張 亮

（東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

隨著機(jī)組容量的不斷擴(kuò)大,蒸汽參數(shù)越來(lái)越高,熱力系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。為了確保汽輪機(jī)的安全運(yùn)行,在汽輪機(jī)上都裝有各種類(lèi)型的安全保護(hù)裝置,以便對(duì)各種重要熱工參數(shù)、振動(dòng)和位移等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和保護(hù),以便在機(jī)器嚴(yán)重受損之前,預(yù)警事故先兆,并在事故即將發(fā)生之時(shí)關(guān)閉系統(tǒng),從而大大提高了設(shè)備的安全使用程度。因此,汽輪機(jī)安全監(jiān)視及保護(hù)系統(tǒng)（TSI）是一種集監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能于一體的系統(tǒng),是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械必不可少的裝備。

TSI系統(tǒng)主要由傳感器及智能板件組成。傳感器是將機(jī)械振動(dòng)量、位移、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)傳感器的性能和測(cè)試對(duì)象的要求,利用電渦流傳感器,對(duì)汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速、偏心、軸位移、軸振動(dòng)、脹差進(jìn)行測(cè)量;利用速度傳感器對(duì)蓋振進(jìn)行測(cè)量;利用線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）對(duì)熱膨脹進(jìn)行測(cè)量。另外,還可利用差動(dòng)式磁感應(yīng)傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)組的轉(zhuǎn)速,其中渦流傳感器在汽輪機(jī)的安全監(jiān)控中發(fā)揮了重要作用。

1 電渦流傳感器

電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來(lái)測(cè)物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移的,它與被測(cè)物之間沒(méi)有直接的機(jī)械接觸,具有很寬的使用頻率范圍（0～10 Hz）。電渦流傳感器的變換原理是傳感器的端部有一線圈,線圈通以頻率較高（一般為1～2 MHz）的交變電壓（見(jiàn)圖1）,當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí),由于線圈磁通鏈穿過(guò)導(dǎo)體,使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出一渦流ie,而ie所形成的磁通鏈又穿過(guò)原線圈,這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感,最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數(shù)的大小又與二者之間的距離及導(dǎo)體的材料有關(guān),當(dāng)材料給定時(shí),耦合系數(shù)K1與距離d有關(guān),K=K1（d）,當(dāng)距離d增加,耦合減弱,K值減小,使等效電感增加,因此,測(cè)定等效電感的變化,也就間接測(cè)定d的變化。

圖1 渦流傳感器原理簡(jiǎn)圖

圖2 前置器原理簡(jiǎn)圖

由于傳感器反饋回的電感電壓有一定頻率（載波頻率）的調(diào)幅信號(hào),需檢波后才能得到間隙隨時(shí)間變化的電壓波形。根據(jù)以上原理,為實(shí)現(xiàn)電渦流位移測(cè)量,必須有一個(gè)專(zhuān)用的測(cè)量路線。這一測(cè)量路線（簡(jiǎn)稱(chēng)前置器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的振蕩器和一個(gè)檢波電路等。渦流傳感器加上一測(cè)量線路（前置器）,如圖2所示。從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓,可分兩部分：一部分為直流電壓Vde,對(duì)應(yīng)于平均間隙（或初始間隙）,另一部分為交流電壓Vac,對(duì)應(yīng)于振動(dòng)間隙。

2 傳感器安裝與測(cè)量

2.1 轉(zhuǎn)速及零轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速值顯示是汽輪機(jī)組開(kāi)車(chē)、停車(chē)以及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的重要參數(shù),振動(dòng)值與機(jī)器轉(zhuǎn)速的相關(guān)性對(duì)最終分析機(jī)器性能十分重要。例如：在機(jī)器停車(chē)過(guò)程中,轉(zhuǎn)速突然下降,會(huì)意味著機(jī)器內(nèi)部存在著大面積的金屬摩碰。而零轉(zhuǎn)速是預(yù)先設(shè)定的軸旋轉(zhuǎn)速度,當(dāng)運(yùn)行的機(jī)器需停車(chē)時(shí),機(jī)器轉(zhuǎn)速達(dá)到零轉(zhuǎn)速設(shè)置點(diǎn),繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作,使盤(pán)車(chē)齒輪嚙合,使軸持續(xù)慢速旋轉(zhuǎn),來(lái)防止軸產(chǎn)生彎曲,以避免在接踵而來(lái)的開(kāi)車(chē)中由于軸彎曲對(duì)機(jī)器造成損壞。

測(cè)量鏈由2只裝于前箱正對(duì)齒盤(pán)的傳感器和板件組成,如圖3所示。當(dāng)機(jī)器旋轉(zhuǎn)時(shí),齒盤(pán)的齒頂和齒底經(jīng)過(guò)探頭,探頭將周期地改變輸出信號(hào)（脈沖信號(hào)）,板件接收到此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、顯示,與設(shè)定值比較后,驅(qū)動(dòng)繼電器接點(diǎn)輸出。

2.2 超速保護(hù)

火力發(fā)電機(jī)組超速是最危險(xiǎn)的情況之一,如不加以控制,會(huì)造成機(jī)組重大事故,導(dǎo)致飛車(chē)的危險(xiǎn)。最壞的超速情況之一是機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),造成轉(zhuǎn)速飛升。機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速飛升小于108%額定轉(zhuǎn)速,否則應(yīng)自動(dòng)打閘停機(jī)。根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API612要求,超速保護(hù)應(yīng)具有快速響應(yīng)和錯(cuò)誤冗余表決邏輯,因此本測(cè)量鏈采用“三取二”方式,如圖4所示。由3只裝于前箱正對(duì)于齒盤(pán)的渦流傳感器和3塊轉(zhuǎn)速表組成,與轉(zhuǎn)速測(cè)量是同樣的道理。

2.3 軸振動(dòng)

對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō),衡量其全面的機(jī)械情況,轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)振幅是一個(gè)最基本的指標(biāo),很多機(jī)械故障,包括轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、軸承磨損、轉(zhuǎn)子裂紋以及摩擦等都可以根據(jù)振動(dòng)的測(cè)量進(jìn)行探測(cè)。轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件,旋轉(zhuǎn)機(jī)械能否正常工作主要決定于轉(zhuǎn)子能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然,轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)不是孤立的,它是通過(guò)軸承支承在軸承座及機(jī)殼與基礎(chǔ)上,構(gòu)成了轉(zhuǎn)子—支承系統(tǒng)。一般情況下,油膜軸承具有較大的軸承間隙。因此軸頸的相對(duì)振動(dòng)比之軸承座的振動(dòng)有顯著的差別。特別是當(dāng)支承系統(tǒng)（軸承座、箱體及基礎(chǔ)等）的剛度相對(duì)比較硬時(shí)（機(jī)械阻抗較大）,軸振動(dòng)可以比軸承座振動(dòng)大幾倍到幾十倍,由此,大多數(shù)振動(dòng)故障都直接與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因此從轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)中去監(jiān)視和發(fā)現(xiàn)振動(dòng)故障,比從軸承座或機(jī)殼的振動(dòng)提取信息更為直接和有效。所以,軸振動(dòng)的測(cè)量對(duì)機(jī)器故障診斷是非常有用的。在測(cè)量軸振時(shí),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(cè)結(jié)果是軸相對(duì)于軸承殼的振動(dòng)。由于軸在垂直方向與水平方向并沒(méi)有必然的內(nèi)在聯(lián)系,即在垂直方向（Y方向）的振動(dòng)已經(jīng)很大,而在水平方向（X方向）的振動(dòng)卻可能是正常的,因此,在垂直與水平方向各裝一個(gè)探頭。由于水平中分面對(duì)安裝的影響,實(shí)際上兩個(gè)探頭安裝保證相互垂直即可,如圖5所示。當(dāng)傳感器端部與轉(zhuǎn)軸表面間隙變化時(shí),傳感器輸出一交流信號(hào)給板件,板件計(jì)算出間隙變化（即振動(dòng)）峰-峰（P-P）值。

2.4 軸承振動(dòng)（蓋或瓦振）

圖5 軸振測(cè)量示意圖

在軸振動(dòng)的測(cè)量中已說(shuō)明了大軸的振動(dòng)可以傳遞到軸承殼上,利用速度傳感器測(cè)量機(jī)殼相對(duì)于自由空間的運(yùn)動(dòng)速度,板件把從傳感器來(lái)的速度信號(hào)進(jìn)行檢波和積分,變成位移值,并計(jì)算出相應(yīng)的峰-峰值位置信號(hào)如圖6所示。

圖6 蓋振的測(cè)量示意圖

2.5 偏心

轉(zhuǎn)子的偏心位置,也稱(chēng)為軸的徑向位置,是指轉(zhuǎn)子在軸承中的徑向平均位置,在轉(zhuǎn)軸沒(méi)有內(nèi)部和外部負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,轉(zhuǎn)軸會(huì)在油壓阻尼作用下,在設(shè)計(jì)確定的位置浮動(dòng),然而一旦機(jī)器承受一定的外部或內(nèi)部的預(yù)加負(fù)荷,軸承內(nèi)的軸頸就會(huì)出現(xiàn)偏心,其大小是由偏心度峰-峰值來(lái)表示,即軸彎曲正方向與負(fù)方向的極差之差。偏心的測(cè)量可用來(lái)作為軸承磨損,以及預(yù)加負(fù)荷狀態(tài)（如不對(duì)中）的一種指示;轉(zhuǎn)子偏心（在低轉(zhuǎn)速時(shí)的彎曲）測(cè)量是在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中,必不可少的測(cè)量項(xiàng)目,能夠看到由于受熱或重力所引起的軸彎曲的幅度。偏心監(jiān)測(cè)板接受2個(gè)渦流傳感器信號(hào)輸入,如圖7所示。一個(gè)用于偏心的測(cè)量,另一個(gè)是鍵相器的測(cè)量,它用在峰-峰信號(hào)調(diào)節(jié)電路上。鍵相探頭觀察軸上的一個(gè)鍵槽,當(dāng)軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí),就產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓,這個(gè)脈沖可用來(lái)控制計(jì)算峰-峰值。當(dāng)然,鍵相信號(hào)也可用來(lái)指示振動(dòng)的相位,如圖8所示。當(dāng)?shù)弥獪y(cè)振探頭與鍵相探頭的夾角時(shí),就可找出不平衡質(zhì)量的位置,即轉(zhuǎn)子高點(diǎn)的位置。這對(duì)軸的平衡是很重要的。

2.6 軸位移

軸在運(yùn)行中,由于各種因素,諸如載荷、溫度等的變化會(huì)使軸在軸向有所移動(dòng)。這樣轉(zhuǎn)子和定子之間有可能發(fā)生動(dòng)靜摩擦,所以需用傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子軸向位置的變化。即軸在軸向相對(duì)于止推軸承的間隙。由于所采用的監(jiān)測(cè)器可能把傳感器的失效作為軸向位移故障而發(fā)出報(bào)警信號(hào),由此可能引起機(jī)組誤停機(jī)。而根據(jù)API670標(biāo)準(zhǔn)要求,用兩個(gè)探頭同時(shí)探測(cè)一個(gè)對(duì)象,可以避免發(fā)生誤報(bào)警。但要求兩個(gè)探頭的安裝位置離軸上止推法蘭的距離應(yīng)小于305 mm,如果過(guò)大,由于熱膨脹的影響,所測(cè)到的間隙,不能反映軸上法蘭與止推軸承之間的間隙。如圖9所示,兩個(gè)渦流探頭測(cè)量轉(zhuǎn)子的軸向變化,輸出探頭與被測(cè)法蘭的間隙成正比的直流電壓值,板件接受此電壓值后,經(jīng)過(guò)計(jì)算處理,顯示出位移值。為避免誤報(bào)警,停機(jī)邏輯輸出為“與”邏輯。

2.7 脹差

脹差是轉(zhuǎn)子和汽缸之間的相對(duì)熱增長(zhǎng),當(dāng)熱增長(zhǎng)的差值超過(guò)允許間隙時(shí),便可能產(chǎn)生摩擦。在開(kāi)機(jī)和停機(jī)過(guò)程中,由于轉(zhuǎn)子與汽缸質(zhì)量、熱膨脹系數(shù)、熱耗散系數(shù)的不同,轉(zhuǎn)子的受熱膨脹和汽缸的膨脹就不相同,實(shí)際上,轉(zhuǎn)子的溫度比汽缸溫度上升得快,其熱增長(zhǎng)的差值如果超過(guò)允許的動(dòng)靜間隙公差,就會(huì)發(fā)生摩擦,從而可能造成事故。監(jiān)視脹差值的目的,就是在產(chǎn)生摩擦之前采取必要的措施來(lái)保證機(jī)組的安全。由于不可能在汽缸內(nèi)安裝渦流傳感器,利用滑銷(xiāo)系統(tǒng),傳感器被固定在軸承箱的平臺(tái)上,測(cè)量示意圖如圖10所示。另外,脹差測(cè)量如果范圍較大,已超過(guò)探頭的線性范圍時(shí),則可采用斜面式測(cè)量和補(bǔ)償式測(cè)量方式。

圖10 脹差測(cè)量示意圖

3 TSI監(jiān)視器在1 000MW機(jī)組中的應(yīng)用

綏中電廠二期擴(kuò)建2×1 000 MW機(jī)組的汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)日本日立公司技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界壓力汽輪機(jī),型號(hào)為N1000-25/ 600/600,為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓式、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠啓C(jī),具有較高的效率和安全可靠性。

機(jī)組選用美國(guó)本特利（Bently）公司生產(chǎn)的3500系統(tǒng)為汽輪機(jī)的監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)。本特利3500系統(tǒng)是目前我國(guó)大型機(jī)組上應(yīng)用較為廣泛,也是本特利公司最先進(jìn)的TSI系統(tǒng)。本特利3500系列儀表在使用過(guò)程中以其實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的精度,組態(tài)調(diào)整的靈活性,模件、前置放大器、探頭的可替換性,安裝后為細(xì)微偏差的可調(diào)整功能給調(diào)試、使用提供了很多方便。

系統(tǒng)具有以下主要技術(shù)特點(diǎn)。

a.單元模塊化結(jié)構(gòu),安裝于標(biāo)準(zhǔn)框架中,主要包括電源模塊、接口模塊、鍵相模塊、監(jiān)測(cè)模塊、通信模塊等。

b.各功能模塊都有一單片微控制器（MCU）,用于實(shí)現(xiàn)各模塊的智能化功能,如組態(tài)設(shè)置、自診斷、信號(hào)測(cè)試、報(bào)警保護(hù)輸出、數(shù)據(jù)通信等。

c.各模塊間通過(guò)RS232/RS422/RS485總線和MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,最高通信速率為115.2 kbit/s。

d.可通過(guò)上位機(jī)的組態(tài)軟件對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行組態(tài)設(shè)置,并下載到各個(gè)模塊的非易失性存儲(chǔ)器中。

e.雙重冗余供電電源模塊。

f.支持帶電拔插功能。

本特利3500系統(tǒng),測(cè)量顯示通過(guò)上位機(jī)顯示或直接觸發(fā)繼電器模塊輸出,大部分內(nèi)部設(shè)置都在軟件中完成,而且具有多種通信方式。調(diào)試過(guò)程中,可以用本特利公司提供的RS232通信接口與DCS系統(tǒng)連接,在DCS操作員站進(jìn)行組態(tài)配置和參數(shù)顯示。另外,還有相對(duì)振動(dòng)、軸位移、脹差等參數(shù)通過(guò)4～20mA信號(hào)送到DEH系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

3500 監(jiān)視系統(tǒng)軟件主要有3個(gè)軟件包。

a.框架配置軟件。主要包括框架配置、機(jī)架接口模塊與主機(jī)端口測(cè)試使用程序及通信網(wǎng)關(guān)測(cè)試使用程序、框架配置教程、框架配置幫助等。

b.數(shù)據(jù)采集DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）服務(wù)器軟件。主要包括數(shù)據(jù)采集DDE服務(wù)器、軟件配置使用程序及編輯軟件實(shí)用程序、RIM（框架接口模塊）主機(jī)接口測(cè)試實(shí)用程序、數(shù)據(jù)采集顯示教程。

c.操作員顯示軟件。主要包括監(jiān)視器通道值的條形顯示、機(jī)器鏈圖和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值、趨勢(shì)圖、系統(tǒng)事件列表、現(xiàn)用的報(bào)警信號(hào)列表、報(bào)警信號(hào)列表。

4 結(jié)束語(yǔ)

渦流傳感器具有線性范圍大、精度和靈敏度高、頻響寬、抗干擾能力強(qiáng)和溫度特性好、安裝和調(diào)試方便、檢測(cè)值不受油污和蒸汽等非金屬介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn),所以,以渦流傳感器為主要傳感器所組成的TSI產(chǎn)品受到了火電廠的普遍歡迎。

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