火電廠旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障分析及技術(shù)措施

馬仁婷

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗(yàn)研究院，河南鄭州 450000）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械本體和軸系的機(jī)械工作參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、脹差、熱膨脹、軸向位移等）幫助運(yùn)行人員判別大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并在被測(cè)參數(shù)超出預(yù)設(shè)值時(shí)發(fā)出報(bào)警及停運(yùn)信號(hào)，在必要時(shí)還可提供用于故障診斷的數(shù)據(jù)[1]。在火力發(fā)電廠中，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機(jī)安全監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)械量參數(shù)，為汽輪機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。通常，一些大型旋轉(zhuǎn)輔機(jī)設(shè)備（如給水泵汽輪機(jī)、引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)、風(fēng)機(jī)及水泵等）也配置有機(jī)械量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為降低設(shè)備投資成本、實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程節(jié)能經(jīng)濟(jì)，單輔機(jī)配置更多地應(yīng)用于火電機(jī)組，這對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性及可靠性要求更高。

1 硬件故障

旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的硬件組成主要是兩部分，分別是傳感器（部分需配置轉(zhuǎn)換器）和監(jiān)測(cè)裝置，前者直接感受被測(cè)機(jī)械量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)電纜傳輸至監(jiān)測(cè)裝置；后者則對(duì)傳感器送出的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理、判斷，同時(shí)輸出模擬量信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的硬件故障主要是傳感器故障和監(jiān)測(cè)裝置故障。

1.1 傳感器故障

1.1.1 故障類型

傳感器的故障類型主要有3 種，分別是元件損壞、選型與要求不符、安裝不當(dāng)。

（1）元件損壞通常是電子元件老化所致。據(jù)某發(fā)電公司2015—2021 年的火電機(jī)組非停案例統(tǒng)計(jì)，因旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件模件故障導(dǎo)致非停事故的共6 起，其中4 起與電子元件的老化相關(guān)。因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品理論使用壽命年限為10 年左右，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10 年后硬件產(chǎn)品故障率會(huì)逐漸升高。

（2）傳感器選型與運(yùn)行參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)情況要求不符，會(huì)造成測(cè)量異常。例如，某火電廠大修中更換差脹探頭，機(jī)組運(yùn)行后差脹信號(hào)異常偏大，經(jīng)咨詢?cè)O(shè)備廠家，發(fā)現(xiàn)傳感器的量程范圍與差脹測(cè)量要求的量程不符；某火電機(jī)組在小汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速快速變化時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量值不同，轉(zhuǎn)速偏差大于100 r/min，造成給水泵跳閘，因3 個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)由不同廠家不同型號(hào)的傳感器采集，判斷測(cè)量偏差是由于傳感器靈敏度差異造成[2]。

（3）用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器大多數(shù)為非接觸式，安裝不當(dāng)極易產(chǎn)生附加誤差甚至造成傳感器機(jī)械損壞。例如，某火電機(jī)組1 號(hào)軸承顯示值偏高且有波動(dòng)，檢查發(fā)現(xiàn)軸振傳感器固定支架太短，導(dǎo)致傳感器與側(cè)面金屬壁距離過(guò)近，造成傳感器磁場(chǎng)受到側(cè)面金屬壁的影響使測(cè)量值偏大[2]；某機(jī)組啟動(dòng)后給水泵汽輪機(jī)振動(dòng)值顯示為0 μm，檢查后發(fā)現(xiàn)傳感器直徑2～4 倍的范圍內(nèi)有其他金屬體，判斷振動(dòng)傳感器不能直接看到探頭的安裝情況，只能依靠安裝間隙電壓來(lái)判斷，而這一電壓被誤認(rèn)為是傳感器到軸承的間隙電壓，致使測(cè)量值異常。此外，支架設(shè)計(jì)不合理、剛性差也會(huì)使非接觸式傳感器的測(cè)量產(chǎn)生附加誤差，電渦流式探頭在安裝時(shí)應(yīng)避免探頭附近有其他導(dǎo)電介質(zhì)。

1.1.2 預(yù)防傳感器故障的有效措施

（1）運(yùn)行時(shí)間超過(guò)10 年的傳感器應(yīng)完善設(shè)備臺(tái)賬，強(qiáng)化設(shè)備劣化趨勢(shì)的分析工作，制定相應(yīng)的檢修技改計(jì)劃，同時(shí)制定對(duì)應(yīng)的巡檢及測(cè)試措施、做好事故預(yù)想，避免設(shè)備故障后事故擴(kuò)大。

（2）應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)測(cè)量精度要求和現(xiàn)場(chǎng)情況，選取技術(shù)先進(jìn)、成熟、可靠性高的傳感器。對(duì)于多點(diǎn)保護(hù)的測(cè)量信號(hào)，應(yīng)選用廠家相同、量程相同、靈敏度相同的傳感器。

（3）傳感器支架剛性應(yīng)符合要求，以避免支架自振造成的附加測(cè)量誤差。同時(shí)，安裝的支架能保證傳感器的安裝間隙和垂直度都能符合廠家要求。

（4）電渦流式傳感器端部的被測(cè)面應(yīng)光滑、均勻，傳感器直徑2～4 倍的范圍內(nèi)不應(yīng)有凹槽、凸臺(tái)等不均勻的部分。被測(cè)面應(yīng)能覆蓋傳感器直徑，被測(cè)面的范圍宜大于傳感器直徑的2 倍。

1.2 監(jiān)測(cè)裝置故障

監(jiān)測(cè)裝置一般由機(jī)架、電源模塊、處理器、輸入/輸出設(shè)備、通信設(shè)備、顯示設(shè)備、機(jī)柜等組成，對(duì)傳感器和轉(zhuǎn)換器送出的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理、判斷，同時(shí)輸出模擬量信號(hào)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。硬件配置不符合冗余性、分散性要求及系統(tǒng)功能存在缺陷等，是監(jiān)測(cè)裝置故障的主要原因。

原則上參與火電機(jī)組保護(hù)的測(cè)點(diǎn)需要完全獨(dú)立配置，即參與同一保護(hù)項(xiàng)目的冗余測(cè)點(diǎn)應(yīng)卡件、背板框架均分散布置。但實(shí)際上大多數(shù)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜僅配置一或二層框架，3個(gè)測(cè)點(diǎn)冗余的保護(hù)項(xiàng)目（超速、軸向位移）無(wú)法實(shí)現(xiàn)框架獨(dú)立配置。另外，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多，一般達(dá)不到“一測(cè)點(diǎn)配置一塊卡件”的要求。因此，某一卡件或背板故障將會(huì)有保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。如果電源模件故障，所有測(cè)點(diǎn)均會(huì)測(cè)量失效，事故影響范圍更大。

某火電機(jī)組單汽泵配置，在運(yùn)行過(guò)程中小汽輪機(jī)軸位移1#、2#、3#同時(shí)壞點(diǎn)，觸發(fā)小汽輪機(jī)軸位移保護(hù)，小汽輪機(jī)跳閘。調(diào)閱相關(guān)歷史曲線，發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生時(shí)同背板上所有測(cè)點(diǎn)均壞質(zhì)量且持續(xù)16 s 后恢復(fù)正常。因測(cè)點(diǎn)故障時(shí)間與卡件啟動(dòng)自檢時(shí)間相同，判斷因背板故障致使該背板上所有卡件自啟動(dòng)。該監(jiān)測(cè)裝置的硬件配置存在保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，參與重要保護(hù)的測(cè)量卡件布置在同一背板模塊，無(wú)法將故障風(fēng)險(xiǎn)分散。

某火電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中TSI 系統(tǒng)畫面中部分參數(shù)指示異常，1 r/min 后觸發(fā)低壓差脹大保護(hù)，機(jī)組跳閘。事故原因?yàn)?#、2#瓦振卡件中二極管短路造成瞬間電流過(guò)大，致使TSI 系統(tǒng)柜的24 V DC 電源模塊過(guò)載保護(hù)動(dòng)作，電源故障持續(xù)2 s 后恢復(fù)，在電源故障時(shí)低壓脹差卡件因受到?jīng)_擊損壞，導(dǎo)致停機(jī)信號(hào)誤發(fā)。該監(jiān)測(cè)裝置硬件通道間的故障隔離功能存在缺陷。

預(yù)防監(jiān)測(cè)裝置故障的有效技術(shù)措施有：

（1）卡件及通道配置應(yīng)符合火力發(fā)電廠熱工保護(hù)安全冗余配置基本原則，確保其分散性和冗余性。對(duì)于多點(diǎn)保護(hù)的測(cè)量信號(hào)，應(yīng)分配到不同模件上，并列運(yùn)行的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)卡件不應(yīng)布置在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)。

（2）電源配置應(yīng)為冗余配置，應(yīng)能夠接受電廠提供的兩路獨(dú)立電源，任何一路電源失去，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能不能喪失。應(yīng)配備雙路電源模件，以實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)直流側(cè)無(wú)擾切換。

（3）調(diào)試階段應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置功能進(jìn)行全面測(cè)試。監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)至少滿足以下功能：①電源切換過(guò)程中，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)正常工作，輸入及輸出信號(hào)不應(yīng)中斷和變位；②任何單個(gè)傳感器、轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測(cè)卡件故障或損壞不影響其他設(shè)備的正常工作，監(jiān)測(cè)卡件任一通道故障或損壞不影響卡件上其他通道的正常工作；③監(jiān)測(cè)卡件應(yīng)能帶電在線插拔和更換而不損壞，且不影響其他卡件和系統(tǒng)的正常工作，卡件帶電插拔時(shí)應(yīng)具備保持現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值不變的功能；④具有信號(hào)斷線判斷功能，且具備斷線時(shí)報(bào)警輸出功能和閉鎖保護(hù)輸出功能。

2 環(huán)境影響

旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)裝置在火力發(fā)電廠中就地安裝環(huán)境較差，易受現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、溫濕度及電磁環(huán)境干擾，造成測(cè)量可靠性下降、裝置故障率升高。

2.1 電磁干擾

旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器輸出的信號(hào)大多為毫伏級(jí)，極易受電磁干擾從而影響信號(hào)測(cè)量及計(jì)算。而火力發(fā)電廠中電磁干擾的干擾源較為復(fù)雜，如無(wú)線電波、電火花、過(guò)電壓、大容量設(shè)備啟停、電氣設(shè)備事故接地、雷擊等，這些干擾通常是偶發(fā)性的，后續(xù)不易驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)。

例如，某火電機(jī)組8Y 軸振經(jīng)常出現(xiàn)壞質(zhì)量，其他軸振參數(shù)均正常，經(jīng)檢查判斷8Y 軸振測(cè)點(diǎn)安裝于低壓缸與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁側(cè)，受勵(lì)磁干擾風(fēng)險(xiǎn)較大；某機(jī)組運(yùn)行期間有一轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)跳變，汽機(jī)實(shí)際上3000 r/min 時(shí)最低顯示只有2000 r/min 左右，檢查信號(hào)電纜后發(fā)現(xiàn)信號(hào)線是一根多芯電纜，電纜上有多組信號(hào)，信號(hào)間存在電磁干擾風(fēng)險(xiǎn)。

預(yù)防電磁干擾可從消除干擾源、隔斷干擾通道及削弱接收回路對(duì)干擾信號(hào)的靈敏度3 個(gè)途徑進(jìn)行預(yù)防[3]，具體措施如下。

（1）現(xiàn)場(chǎng)傳感器、接線盒等區(qū)域禁止使用無(wú)線電通訊設(shè)備，嚴(yán)禁磁性物體接近一次測(cè)量元件。

（2）電纜選型、屏蔽層處理應(yīng)合理規(guī)范。安裝傳感器信號(hào)宜采用無(wú)分屏的屏蔽電纜，線芯數(shù)量與傳感器信號(hào)匹配，不宜設(shè)置備用芯，屏蔽層現(xiàn)場(chǎng)側(cè)應(yīng)浮空，應(yīng)在機(jī)柜側(cè)接入屏蔽端子。

（3）系統(tǒng)機(jī)柜與底座、相鄰系統(tǒng)機(jī)柜應(yīng)絕緣安裝。安裝時(shí)，機(jī)柜與安裝底座、相鄰機(jī)柜間應(yīng)墊絕緣膠皮，固定機(jī)柜用地腳螺絲與底座或相鄰機(jī)柜間應(yīng)有膠皮絕緣。

（4）系統(tǒng)接地方式應(yīng)規(guī)范可靠。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的安全地、屏蔽地及相應(yīng)接地銅排，可采用中心接地匯流排的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單點(diǎn)接地。定期進(jìn)行接地電阻測(cè)試，接地電阻應(yīng)滿足規(guī)程要求。

2.2 其他外部干擾

火力發(fā)電廠大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境常伴隨著高溫、蒸汽，當(dāng)環(huán)境指標(biāo)超出裝置廠家要求時(shí)，測(cè)量回路發(fā)生異常的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)升高甚至加速設(shè)備老化。此外，測(cè)點(diǎn)安裝連接部件（支架、套管、螺母等）、電纜受振動(dòng)影響也會(huì)造成測(cè)點(diǎn)安裝位置偏移、接線松動(dòng)及電源故障等隱患。

某機(jī)組正常運(yùn)行1Y 振動(dòng)測(cè)量回路故障，檢查發(fā)現(xiàn)1#瓦軸承處軸封漏汽量比較大，探頭附近的溫度超過(guò)184 ℃，傳感器環(huán)境溫度過(guò)高。另外，泄漏的蒸汽順著1Y 振動(dòng)探頭金屬軟管里面漏到延伸電纜的地方，有蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)成水，造成延伸電纜絕緣下降，最終導(dǎo)致故障。

某機(jī)組運(yùn)行時(shí)，TSI 系統(tǒng)觸發(fā)“軸向位移大”保護(hù)，機(jī)組跳閘?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)是由兩路跳閘信號(hào)發(fā)出，汽輪機(jī)軸向位移模擬量顯示異常，測(cè)點(diǎn)因超量程下限判斷為壞質(zhì)量。檢查軸向位移信號(hào)電纜，發(fā)現(xiàn)電纜相間絕緣電阻、對(duì)地電阻均為零，沿電纜查找發(fā)現(xiàn)兩根軸向位移信號(hào)電纜均出現(xiàn)軟化粘連現(xiàn)象，判斷事故原因?yàn)殡娎|受壓、過(guò)熱，引起信號(hào)電纜絕緣損壞甚至短路。

處理此類故障的有效技術(shù)措施主要有4 個(gè)：

（1）檢修期間應(yīng)緊固各測(cè)點(diǎn)的套筒、螺母，在條件允許的情況下應(yīng)重新安裝偏離標(biāo)準(zhǔn)間隙電壓較大的測(cè)點(diǎn)。

（2）傳感器延伸電纜應(yīng)盡可能獨(dú)立走線，固定和走向應(yīng)不存在磨損的隱患且全程避開(kāi)高溫區(qū)域。延伸電纜應(yīng)采用銅線或漆包線進(jìn)行捆扎固定，以防浸油扎帶脆化。

（3）加強(qiáng)日常巡檢，保證設(shè)備運(yùn)行安全、通風(fēng)正常，定期對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫檢查，一旦出現(xiàn)信號(hào)擾動(dòng)要做全面檢查。

（4）將緊固接線端子、更換老化的接線端子、電源切換試驗(yàn)、電纜絕緣檢查等工作列入檢修常規(guī)項(xiàng)目。

3 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性直接影響火電機(jī)組大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行，本文通過(guò)事故案例從硬件故障、環(huán)境影響兩大方面對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行分析，并且針對(duì)共性問(wèn)題給出了合理的技術(shù)措施，為電廠檢修維護(hù)人員提供參考。