊運(yùn)行狀態(tài)。

2.8 繼電器模塊32/33

3500系統(tǒng)提供了兩種繼電器模塊，3500/32為4通道繼電器模塊，3500/33為16通道繼電器模塊。4通道繼電器模塊32每個通道驅(qū)動兩個單刀雙擲（SPDT）繼電器，每個輸出都可以執(zhí)行用戶編制簡單的報(bào)警邏輯，該邏輯僅可使用“與門”和“或門”編制，邏輯條件可以取用框架中組態(tài)的一般報(bào)警、危險(xiǎn)報(bào)警、非OK或獨(dú)立PPL等[10]，但是4通道繼電器卡邏輯長度有限制，而且4個通道共用邏輯長度，即4個通道邏輯相加不能超過一定值。16通道繼電器模塊33適用于大多數(shù)應(yīng)用場合，每個通道驅(qū)動1個單刀雙擲（SPDT）繼電器，每4個繼電器通過1個模式開關(guān)控制，選擇繼電器工作在正常帶電（NE）方式或正常不帶電（NDE）方式。16通道繼電器模塊可編制較長驅(qū)動邏輯，而且每個繼電器為獨(dú)立的邏輯存儲空間，邏輯編制靈活性較大。繼電器模塊可以作為3500系統(tǒng)對外輸出數(shù)字量接點(diǎn)的補(bǔ)充。

3 3500系統(tǒng)模塊及探頭在實(shí)際使用中的選型及配套

3.1 振動監(jiān)測

此型汽輪機(jī)具有6個軸瓦，分別需要配置軸振和瓦監(jiān)監(jiān)測。其中軸振探頭采用本特利3300系列8mm電渦流探頭、前置器、5m延伸纜系統(tǒng)，監(jiān)測模塊采用3500/42振動/位移模塊。模塊設(shè)置選擇標(biāo)準(zhǔn)的本特利8mm渦流探頭、徑向振動工作方式。由于此型汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，軸瓦與瓦蓋間隔太小，本特利瓦振探頭尺寸不能符合安裝要求，因而采用可以滿足安裝要求的第三方壓電式速度探頭CV160，監(jiān)測模塊采用本特利3500/42振動/位移模塊，模塊設(shè)置為非標(biāo)準(zhǔn)探頭。由于采用非標(biāo)準(zhǔn)探頭，因而模塊設(shè)置需要查詢CV60探頭技術(shù)手冊，對比本特利同類探頭技術(shù)數(shù)據(jù)，將探頭參數(shù)設(shè)置為速度傳感器，增加一級積分，以實(shí)現(xiàn)振動單位轉(zhuǎn)換輸出，滿足運(yùn)行人員監(jiān)視習(xí)慣。

3.2 軸向位移監(jiān)測

汽輪機(jī)軸向位移探頭安裝在汽輪機(jī)前箱內(nèi)，在大軸軸頭有一個高為40mm的環(huán)形檢測面，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)軸向竄動量為±2mm，絕對全行程間隙為4mm，需選用本特利3300系列11mm電渦流探頭、前置器、5m延伸纜系統(tǒng)，用本特利3500/42振動/位移模塊進(jìn)行監(jiān)測。其中某臺機(jī)組由于汽輪機(jī)制造廠制做大軸時，沒有設(shè)計(jì)安裝軸向位移的檢測面，因而不能再按照原方式安裝監(jiān)測，通過查找資料，研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和前箱構(gòu)造，在汽輪機(jī)大軸前端有一個與軸向約成45°的斜面，其寬度滿足探頭檢測要求，可以采用斜面檢測原理進(jìn)行軸向位移檢測。按照軸頭結(jié)構(gòu)和前箱固定部分結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了復(fù)雜的安裝支架，在一個支架和平面上完成了軸向位移斜向、軸向位移水平向、轉(zhuǎn)子偏心和鍵相探頭的安裝監(jiān)測，同時修改DCS控制系統(tǒng)組態(tài)，修正和線性化軸向位移數(shù)據(jù)。

3.3 鍵相監(jiān)測和偏心監(jiān)測

汽輪機(jī)鍵相探頭和偏心探頭與軸向位移安裝在同一支架上，均采用本特利3300系列8mm電渦流探頭/前置器/5m系統(tǒng)；分別采用本特利3500/25鍵相模塊和3500/42模塊進(jìn)行監(jiān)測。模塊內(nèi)探頭類型設(shè)置選擇標(biāo)準(zhǔn)的本特利8mm渦流探頭和相應(yīng)的偏心功能。

3.4 脹差監(jiān)測

本型汽輪機(jī)高壓缸脹差量程范圍為-12mm～+12mm，低壓缸脹差量程范圍為-7mm～+17mm，采用本特利3300系列25mm電渦流探頭/前置器/5m系統(tǒng)。由于單個探頭量程不夠，因而采用雙探頭聯(lián)合測量方式測量汽輪機(jī)高低壓缸脹差，采用本特利3500/45模塊進(jìn)行監(jiān)測。

3.5 轉(zhuǎn)速監(jiān)測

轉(zhuǎn)速探頭采用本特利3300系列8mm電渦流探頭/前置器/5m系統(tǒng)，采用本特利3500/50轉(zhuǎn)速模塊進(jìn)行監(jiān)測，向DCS提供轉(zhuǎn)速指示。

3.6 繼電器卡

本次系統(tǒng)選擇使用了4通道繼電器模塊3500/32和16通道繼電器模塊3500/33兩種卡件，利用繼電器模塊提供的邏輯運(yùn)算功能，將汽輪機(jī)振動保護(hù)邏輯設(shè)置在卡中，并分別由3塊繼電器卡輸出到汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（ETS），實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)振動保護(hù)功能。

3.7 電源配置

防止電力生產(chǎn)事故二十五項(xiàng)反措中要求，汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)和汽輪機(jī)監(jiān)視儀表，所配電源應(yīng)可靠[11]。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝了2塊電源模塊，配置為冗余電源系統(tǒng)。上部電源模塊為主電源，由機(jī)組UPS系統(tǒng)220VAC供電，下部電源模塊為備份電源，由機(jī)組廠用電220VAC供電，實(shí)現(xiàn)雙路電源供電、電源獨(dú)立，任何一塊電源模塊故障或損壞，均不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

4 結(jié)論

3500汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)是本特利內(nèi)華達(dá)公司1995年開始推出的產(chǎn)品，其產(chǎn)品采用了可靠的微處理器和數(shù)字化技術(shù)，經(jīng)多次改進(jìn)和升級，具有良好的人機(jī)界面。模塊種類較少，使用過程中配置靈活，在本廠TSI系統(tǒng)中除必須配置的電源和接口模塊，只使用了4種監(jiān)測模塊，即完成了整臺汽輪機(jī)的必要參數(shù)監(jiān)視。在實(shí)際使用中，對現(xiàn)場探頭的安裝細(xì)微誤差，可通過組態(tài)軟件進(jìn)行調(diào)整，提高了安裝、調(diào)試效率，投入運(yùn)行后各模塊、探頭穩(wěn)定，故障低，維護(hù)量小。該系統(tǒng)在328.5MW汽輪機(jī)組的應(yīng)用是成功的，為汽輪發(fā)電機(jī)組提供了準(zhǔn)確的參數(shù)指示。