MMS6000汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)可靠性分析及優(yōu)化

瞿七九，粟宣淞，王華東

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 惠來 515223)

MMS6000汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)可靠性分析及優(yōu)化

瞿七九，粟宣淞，王華東

(廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 惠來 515223)

TSI系統(tǒng)是采集和處理電廠旋轉(zhuǎn)機械運行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，不僅提供數(shù)據(jù)供檢修和運行人員分析和判斷，也保護(hù)設(shè)備免受損壞。通過分析TSI系統(tǒng)的組成和工作原理，對其可靠性進(jìn)行分析，針對存在的問題提出了合理的解決方法，增強了其正常工作的容錯能力和可靠性。

汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)；可靠性；容錯；傳感器；冗余配置

0 引言

某電廠1 000 MW機組汽輪機采用東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的沖動式汽輪機。為了保證主機本體設(shè)備正常運行，有必要對汽輪機各種重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，以便及時提醒運行和檢修人員。TSI(Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng))可采集表征汽輪機運行狀態(tài)的參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、振動等，通過信號處理，及時將相關(guān)信號提供給檢修和運行人員；同時當(dāng)檢測數(shù)據(jù)異常時，及時觸發(fā)安全保護(hù)系統(tǒng)正確動作，并遮斷汽輪機，保證機組安全。另外TSI監(jiān)測信息可提供汽輪機動平衡和在線診斷數(shù)據(jù)，檢修人員還可以據(jù)此分析可能存在的設(shè)備故障，使機組維修更有計劃性和可靠性，以減少設(shè)備損失，提高汽輪機組的可用率。由此可見，TSI系統(tǒng)的重要性不言而喻，其工作可靠性必須得到保證。以下對TSI系統(tǒng)進(jìn)行分析，對存在的問題進(jìn)行全面整改和優(yōu)化，保證其工作的可靠性。

1 TSI系統(tǒng)組成

該廠1 000 MW TSI系統(tǒng)采用EPRO公司的MMS6000系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由傳感器、智能數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)組成，用來采集和監(jiān)視汽輪機的轉(zhuǎn)速、振動、軸向位移、脹差、偏心等信號。

1.1 傳感器系統(tǒng)

傳感器是將機械振動量、位移、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電量的機電轉(zhuǎn)換裝置。根據(jù)測量裝置是否與被測物體接觸，可分為非接觸式傳感器和接觸式傳感器。前者如電渦流傳感器，可以測量汽輪機的轉(zhuǎn)速、軸向位移、振動、脹差等物理量，其主要原理是通過傳感器端部線圈與被測物體間的間隙變化來測量物體的振動相對位移量和靜位移；后者如速度傳感器、LVDT傳感器，可以測量汽輪機軸承箱蓋振動、缸的熱膨脹等，其主要原理是通過傳感器與被測物體直接接觸，反映物體物理量的直接變化。

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是一套完整的系統(tǒng)，主要包括電源、各種數(shù)據(jù)采集及處理卡件、框架等。該系統(tǒng)將相應(yīng)傳感器的電量信號進(jìn)行整形、計算、邏輯處理后，輸出準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和報警指示，也實時監(jiān)視傳感器和卡件自身的工作狀態(tài)。重要電源和卡件等的冗余配置，提高了該系統(tǒng)工作的容錯能力。

2 可靠性分析及優(yōu)化

在汽輪機正常啟停和運行過程中，需密切監(jiān)視其運行狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)參數(shù)異常或超過報警值時，需及時分析，找出異常的原因；在達(dá)到跳閘值時，需及時遮斷汽輪機，讓其安全停運，以防事故進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，TSI系統(tǒng)在汽輪機運行過程中處于特別重要的地位，其設(shè)計、安裝不僅應(yīng)合理，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)過程要求設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋Ｗo(hù)邏輯，且要考慮選擇合適的控制設(shè)備、跳閘信號來源、信號測量安裝位置等，以保證系統(tǒng)投入運行后能夠準(zhǔn)確、靈敏、可靠地監(jiān)視機組安全運行。TSI系統(tǒng)還應(yīng)具有防止信號誤動、拒動的相關(guān)功能。因此，要使TSI系統(tǒng)可靠工作，就必須保證各環(huán)節(jié)的可靠性。

TSI系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，即采用功能不同的模件搭建所需要的監(jiān)測系統(tǒng)，如監(jiān)視軸向位移的MMS6210模件、監(jiān)視軸承振動的MMS6110模件和適應(yīng)不同需求的PR642X系列傳感器等。通過可靠性分析，發(fā)現(xiàn)其主要存在以下問題，并對這些問題進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 傳感器系統(tǒng)工作不穩(wěn)定分析及優(yōu)化

為了安裝方便，大部分電渦流傳感器的探頭與延伸電纜之間設(shè)計有轉(zhuǎn)接頭，如PR642X系列傳感器采用插接式轉(zhuǎn)接頭(見圖1)。EPRO系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝完成進(jìn)行調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)振動數(shù)據(jù)波動大而且不穩(wěn)定。對傳感器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查和分析后，發(fā)現(xiàn)在傳感器鎧裝電纜距探頭1 m的地方有一個長約10 cm、直徑約1 cm的金屬管(鎧裝與金屬管是導(dǎo)通的)。金屬管可以從中間擰開，里面是一根用小LEMO接頭連接的傳感器電纜，小LEMO接頭的外殼連接的是前置器的COM端。由于電纜鎧裝或金屬管可能與缸體等現(xiàn)場的導(dǎo)體接觸，如果小LEMO接頭的外殼與金屬管接觸，就可能發(fā)生前置器的COM端與現(xiàn)場導(dǎo)體短接，而前置器的COM端是與機柜內(nèi)卡件的信號地連接的(見圖2)，從而造成雙端接地。當(dāng)這兩端存在電位差時，就可能竄入干擾信號，引起測量值波動。因此，決定在小LEMO接頭處用熱縮套管進(jìn)行絕緣處理，保證小LEMO接頭與金屬管及電纜鎧裝完全絕緣。這樣就保證了信號電纜的單端接地。再次試驗時測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖1 傳感器中間連接示意

機組正常運行后，又相繼發(fā)生了A小機振動過大誤跳閘而減負(fù)荷事件、主機及小機振動數(shù)據(jù)多次不明原因的波動等問題。初步懷疑是由于連接頭的絕緣沒有處理好，或運行過程中磨損而引入了干擾信號，即小LEMO頭外殼與金屬管接觸。為了驗證此判斷的正確性，將前置器地(COM端)至卡件的接線斷開(圖2中粗線所示)，用歐姆表測量前置器地(COM端)與鎧裝纜之間的電阻，電阻值滿足安裝要求，排除絕緣不良引起的波動。搖晃中間接頭處發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)波動，由此確定是由于采用插接式連接的轉(zhuǎn)接頭連接不牢靠引起的信號電纜接觸不良，因此決定全部更換此種結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)，采用一體化的傳感器，保證測量的可靠性。

圖2 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置不合理分析及優(yōu)化

軸位移保護(hù)是汽輪發(fā)電機組最為重要的保護(hù)之一。為了提高汽輪機的效率，汽輪機級間間隙設(shè)計得都很小。因轉(zhuǎn)子的軸向位移是靠轉(zhuǎn)子的推力盤及推力軸承限制的，一旦推力軸承磨損，在機組啟動和正常運行中軸向位移就會變大，級間間隙就會變小，嚴(yán)重時會發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜子碰撞，損壞設(shè)備，故需對汽輪機轉(zhuǎn)子的軸向位移進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)軸向位移達(dá)到危險值時，保護(hù)動作，立即遮斷停機。《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中規(guī)定：“所有重要的主保護(hù)都應(yīng)采用3取2的邏輯判斷方式，保護(hù)信號應(yīng)遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則”。對TSI系統(tǒng)的配置進(jìn)行全面檢查后發(fā)現(xiàn)，汽輪機軸向位移監(jiān)視和保護(hù)的配置雖采用了3個獨立的傳感器，但其中2個傳感器接到同一塊模件中。當(dāng)任一模件故障時，保護(hù)系統(tǒng)即會失效。因此，增加1塊MMS6210位移測量模塊，使現(xiàn)場3個位移信號分別接到對應(yīng)的模塊，保證從測點、回路到模件完全獨立，同時還克服了由于探頭安裝不合理導(dǎo)致信號疊加干擾的問題。

TSI系統(tǒng)不僅輸出監(jiān)視和保護(hù)信號至其他系統(tǒng)，如DCS系統(tǒng)、ETS系統(tǒng)，還輸出汽輪機轉(zhuǎn)子振動信號的原始數(shù)據(jù)至汽輪發(fā)電機組振動在線狀態(tài)監(jiān)測和分析系統(tǒng)(TDM)，供分析轉(zhuǎn)子運行狀態(tài)用。這就要求測量數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接線是利用專業(yè)工具將輸入、輸出線推至48針底座上的。因底座的金屬針裸露在外，如操作不慎或有金屬碎屑脫落，就會導(dǎo)致信號線短路，增加機組運行的風(fēng)險。由于至其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)過多，如中間增加了V/I轉(zhuǎn)換器，一個信號多路使用導(dǎo)致傳輸信號減弱；報警、跳閘輸出采用常規(guī)繼電器邏輯搭接等，不僅增加了設(shè)備采購成本也不利于信號異常時的分析和判斷，因此采用新型框架結(jié)構(gòu)，利用端子插接方式進(jìn)行接線，以易于操作、改動和擴(kuò)展。增加繼電器模塊，實現(xiàn)邏輯報警、跳機、通道正常、3取2邏輯等開關(guān)量信號的輸出，既增加了裝置的可靠性，也提高了容錯能力。

2.3 系統(tǒng)裝置接地不合理分析及優(yōu)化

機柜24 V DC電源不僅提供傳感器正常工作的電壓，也提供模件邏輯判斷的基準(zhǔn)電壓。例行檢查TSI機柜24 V DC電源時，發(fā)現(xiàn)電源負(fù)端對地有+6 V電壓，電源負(fù)端未接地。為了檢驗此種狀態(tài)是否影響數(shù)據(jù)測量，通過現(xiàn)場模擬試驗，在3A小機1號軸承振動測點預(yù)制電纜外殼上，分別加載4—16 V交流、直流干擾電壓后，小機TSI機柜內(nèi)的所有測點測量值均大幅波動，甚至變壞值。此情況確認(rèn)為負(fù)端沒有接地導(dǎo)致。將24 V DC電源負(fù)端接地后，重復(fù)試驗，測點測量值均無變化。通過對設(shè)計圖紙和實際接線的比對，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計中需將24 V DC電源負(fù)端接地，聯(lián)系設(shè)計廠家確認(rèn)后，將電源負(fù)端接至機柜地端。電源負(fù)端沒有接地將會導(dǎo)致電荷聚積而無法釋放，影響傳感器正常工作。負(fù)端接地后不僅能消除干擾，釋放堆積的電荷，也提供了準(zhǔn)確的工作電壓和基準(zhǔn)信號。這樣就有效避免了信號地浮空導(dǎo)致基準(zhǔn)信號不準(zhǔn)，而使振動信號異常的問題。

3 結(jié)束語

TSI系統(tǒng)作為電廠重要設(shè)備(汽輪機、小機、風(fēng)機)的監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)，其安全、可靠工作不僅保證了設(shè)備可靠運行，也保證了發(fā)電機組穩(wěn)定運行。通過對TSI系統(tǒng)的可靠性分析和優(yōu)化，采取冗余配置、獨立合理取樣、高可靠性元器件、電源負(fù)端可靠接地等措施，提高了TSI系統(tǒng)工作的安全可靠性，為設(shè)備狀態(tài)分析提供準(zhǔn)確依據(jù)。

1 馬繼先，馬 琳．《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》輔導(dǎo)教材[M]．北京：中國電力出版社，2015.

2 趙燕平．熱工聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)配置優(yōu)化技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2006.

3 馬智勇．汽輪機安全監(jiān)測系統(tǒng)改造[J]．電力安全技術(shù)，2012，14(8):37-39.

2016-12-03；

2017-05-16。

瞿七九(1982—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)檢修和技術(shù)管理工作，email：178232523@qq.com。

粟宣淞(1982—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)研究工作。

王華東(1983—)，男，工程師，主要從事發(fā)電廠自動控制系統(tǒng)和制粉系統(tǒng)維護(hù)工作。