TSI系統在西柏坡電廠中的應用及故障分析

摘 要：本文介紹和分析了美國本特利公司生產的3300和3500振動監測裝置，對300MW和600MW汽輪機組軸系檢測系統中（TSI）的應用及故障進行了分析。

關鍵詞：脹差；軸向位移；振動；TSI

中圖分類號：TM6；F224 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0126-04

Abstract：This paper introduces and analyzes the 3300 and 3500 vibration monitoring devices produced by the Bentley Company in the United States，and analysis the application and failure of turbogenerator shafting system（TSI）in the 300MW and 600MW.

Keywords：differential expansion；axial displacement；vibration；TSI

0 引 言

本文論述了TSI系統在西柏坡電廠的應用，并就運行中遇到的故障進行了具體分析，同時對帶有停機保護的軸向位移、高壓缸脹差、低壓缸脹差、振動監測等進行了介紹分析，以便根據故障分析經驗為同類型的機組類似故障起到一定的借鑒作用。

隨著電力工業的迅速發展，大容量、高參數機組在電網中已成為主力機組，任何因故障釀成的停機事故都會造成重大的經濟損失和社會后果。為了確保汽輪發電機組的安全經濟運行，在機組上裝設了各種安全監測和保護裝置。其中汽輪機軸系監測系統TSI裝置是一套監測功能齊全、監測手段先進、監測參數準確可靠的安全監視和保護裝置。它采用先進的測量方法和計算機技術，連續地監測汽輪機的振動、軸位置、脹差等多種重要參數，為汽輪機的事故征兆，如不平衡、大軸彎曲等提供重要的數據依據和保護措施，從而保證汽輪機組的安全穩定運行。2017年，西柏坡電廠#5、#6機組進行了升級改造，把哈爾濱汽輪機廠的高中壓缸和低壓缸進行了改造，更換為上海汽輪機廠的產品。相應TSI系統的安裝和組態都進行了一定的變動。

1 軸振動監測

汽輪機在啟動和運行中都會有一定程度的振動，當設備存在缺陷，或機組的運行工況不正常時，汽輪機組的振動會加劇，振動嚴重時會導致軸承、基礎甚至整個機組和廠房建筑損壞，嚴重威脅設備和人身安全。產生振動的原因是多種多樣的，大軸彎曲、中心不正、轉子質量不平衡、汽輪機內部發生摩擦以及發電機內部故障等都會引起振動的發生，影響汽輪機運行中振動的大小等，因此，軸振不僅是機組安全與經濟運行的重要指標，也是判斷機組檢修質量的重要指標。

我廠的振動監測分三種類型：軸的相對振動監測、軸承蓋振動監測和軸的絕對振動監測。其中絕對振動是相對振動和軸承振動的組合振動監測。

1.1 軸的相對振動測量

軸的相對振動監測由8mm的渦流探頭傳感器及雙通道振動監測器3500/42組成。在9個瓦上均有測點。2個探頭成90度角安裝于軸瓦的兩側，固定在軸瓦上。探頭與軸承殼變成一體，所測的振動即為軸相對于軸承殼的振動。3500/42分別接收2個趨近式傳感器輸入的振動信號，經監測器內微處理器對信號進行A/D轉換及線性處理，以位移量的形式顯示轉子振動的振幅。當振動過大，超出機組的安全振動測量值時，監測器報警、跳閘繼電器閉合，進行報警，并及時發出跳閘信號，保護機組安全。

1.2 軸承蓋振動

軸承蓋振動即軸瓦的振動。它的監測由速度式探頭傳感器與雙通道速度監測器3500/42完成。速度式探頭固定在軸瓦上。

監測器監測軸承瓦的振動。由于旋轉機械的振動都發生在轉子上，在轉子或軸承的狀態發生變化時，如某些故障，如葉片損壞或者由蒸汽激勵或油膜不穩定等引起的同步振動，只會使測量值出現很小的變化，因而不被重視，轉子的振動被完全傳到瓦振傳感器的位置才能準確監測。由此可知，趨近式探頭測量比瓦振測量準確可靠。

2 轉子軸向位移監測

軸向位移是指在機組內部，轉子沿軸線方向，相對于推力軸承的間隙。汽輪機高速運轉時，推力軸承承受著轉子的軸向推力，以保持轉子和汽缸的相對軸向位移，使汽輪機動靜部分之間保持一定的軸向間隙。在汽輪機的運行過程中，在水沖擊、溫度變化、真空下降、動葉片結垢等事故狀態下，其軸向推力會突然增大，轉子發生串動，使汽輪機內部動靜部件之間的軸向間隙消失，發生摩擦和碰撞，造成機組損壞。TSI的軸向位移監測系統能很好地監視汽輪機的軸向間隙，一旦發生軸向推力增大，軸承損壞危及機組安全時，軸向位移保護動作，機組緊急停機，保護機組安全。

西柏坡電廠#5、#6機組采用趨進式傳感器測量軸位移，監測器型號為3500/45，傳感器類型3300XL-11mm趨進式探頭，共4個傳感器，面對機頭里側（發電機側正向）為ch1、ch2，外側（機頭側）為ch3、ch4；在監測器通道設置里，ch1、ch2設為“Toward Probe”，ch3、ch4設為“Always From Probe”，測量范圍為±2mm，ALARM：±1.0mm，DANGER：±1.2mm。傳感器比例系數為3.94V/mm。在繼電器邏輯里，軸位移跳閘邏輯是4選2邏輯。

軸位移4個趨近式傳感器的校驗參考趨近式傳感器的校驗方法為：靈敏度改為3.94V/mm，增量間隙改為0.5mm，在間隙電壓8～12V之間，間隙增量為0.2mm。

軸位移傳感器安裝時，大軸應推到工作面，ch1、ch2安裝間隙電壓-8.96V，ch3、ch4安裝間隙電壓-10.54V，監測器顯示為0.2mm。

監測器內的微處理器對信號進行A/D轉換及線性處理，以位移量的形式顯示于監測器的液晶顯示器上，供運行人員監視。4個軸位移信號分別在監測中采取4選2的保護形式，送入危急保護ETS系統中。

當兩側探頭分別有一個探頭指示超限，即表示軸向間隙變化過大，轉子發生串動時，危及機組安全，軸向位移監測器內報警、跳閘繼電器動作閉合，發出報警、跳閘信號，并通過ETS系統實現停機，保護主機安全。

現場安裝過程中易出現的問題：首先，未考慮到推力間隙，這會給傳感器帶來推力間隙一半的測量誤差；其次，沒有確定推力盤是靠在工作瓦還是靠在非工作瓦，如果將推力間隙調反，會產生等于推力間隙的測量誤差；再次，供電電壓有偏差會影響傳感器測量的線性，容易造成誤動作。以上問題需要在安裝過程中加以注意。

3 脹差的監測

脹差是指汽輪機轉子與汽缸之間的相對膨脹差。

在開機和停機過程中，由于轉子與汽缸外殼在質量、熱膨脹系數、熱耗散系數等方面存在差異，轉子的溫度比殼體溫度上升的速度快，轉子和汽缸之間存在著相對膨脹差。汽輪機軸封和動靜葉片之間的軸向間隙很小，若機組在啟?；蜇摵勺兓^程中變化過大，相對膨脹差超過了軸封與動靜葉片間正常的軸向間隙時，就會使動靜部分發生摩擦，引起機組的強烈振動，導致事故發生。因此，脹差是監測汽輪機正常安全運行的一個重要參數。

西柏坡電廠的脹差測量有兩種，一種是高壓缸脹差，采用雙斜坡脹差監測系統；另一種是低壓缸脹差，采用LVDT形式的脹差監測系統。

#5、#6機組采用趨進式傳感器測量高壓缸脹差，監測器型號為3500/45，通道類型是雙斜坡脹差，傳感器類型為3300XL-11mm趨進式探頭，測量范圍為-5～0～+15mm。ALARM：-8.7/+4.4mm，DANGER：-9.4/+5.2mm。

高壓缸脹差兩個趨近式傳感器的校驗參考趨近式傳感器的校驗方法為：靈敏度改為3.94V/mm，增量間隙改為0.5mm，在間隙電壓8～12V之間，間隙增量為0.2mm。

高壓缸脹差在安裝時，大軸應推到工作面，正向探頭（發電機側）為ch4，零位間隙電壓安裝在-10V，負向探頭（機頭）為ch3，零位安裝間隙電壓-10V，監測器顯示為零，其兩個渦流式探頭安裝在#2瓦與#3瓦之間，固定在軸上的測量盤兩側的缸體上，基于電渦流原理，探測探頭端面與被測表面間的距離，檢測測量盤的距離變化，這一距離的變化量即是脹差值。前置放大器對探測到的信號進行調節放大后送入3500/45監測器中。3500/45是四通道監測器，它對兩個探頭的監測信號進行分析運算，按補償辦法進行處理顯示。當被監測測量盤變化量超出第一個探頭測量范圍時，緊接著進入第二個探頭監測量程，由監測器的微處理機選擇從一個傳感器線性范圍轉換到另一個傳感器線性范圍，連續地在線監測機組的脹差。

#5、#6機組采用LVDT傳感器測量低壓缸脹差，監測器型號為3500/45，這次改造將量程由-5～+25mm改為-10～+25mm.ALARM：-5.4/+23mm，DANGER：-6.1/+23.7mm。

安裝低壓缸脹差LVDT傳感器時，調整位置使監測器顯示0.2mm，間隙電壓-1.5V，安裝后，將LVDT傳感器固定牢固。

4 故障分析

4.1 #1機組#7、#8瓦的振動大故障分析

#1機組交接過來后，#7、#8瓦的振動很大，總是處于振動報警狀態。我們對這一現象進行了分析。

首先，檢查振動測量回路，其接線和各監測元件均正常。在檢查中發現，#7、#8瓦振動測量有一個共同的地方，即振動探頭均安裝于一條延伸拐臂上。在拐臂上安裝一個磁鐵塊進行試驗發現：移動磁鐵接近探頭和遠離探頭時，其振動值發生了變化，磁鐵越接近探頭，振動指示值越小。

因此，我們得出結論：延伸拐臂固定在軸瓦上，探頭安裝于延伸拐臂上，延伸拐臂與軸瓦間產生共振，從而帶動了探頭振動。

利用#1機組大修，對#7、#8瓦振動測量進行改造。去掉延伸拐臂，在瓦上開孔，將探頭直接安裝于軸瓦上。大修后，#7、#8瓦的振動測量恢復正常。

4.2 #6機組軸向位移發生偏差的故障分析

在2017年的#6機組大修中，軸向位移探頭被拆下，經校驗后重新安裝。安裝時大軸已推至工作面，探頭安裝定位后，監測器指示為零。即軸向間隙為零。但在第二天聯軸后，大軸向發電機方向移動，監測器指示其軸向間隙發生變化，#6機組的最大推力瓦間隙為36絲，軸不可能移動出這么大的距離，因此，對這一現象進行了認真的分析研究。

汽輪機在運轉中，轉子沿著主軸方向的串動，軸向位移，傳感器與測量盤之間的間隙即為轉子移動的距離。軸向位移傳感器安裝時需要注意零位確定、安裝間隙確定和線性測量。

（1）安裝傳感器支架，在固定傳感器支架時，一定要將傳感器預裝上去，移動支架，確保傳感器平面與測量盤平行，若有角度，則會影響數據的可靠性。

（2）軸向位移傳感器進行安裝時，必須參考的因素是大軸的位置，大軸推力盤靠在推力瓦的工作面后者的是非工作面。軸向位移傳感器需要計算出傳感器的零位電壓，以確定安裝零位。以西柏坡電廠600MW機組軸向位移傳感器為例進行說明：機組原來由哈爾濱汽輪機廠提供，現在改造后的汽輪機大軸由上海汽輪機廠提供，推力盤靠在推力瓦非工作面，使用本特利3300XL11mm軸向位移傳感器，傳感器靈敏度F為3.937V/mm，轉子推至工作位，推力間隙D實測數據為0.42mm，其零點電壓V0為-10V，其零位電壓X的計算方法為：X=V0+F*（1/2）*D=10+3.937*（1/2）*0.42=-10.83V，此時模擬量輸出值為0.21mm，轉子轉動后軸向位移回至0mm左右。

（3）傳感器安裝后要進行線性測量，架百分表，機務連軸退回原位后，記錄數據繪制線性曲線觀察動作方向和距離是否正確。

在汽機本體將機頭的端蓋拆下來后，軸向位移顯示發生改變，所以這次軸向位移的變動和端蓋有關系，經檢查發現端蓋上有一開孔，是為噴油嘴預留的，在端蓋上找到一個機械摩擦產生的點，判斷軸向位移發生偏移是由于端蓋裝反導致噴油嘴頂在端蓋上，沒有頂在預留孔上。端蓋上的螺絲固定在缸殼上，軸向位移的支架安裝在缸殼上，當端蓋上緊螺絲時，噴油嘴為支點，把缸殼拉動變形，導致軸向位移支架移動。為了解決這個問題，汽機車間找修配加工了該端蓋，在端蓋中心銑出一個大圓，防止端蓋裝反頂住噴油嘴吃力，徹底解決了這個問題。

4.3 脹差發生偏差的故障分析

西柏坡電廠#2機組在大修中，TSI系統的脹差探頭重新校驗安裝。機組并網后發現脹差指示值很大，接近跳閘值，比#2機組以往的指示值大3mm以上。經過對TSI系統測量回路檢查，并對照大修中脹差探頭的校驗報告及脹差探頭安裝尺寸記錄，根據TSI系統脹差監測特性，我們從下面5個方面來具體分析脹差測量值大的原因：

（1）實際脹差大根據#2機組6年內的脹差情況及#1、#3和#4機組的脹差情況，判斷#2機組的實際脹差值不應像表計指示的那樣大，另外由于機組的材質及尺寸沒有改變，膨脹系數應是固定的。在相同溫度下的膨脹量應該不變，所以實際脹差值與以前相比不會產生太大的差別，這樣從理論上排除了機組實際脹差大的可能。

（2）監測器監測量程指示偏差監測器的量程范圍是根據35mm探頭確定的，線性斜率是0.787V/mm，從盤刻度中心（+7.5mm，對應A、B側間隙電壓均為11.8V）算起，向上達上滿度+20mm，A側電壓應減小（20mm-7.5mm）× 0.787V/mm=9.8375V，即應為11.8-9.8375=1.9625V；同樣從表盤刻度中心向下至下滿度，B測電壓應減小至1.9625V。

校驗監測器，B側加入>11.8V的電壓，A側減至1.4V時表指示+20mm，比計算出的滿刻度電壓小0.56V，如對于0.787V/mm靈敏度的理想探頭來說，它會帶來負偏差，即只能導致示值偏低，對應現在指示出的14mm左右的脹差值，有0.37mm的負偏差。

上述分析表明監測器的量程基本符合要求，存在的偏差不是影響指示偏大的原因。

并且另外校驗了其他的備用35mm探頭，性能基本和上表一致。探頭靈敏度沒有變化。

（3）零點位置錯誤如果在進行探頭安裝時，零點位置進行了很大量的正向遷移，這一錯誤的零點將在全量程范圍內的任一點上都有同樣大的正偏差，也就是說在開機前（機組處于常溫下已很長時間，實際脹差為零），脹差表計不指示在零點上，而有一個很大的正脹差值，在這種情況下，不可能開機沖車，并且經核實在安裝探頭時，零位的確定是經過了反復調整的。

當然，如果高中壓缸和低壓缸在未連接前（聯軸處未放置墊片）便安裝了探頭，同樣會使零點偏向機頭側，使軸連接后會立即出現正偏差，經確定安裝時間，探頭安裝絕對在聯軸之后，零點位置不會出錯。

（4）兩探頭安裝距離過小或過大由補償式監測器的測量原理得知，當被監測測量盤變化量超出第一個探頭測量范圍時，緊接著就進入第二個探頭監測量程，其切換電壓為11.8V。如果兩探頭安裝距離過小，軸脹到使B側間隙電壓為11.8V時，A側間隙電壓也小于11.8V，也就是說有一段距離使A、B兩側電壓均小于11.8V，這時兩探頭均對表計指示起作用，根據測算總作用量為兩者作用量之和；相反，如果兩探頭安裝距離過大，則有一段距離使A、B側間隙電壓均大于相交電壓11.8V，此區域均在兩個探頭的測量范圍之外，兩探頭對表計指示均不起作用。在此區域內任憑脹差變化，表計指示不變，即示值比實際脹差值小，此區域越大偏差越大。

使用備用探頭，根據記錄下來的脹差探頭確定實際安裝間隙電壓：A側15V、B側6V，做了如下試驗：

在表計上將現場探頭解開，A側加入15V電壓，B側加入6V電壓，此時表計顯示0.143mm，然后模擬軸脹向發電機方向的過程。測量數據如表1所示。

表中的理想變化量是指兩探頭正確安裝時的指示值變化量。從表1可以看出，A、B側未在11.8V左右相交，而是有一段區域A、B側均小于相交電壓。在表1中，表計示值變化量比理想的變化量大一倍，也就是說，如果兩探頭安裝間隙過近，將導致示值偏大，此區域越大，偏差越大。

從以上5個方面的分析可以得出結論：探頭安裝距離偏小是使脹差值指示大的最主要原因。

由此也可以看出，探頭的安裝方法存在一定問題。在安裝時，只根據以往的安裝經驗及拆探頭時的間隙電壓值定出A、B兩個探頭的間隙電壓，而沒有根據其相交電壓來確定安裝間隙。

由此，我們得出正確的安裝方法，如圖1和圖2所示。

也可先安裝B側探頭（因其間隙電壓值小于11.8V），觀察監測器指示，當監測器指示為0mm時，將B側探頭固定，記錄下此時B側探頭間隙電壓V1和間隙；再根據上一步驟得出的L值，定出A側探頭的位置，記錄下A側探頭的間隙電壓V2和間隙即可。

從這個結論得出的教訓是，我們不能只根據經驗工作，還要有科學依據和科學的方法。在今后的工作中，我們將繼續總結經驗教訓，找出更加科學的方式方法來指導我們的工作。

5 結 論

總之，汽輪機監視和保護裝置是實現汽輪機組運行自動化的基礎，沒有完善可靠的監視和保護裝置，汽輪機的自啟停無法實現。因此，汽輪機監視與保護裝置越來越受到人們的重視，且已成為汽輪機的重要組成部分，并逐漸向更完善化的方向發展。

參考文獻：

[1] 汽輪機軸系監測系統（西柏坡電廠#1、2#機組熱控培訓教材） [M].保定：華北電力大學.

[2] 汽輪機軸系監測系統（西柏坡電廠#3、4#機組熱控培訓教材） [M].太原：太原電力高等?？茖W校.

[3] 本特利3300監測器安裝和操作手冊（美國本特利公司）.

作者簡介：劉國輝（1975-），男，工程師。從事熱控專業的技術管理和火電廠熱工設備的檢修維護工作；胡劍波（1977-），男，高級技師，工程師，熱控專業檢修專責工程師，本科。從事熱控專業的技術管理和火電廠熱工設備的檢修維護工作；董偉（1985-），男，工程師，本科。從事河北西柏坡發電有限責任公司熱控檢修工作。