秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司 俞凱倫

汽輪機(jī)脹差是汽輪機(jī)的重要監(jiān)測與保護(hù)項(xiàng)目之一。受安裝工藝、現(xiàn)場工況、探頭狀況等因素影響，導(dǎo)致了脹差測量值存在一定程度上的偏差。為了準(zhǔn)確地測量出汽輪機(jī)脹差的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要在確保測量硬件及系統(tǒng)合格的前提下，還需在安裝過程中使兩支都處在良好線性范圍內(nèi)的脹差探頭，并且確保實(shí)際安裝位置與測量電壓值符合對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系。為了解決以上問題，本文提出了一種計(jì)算方法，利用所設(shè)計(jì)的間隙電壓模擬計(jì)算軟件，為補(bǔ)償式脹差探頭安裝與調(diào)試提供了準(zhǔn)確性依據(jù)。

1 補(bǔ)償式脹差安裝情況概要

1.1 脹差概念及測量方式

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸的相對(duì)膨脹的差值，稱為脹差。規(guī)定轉(zhuǎn)子膨脹大于汽缸膨脹時(shí)的脹差為正脹差，汽缸膨脹大于轉(zhuǎn)子膨脹的脹差值為負(fù)脹差。根據(jù)汽缸分類又可以分為高脹、中脹、低脹等。汽缸受熱膨脹時(shí)，轉(zhuǎn)子受熱也發(fā)生膨脹，因?yàn)檗D(zhuǎn)子受推力軸承的限制，只能沿軸向低壓側(cè)伸長，由于轉(zhuǎn)子的體積較小，而且直接受到蒸汽的沖擊，因此升溫和熱膨脹較快，而汽缸由于體積相對(duì)較大，升溫和熱膨脹就相對(duì)較慢。當(dāng)轉(zhuǎn)子和汽缸的熱膨脹還沒有達(dá)到穩(wěn)定前，其之間存在較大的熱膨脹差值[1]。

汽輪機(jī)啟、停過程中，或在運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)由于溫度變化而產(chǎn)生不同程度的熱膨脹，如果脹差超過允許值時(shí)，就會(huì)使動(dòng)靜部分產(chǎn)生摩擦、碰撞，引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至造成葉片斷裂等嚴(yán)重事故。為了保障汽輪機(jī)機(jī)組安全，通常必須裝設(shè)汽輪機(jī)脹差監(jiān)測保護(hù)裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)，例如當(dāng)脹差超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出熱工信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)脹差超過跳機(jī)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)立即發(fā)出停機(jī)保護(hù)指令強(qiáng)制停運(yùn)機(jī)組運(yùn)行，以保障汽輪機(jī)等設(shè)備不受損壞[2]。

根據(jù)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和脹差測量范圍的大小，脹差測量可分為直接型測量法、補(bǔ)償型測量法和斜面型測量法三種[3]。

直接測量法就是將測量傳感器安裝于被測主軸的軸向位置，傳感器探頭對(duì)著主軸的測量盤，當(dāng)主軸在軸向移動(dòng)時(shí)，主軸測量盤遠(yuǎn)離或靠近傳感器探頭，傳感器探頭就能檢測出主軸測量盤與探頭之間的位置變化。

補(bǔ)償型測量法就是將兩個(gè)測量傳感器探頭安裝于被測主軸的軸向位置的兩側(cè)，由于受測量傳感器線性范圍的限制，單個(gè)傳感器不能滿足脹差范圍的要求，這時(shí)需要使用兩個(gè)傳感器。將脹差的整個(gè)測量范圍分為兩段，每一個(gè)傳感器各測量一段，然后在測量儀表中進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)脹差范圍的測量。當(dāng)主軸在軸向移動(dòng)時(shí)，主軸測量盤分別遠(yuǎn)離或靠近兩個(gè)測量傳感器探頭，傳感器探頭就能檢測出主軸測量盤與探頭之間的位置變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測汽輪機(jī)脹差的目的。

由于受測量傳感器線性范圍和安裝位置處凈空間的限制，補(bǔ)償型測量法還不能滿足實(shí)際需求。將主軸被測量面設(shè)計(jì)為斜面，利用測量盤的斜面進(jìn)行機(jī)械放大，減少對(duì)測量傳感器線性范圍和安裝位置處凈空間的要求，以滿足脹差監(jiān)視保護(hù)儀表測量范圍的要求。

秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司3號(hào)機(jī)組、4號(hào)機(jī)組脹差為雙斜面安裝測量方式，安裝如圖1所示。

圖1

脹差探頭安裝在機(jī)組盤車附近的軸承箱內(nèi)，且均為11mm規(guī)格的電渦流傳感器，通過主軸的雙斜面計(jì)算其位移量。A、B兩只電渦流傳感器與斜面的位移量分別對(duì)應(yīng)a、b。其相對(duì)應(yīng)的脹差值則為a/sinθ、b/sinθ，其中θ為斜面與轉(zhuǎn)子的夾角，如圖2所示。

圖2

1.2 測量系統(tǒng)

脹差測量系統(tǒng)由電渦流傳感器、延伸電纜、前置器及框架卡件組成。3、4號(hào)機(jī)組使用的脹差傳感器為Bently Nevada公司生產(chǎn)的3300 XL 11mm電渦流探頭、延伸電纜及前置器；測量脹差的框架卡件為3500/45型位置監(jiān)測器。

當(dāng)傳感器探頭接近金屬靶面時(shí)，在電渦流效應(yīng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過延伸電纜傳輸至前置器，在前置器內(nèi)將感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，再由前置器傳輸至位置監(jiān)測器，3500/45卡件再通過將所監(jiān)測參數(shù)與所組態(tài)的報(bào)警設(shè)置點(diǎn)連續(xù)比較并驅(qū)動(dòng)報(bào)警，以提供對(duì)汽輪機(jī)組的機(jī)械保護(hù)功能。

2 雙斜面補(bǔ)償式脹差測量原理

雙斜面補(bǔ)償式脹差測量原理為，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上加工一個(gè)角度為θ的斜面，電渦流傳感器與該斜面的距離Dp，通過斜角的轉(zhuǎn)換求出軸在軸向的實(shí)際位移量D。

采用直接測量法和補(bǔ)償型測量法時(shí)，不會(huì)受到轉(zhuǎn)軸徑向位移的影響，但使用斜面測量法，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的徑向移動(dòng)也被傳感器所獲取。在雙斜面測量法中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的徑向位移對(duì)于軸向測量會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，徑向位移必須被補(bǔ)償[4]。

在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上有兩個(gè)相同角度的斜面，使用兩支相同的傳感器進(jìn)行測量，如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸向右移動(dòng)的距離為D，通過矢量分解得出，探頭1至測量面減少的距離Dp1與探頭2至測量面增加的距離Dp2相等，方向相反。所以，將兩個(gè)探頭所測得的值相加得到2倍的軸向位移，再將此值除以2就可以得到真實(shí)的軸向位移值。這樣，通過雙斜面的設(shè)計(jì)，就將徑向位移的影響消除了。

圖3

單個(gè)傳感器探頭的線性范圍在15mm左右，而現(xiàn)場測量范圍要求20mm，無法滿足測量要求，因此設(shè)計(jì)了雙探頭進(jìn)行補(bǔ)償，不僅可以有效地使用傳感器線性好的范圍，提高測量精度，同時(shí)也能夠相互補(bǔ)償，延展測量范圍。傳感器線性曲線如圖3所示，兩支11mm電渦流傳感器分別在有限內(nèi)才具有良好的線性關(guān)系，若超出該段線性區(qū)間，會(huì)造成探頭的測量失真，導(dǎo)致脹差測量不準(zhǔn)，從而影響汽輪機(jī)脹差保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。

由此可見，脹差探頭的選型必須滿足實(shí)際條件和要求，同時(shí)安裝也要選用傳感器的最優(yōu)線性區(qū)間。

3 軟件設(shè)計(jì)原理及使用方法

3.1 預(yù)期目標(biāo)

利用所設(shè)計(jì)的傳感器間隙電壓模擬計(jì)算軟件，可為補(bǔ)償式脹差探頭安裝以及調(diào)試提供準(zhǔn)確性依據(jù)。

3.2 設(shè)計(jì)原理

3、4號(hào)機(jī)組脹差的相關(guān)參數(shù)如下：

斜面與主軸夾角為φ=8°，探頭A靈敏度為gA=3.9373V/mm，探頭B靈敏度為gB=3.9373V/mm，脹差上限為FH=17.5mm，下限為FL=-2.5mm，中點(diǎn)基準(zhǔn)電壓為CGV=-10V。

圖4

軸的相對(duì)位移為DR=D×sinφ，如圖5、圖6所示。

圖5

圖6

因此，主軸相對(duì)于探頭A的位移的電壓值為：

所以，A探頭的零點(diǎn)電壓為：

同理，B探頭的零點(diǎn)電壓為：

探頭A的下限電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上加上下限矢量位移的電壓值，如下所示：

A探頭的下限電壓為：

探頭B的下限電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上減去下限矢量位移的電壓值，如下所示：

B探頭的下限電壓為：

探頭A的中間點(diǎn)電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上加上中間點(diǎn)矢量位移的電壓值，如下所示：

A探頭的中間點(diǎn)電壓為：UMA=UZA+FM×gA×sinφ，其中FM=7.5mm。

探頭B的中間點(diǎn)電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上減去中間點(diǎn)矢量位移的電壓值，如下所示：

B探頭的中間點(diǎn)電壓為：UMB=UZB-FM×gB××sinφ，其中FM=7.5mm。

探頭A的上限電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上加上上限矢量位移的電壓值，如下所示：A探頭的上限電壓為：UHA=UZA+FH×gA×sinφ。

探頭B的上限電壓可以理解為，在零點(diǎn)電壓的基礎(chǔ)上減去上限矢量位移的電壓值，如下所示：B探頭的上限電壓為：UHB=UZB-FH×gB×sinφ。

UXA為A探頭的任意點(diǎn)電壓值，根據(jù)上述算法，可以得出：

FX為探頭與主軸斜面間的任意距離。

UXB為B探頭的任意點(diǎn)電壓值，同理可以得出：

FX為探頭與主軸斜面間的任意距離。

通過式（1）、式（2）可以憑借探頭的定點(diǎn)距離得出相對(duì)應(yīng)的間隙電壓值，例如已知FX=2.56mm時(shí)，分別將其帶入式（1）、式（2），可以得出A、B探頭的對(duì)應(yīng)電壓分別為-12.707V、-7.293V。

同理，根據(jù)探頭的間隙電壓值可以推算出探頭與主軸斜面之間的距離：

例如，已知探頭A和B的間隙電壓分別為UXA=-12.707V和UXB=-7.293V，分別將其帶入式（3）、式（4）中可以得出探頭A、B距主軸斜面的距離為2.56mm。

圖7

根據(jù)式（1）至式（4）可以算出任意脹差探頭與主軸斜面的距離所對(duì)應(yīng)的間隙電壓，也可以根據(jù)脹差探頭的間隙電壓值計(jì)算出所對(duì)應(yīng)的間隙大小。由于上述公式所涉及的變量均為一次函數(shù)，因此間隙與電壓的函數(shù)曲線為直線，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

3.3 計(jì)算軟件使用方法

根據(jù)上述算法，在Excel文檔內(nèi)編輯一系列計(jì)算公式，斜面角度、探頭靈敏度、探頭基準(zhǔn)間隙電壓、FH和FL可根據(jù)具體量程范圍進(jìn)行修改，是計(jì)算過程的固定參數(shù)，ZPV為主軸推零位確認(rèn)后的零點(diǎn)位置，定位點(diǎn)為變量，其余各表格中的數(shù)據(jù)均可由編輯好的計(jì)算公式根據(jù)變量的大小計(jì)算出來。

輔助計(jì)算軟件如圖8所示，其中黃色底色表格區(qū)域?yàn)橛?jì)算區(qū)域，具體使用方法如下。

圖8

在F6格中填寫量程范圍內(nèi)任意數(shù)值，如2.56，光標(biāo)點(diǎn)擊空白處，則A、B探頭的間隙電壓分別在G6和H6格中自動(dòng)計(jì)算出來；在G6格中輸入量程內(nèi)的任意數(shù)值，可在F6格中顯示出所對(duì)應(yīng)的位移距離，同時(shí)在H6格中顯示出B探頭的間隙電壓；同樣，在H6格中輸入任意數(shù)值，F(xiàn)6和G6格中會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的位移距離和B探頭的間隙電壓。

通過使用該計(jì)算軟件，在安裝脹差探頭時(shí)可以根據(jù)機(jī)務(wù)給定的主軸相對(duì)于零位的偏移位置，憑借調(diào)整傳感器的間隙電壓即可精確地達(dá)到給定的位置。該方法可以實(shí)現(xiàn)在安裝脹差探頭時(shí)不使用千分尺進(jìn)行位移找準(zhǔn)，避免在位移找準(zhǔn)時(shí)發(fā)生的系統(tǒng)誤差和測量誤差，有效提高了安裝精度和效率。同時(shí)，通過直接測量讀取兩脹差探頭的間隙電壓值，也可以間接推算出主軸的偏移量。

4 結(jié)合計(jì)算軟件安裝與調(diào)試脹差探頭

4.1 脹差探頭安裝

安裝前先對(duì)脹差探頭、延伸電纜和前置器成套進(jìn)行靜態(tài)校驗(yàn)，校驗(yàn)合格后方可安裝；與機(jī)務(wù)確認(rèn)主軸零位，將脹差支架按照圖紙準(zhǔn)確安裝，并固定牢靠。

脹差支架固定牢固后，按照機(jī)務(wù)給定的位置將位移量輸入到計(jì)算軟件中，得到對(duì)應(yīng)的A、B兩探頭的間隙電壓并做記錄；將兩探頭安裝在支架上，調(diào)整探頭間隙，直至兩探頭電壓分別達(dá)到軟件中計(jì)算的間隙電壓值，此時(shí)兩脹差探頭的安裝位置即滿足機(jī)務(wù)給定的位移位置要求。

4.2 脹差探頭調(diào)試

脹差探頭安裝完成后，為了檢測安裝效果以及探頭相應(yīng)的線性特性，需要在量程范圍內(nèi)選取若干個(gè)點(diǎn)，如D1、D2、D3、D4，再分別將該4個(gè)點(diǎn)輸入到計(jì)算軟件內(nèi)，軟件自動(dòng)計(jì)算后并記錄所對(duì)應(yīng)的A、B兩探頭的間隙電壓值，即D1A、D1B、D2A、D2B、D3A、D3B、D4A、D4B。

松動(dòng)脹差探頭固定支架上的調(diào)閥端子，將滑塊移動(dòng)至D1位置，使用萬用表直流檔測量查看A、B兩探頭所對(duì)應(yīng)的間隙電壓值是否為軟件計(jì)算出的D1A、D1B，如果實(shí)際顯示電壓與計(jì)算出的電壓值相一致或接近（萬用表允許誤差和系統(tǒng)誤差的影響），則將滑塊移動(dòng)到D2位置處，否則將重新調(diào)整探頭至線性區(qū)間內(nèi)；滑塊移動(dòng)到D2位置后，按照上述步驟對(duì)照該點(diǎn)記錄的間隙電壓D2A、D2B，同理依次類推，直至四個(gè)取樣點(diǎn)的位置與間隙電壓和計(jì)算軟件記錄的數(shù)值對(duì)應(yīng)一致。在滑塊移動(dòng)過程中，脹差間隙電壓值和位移數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)變化且無跳變情況，若有跳變現(xiàn)象或死區(qū)，應(yīng)檢查探頭并且重新調(diào)整安裝。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)脹差是汽輪機(jī)重要監(jiān)測與保護(hù)項(xiàng)目之一。由于受安裝工藝、現(xiàn)場工況、探頭狀況等因素影響，導(dǎo)致脹差測量值存在偏差。本文從理論出發(fā)，深入研究脹差探頭測量原理，結(jié)合實(shí)際安裝方式，推算出了一種精確計(jì)算脹差位移與對(duì)應(yīng)電壓值的方法，并設(shè)計(jì)了基于該計(jì)算方法的安裝輔助軟件。為現(xiàn)場的實(shí)際安裝提供了客觀依據(jù)，提高了安裝精度和效率，保障了脹差系統(tǒng)的準(zhǔn)確監(jiān)測。該方法同樣適應(yīng)于所有雙斜面脹差的安裝方式，尤其在汽輪機(jī)主軸不推零位的情況下，依然可以便捷準(zhǔn)確地進(jìn)行脹差探頭的定位和安裝，為同類工況的機(jī)組提供了安裝脹差探頭的新方法。