沈元帆,丁近厚,張利冰,楊 帆
(中核核電運行管理有限公司 技術(shù)二處,浙江 海鹽 314300)
秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統(tǒng)自投用以來已運行10 余年時間,由于原廠家已對產(chǎn)品進(jìn)行升級替代,備件供應(yīng)和技術(shù)服務(wù)已無法滿足現(xiàn)場需求。近幾年,由于設(shè)備的可靠性下降及備件的缺乏,導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障的次數(shù)明顯上升,現(xiàn)場死機、黑屏現(xiàn)象時有發(fā)生,設(shè)備可靠性已無法滿足現(xiàn)場需求。特別是最近幾個燃料循環(huán),汽輪機部分瓦振信號處于報警的邊緣,汽機振動分析系統(tǒng)不可用將導(dǎo)致瓦振信號缺乏監(jiān)控,無法跟蹤瓦振信號變化的趨勢,無法及時抓取報警觸發(fā)的瞬時狀態(tài)。
為確保汽輪機振動分析系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定運行,提升對于汽輪機振動水平的持續(xù)跟蹤分析水平,解決由于軟件廠家不一致導(dǎo)致原汽輪機振動分析系統(tǒng)(簡稱TDM 系統(tǒng))運算值小于汽輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱TSI 系統(tǒng))保護(hù)值,使得TSI 報警觸發(fā),TDM 無法及時抓取報警瞬態(tài)的問題,同時考慮到整個系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)和備件的持續(xù)供應(yīng),需要對秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統(tǒng)進(jìn)行整體升級替換。
秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統(tǒng)(簡稱TDM 系統(tǒng))獲取來自于汽輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱TSI 系統(tǒng))的TSI 輸出緩沖信號,利用振動分析軟件,對電壓信號進(jìn)行處理以獲得振動值。
其中,來源于TSI 系統(tǒng)的軸振動X、軸振動Y、軸承振動(瓦振)共計33 個測點信號采用硬接線的方式全部進(jìn)入TDM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡,用于監(jiān)測和分析機組狀態(tài)。
除此之外的汽輪機移位信號,包括軸向位移、高低壓缸脹差等信號,以及汽輪機自身相關(guān)的溫度、壓力信號,包括汽機進(jìn)汽A/B 列溫度、低壓缸入口壓力、汽輪機推力軸承溫度、發(fā)電機有功功率等信號,通過與電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(簡稱KIT 系統(tǒng))通訊的方式,將KIT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)送入TDM 系統(tǒng)。
目前國內(nèi)電廠汽輪機振動分析系統(tǒng)的選型上,廠家很多。每個廠家都有屬于自己的振動分析算法,抗混濾波器的截止頻率的不同、有效值幅值轉(zhuǎn)換電路的不同、積分時序位置的不同,峰峰值檢測電路的區(qū)別,都會導(dǎo)致軟件運算后的顯示值存在差異。
秦山核電二期3、4 號機組目前使用的汽輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)是EPRO 公司的MMS6000 系列產(chǎn)品。考慮到盡量保持TSITDM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的一致性,秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統(tǒng)改造最終選擇艾默生的CSI 6500 機械健康專家系統(tǒng),為德國EPRO 公司被艾默生過程控制公司收購后推出的汽輪機振動分析系統(tǒng)。
在原有功能保持不降低的情況下,機柜的外部接線保持不變,機柜整體尺寸、安裝方式保持不變。考慮到汽輪機瓦振信號監(jiān)控的新需求,將原有的KIT 系統(tǒng)至TDM 系統(tǒng)的單向通訊改為KIT 系統(tǒng)和TDM 系統(tǒng)的雙向通訊,將瓦振信號送至KIT 系統(tǒng),利用PI 系統(tǒng)送至公司辦公網(wǎng)。
本次改造范圍為秦山核電二期3、4 號機組汽輪機振動分析系統(tǒng),通過機柜整體更換的方式進(jìn)行改造,振動分析系統(tǒng)軟硬件安裝在新的TDM 機柜中,將TSI 輸出的緩沖信號接入TDM 機柜中,利用原有的電纜實現(xiàn)與KIT 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

圖1 A6560前面板圖[1]Fig.1 A6560 front panel diagram[1]
動態(tài)量信號:所有軸振X、軸振Y、瓦振測點的緩沖輸出信號接入系統(tǒng)信號卡A6510,信號卡將所需參數(shù)提取后進(jìn)入處理器卡A6560,通過處理器卡完成對上述各信號同步、連續(xù)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集和記錄,上述信號會一直記錄在瞬態(tài)子板內(nèi)置的60G 硬盤上。在所有通道均組態(tài)為瞬態(tài)通道的情況下,可以滾動存儲100h 所有通道的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。這個功能可以保證在設(shè)備跳車或其他突發(fā)事件情況所有通道不丟失任何數(shù)據(jù),記錄下來的信號可以進(jìn)行詳細(xì)的信號分析,得到的頻譜圖最高可達(dá)到51200 線的分辨率。
靜態(tài)量信號:偏心、鍵相、軸位移、脹差等信號通過通訊方式接入系統(tǒng),用以畫面實時監(jiān)測顯示,歷史趨勢查詢等。
其它信號:溫度、壓力、真空等信號通過通訊方式接入系統(tǒng),用以畫面實時監(jiān)測顯示,歷史趨勢查詢等。
處理器卡A6560,如圖1 所示。
A6560 處理器卡是一個多通道、多任務(wù)、多進(jìn)程的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。
支持以下信號類型:①加速度傳感器;②速度探頭;③位移傳感器;④其他AC 交流信號;⑤磁通信號;⑥動態(tài)壓力;⑦DC 直流信號;⑧溫度;⑨載荷;⑩轉(zhuǎn)速/鍵相信號;?開關(guān)量。
處理卡提供以太網(wǎng)接口通訊到AMS Machinery Manager或者通過MODBUS TCP/OPC 與DCS 或其他第三方軟件進(jìn)行通訊。

圖2 A6510前面板圖Fig.2 A6510 Front panel diagram
瞬態(tài)卡:CSI 6500 系統(tǒng)的瞬態(tài)子板卡需要集成在A6560 處理器卡上,提供所有通道同步、連續(xù)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)的采集和記錄。
瞬態(tài)卡同時通過以太網(wǎng)提供實時監(jiān)測模式到AMS Machinery Manager 軟件,不需要另外的數(shù)據(jù)處理或板卡的數(shù)據(jù)存儲。
所有通道的所有信號(原始的長時間的數(shù)字時域波形)會一直記錄在瞬態(tài)子板內(nèi)置的60G 硬盤上。在所有通道均組態(tài)為瞬態(tài)通道的情況下,可以滾動存儲100h 所有通道的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。這個功能可以保證在設(shè)備跳車或其他突發(fā)事件情況所有通道不丟失任何數(shù)據(jù)。
記錄下來的信號可以進(jìn)行詳細(xì)的信號分析,得到的頻譜圖最高可達(dá)到51200 線的分辨率。
瞬態(tài)卡還提供某一事件(通過報警、轉(zhuǎn)速或其他觸發(fā)條件觸發(fā))前后1h 的瞬態(tài)數(shù)據(jù)自動提取,也可以通過手動提取瞬態(tài)卡內(nèi)置硬盤上任意時間段的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。
信號卡A6510,如圖2 所示。
A6510 信號卡有2 個雙色指示燈。上面的LED 指示燈顯示A6510 的電源狀態(tài),下面的LED 指示燈顯示A6510 的健康狀態(tài)。
每個A6510 卡包括12 個通用信號通道,信號輸入通道可接收在+/- 21 VDC 或+/- 10 VAC-peak 內(nèi)的任意傳感器或緩沖輸出的信號。傳感器類型可包括加速度傳感器、速度傳感器和位移傳感器,同時也可以接收其他類型的AC或DC 電壓信號,A6510 將根據(jù)設(shè)置的靈敏度將其轉(zhuǎn)化為工程單位。
A6510 可以提供以下參數(shù):參數(shù)總量、頻帶參數(shù)。
頻譜中提取的分析參數(shù):總能量,某頻率范圍內(nèi)總能量、非同步能量和同步能量、同步峰值、HFD 高頻檢波。
波形中提取的分析參數(shù):波形變化率、真峰值、峰峰值、S-Max。
其他分析參數(shù):峭度、同步相位等,使用自定義分析參數(shù)幫助診斷和趨勢跟蹤。
每個A6510 卡包括2 個轉(zhuǎn)速通道,轉(zhuǎn)速計包括但不局限于以下幾種:電渦流傳感器、磁感應(yīng)式傳感器、TTL 脈沖信號。
A6510 轉(zhuǎn)速信號輸入特點:
① 既可使用固定的觸發(fā)電壓,也可使用“自適應(yīng)”的自動觸發(fā)模式。每個轉(zhuǎn)速計都可獨立設(shè)置觸發(fā)參數(shù)。
② 對于轉(zhuǎn)速齒輪盤可以設(shè)置比例因子。
③ 對于齒輪箱可以根據(jù)轉(zhuǎn)速比設(shè)置虛擬轉(zhuǎn)速。
④ 對于沒有轉(zhuǎn)速計的設(shè)備可以設(shè)置定轉(zhuǎn)速。
⑤ 每個A6510 卡包括2 個繼電器通道。繼電器通道可以將軟件組態(tài)為光耦隔離式輸入或干接點輸出,輸入繼電器電壓在5VDC ~24VDC,輸出小于24VDC/0.5A。
CSI6500 系統(tǒng)的AMS 軟件平臺:AMS Machinery Health Manager 是針對旋轉(zhuǎn)預(yù)測分析和故障診斷的多技術(shù)一體化平臺,集成的解決方案包括便攜式振動分析儀、在線連續(xù)監(jiān)測、無線振動分析、油液分析、激光對中、交流電機診斷及動平衡,AMS 主要包括VibView、OnlineSoftware、TransientModule、Network Administration、Database Server 軟件模塊,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集管理、存儲管理、分析功能、數(shù)據(jù)交換等,第三方平臺可以通過AMS 的OPC 服務(wù)器或者CSI6500 的ModBus TCP 接口接收數(shù)據(jù)。
秦山核電二期3、7 號機組改造分別在307、407 大修進(jìn)行實施。主要有以下5 個部分內(nèi)容:
1)原外部電纜記錄拆線,舊機柜移除。
2)新機柜安裝、電纜回接。
3)機柜內(nèi)設(shè)備安裝,內(nèi)部電纜連接。
4)機柜上電調(diào)試。
5)TDM 系統(tǒng)與KIT 系統(tǒng)的雙向通訊調(diào)試。
其中,機柜系統(tǒng)上電調(diào)試主要是對機柜通道檢查,通過在TSI 機柜端增加信號,模擬就地信號,驗證TDM 機柜的顯示值以及與TSI 機柜顯示值之間的區(qū)別,驗證TDM 的報警列表中的報警信號正常觸發(fā),驗證相關(guān)點趨勢顯示正常。
和KIT 系統(tǒng)之間的雙向通訊調(diào)試。首先,通過CHANNEL1 TCP SERVER 建立TDM 與KEEPSEVER 通訊,將TDM 內(nèi)部的瓦振信號送至KEEPSEVER 軟件;其次,通過MODBUS SLAVE 進(jìn) 行KEEPSEVER 與KIT 的 RS485 通訊,送出瓦振信號,接受KIT 通訊過來的數(shù)據(jù),需要匹配KIT 與MODBUS SLAVE 的相關(guān)設(shè)置,如通道、寄存器位置碼等(主要為KIT 一側(cè));最后,通過MODBUS TCP 將KIT通訊過來的數(shù)據(jù),由KEEPSEVER 寫入TDM 顯示。

圖3 改造后照片F(xiàn)ig.3 Photos after transformation
改造初始方案是利用原有的TDM 和KIT 通訊電纜,直接通訊。現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前電腦配置的串口均為RS232,考慮到兩臺機柜之間的距離和通訊穩(wěn)定性的要求,需轉(zhuǎn)為RS485 信號才能進(jìn)行長距離通訊。TDM 機柜中送出為RS232 協(xié)議信號,通過串口轉(zhuǎn)換模塊將RS232 轉(zhuǎn)換為RS485 信號。
通訊測試過程中發(fā)現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)定,通過更換通訊口、更換RS232 轉(zhuǎn)RS485 轉(zhuǎn)換器、通訊線纜絕緣檢查的方式都沒能很好地解決問題,后來為改善通訊質(zhì)量,減少干擾,在RX/TX 正負(fù)端并接一個120Ω 的電阻。
由于TDM 與KIT 都只能作主站,所以TDM 使用KEEPSEVER 作為第三方軟件。作為兩者的從站,在TDM側(cè),首先對CHANNEL1 TCP SERVER 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,其ID改為192.168.0.137,即瓦振通道卡的地址,設(shè)置需通信點的寄存器地址位,然后設(shè)置MODBUS SLAVE 的參數(shù)設(shè)置,ID 改為3,即KIT 側(cè)對應(yīng)的端口,同樣建立需通信點的寄存器地址位;最后,對MODBUS TCP 進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,ID 設(shè)為127.0.0.1,即本機地址。

圖4 跳線位置和設(shè)置[2]Fig.4 Jumper position and setting[2]
在KIT 端,由于將通訊接入原有的通訊卡,無法成功地由單向通訊轉(zhuǎn)化為雙向通訊,后繼直接在原通訊卡邊上增加了新的通訊卡,即在FBM 卡件的安裝底板上安裝FBM230 卡件,并連接好卡件與端子排。安裝FDSI 組態(tài)器,并將MODBUS.ZIPH/MBSLAVE.ZIPH 文件復(fù)制到對應(yīng)工作站的文件夾下,創(chuàng)建用戶設(shè)備的組態(tài)文件(.XML),如TDM1.XML 文件,在該組態(tài)文件中定義通訊的地址,并將掃描數(shù)率設(shè)置為2000ms。在對應(yīng)站的ECB 文件下,創(chuàng)建新的通訊模塊并設(shè)置參數(shù),在系統(tǒng)監(jiān)控畫面下,對此新增模塊進(jìn)行驅(qū)動下裝、組態(tài)文件下裝并開始掃描數(shù)據(jù)。由于新的卡件EEPROM 版本過低,首次下裝失敗,后繼現(xiàn)對版本進(jìn)行更新,才成功下裝IO 組態(tài)。整個下裝過程中需確保與TDM 的通訊已斷開,否則會下裝失敗。在新的通訊模塊中建立通訊點清單,其地址順序要與TDM 側(cè)一致。在IA 組態(tài)畫面中做CHECKPOINT,將組態(tài)文件保存至此臺工作站上,若后續(xù)CP 重啟能自動下裝組態(tài)文件。
最后,對TDM 側(cè)和TSI 側(cè)的通訊信息進(jìn)行確認(rèn),雙方都是Modbus RTU 協(xié)議,并將通訊地址設(shè)置為4,波特率設(shè)置為1200,校驗方式設(shè)置為NONE,最終通訊成功。
在上電調(diào)試階段,發(fā)現(xiàn)在TSI 機柜側(cè)加模擬信號,TDM 系統(tǒng)無法顯示間隙電壓,對TSI 和TDM 的卡件進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)問題是因為TSI 系統(tǒng)的卡件輸出,TSI 系統(tǒng)的A6110(MMS6110)、A6120(MMS6120)、A6140(MMS6140) 等卡件具備輸出跳線功能,在卡件上標(biāo)注的J2 位置,能夠進(jìn)行跳線設(shè)置,其跳線具有兩種模式:
選擇a)模式時,卡件將輸出0Vpp ~20Vpp 電壓信號,選擇b)模式時,卡件將輸出傳感器原始信號。默認(rèn)的卡件輸出是0Vpp ~20Vpp,輸出給TDM 接收,但因不包含直流分量,則TDM 側(cè)無法顯示振動探頭的間隙電壓。且造成TDM 的顯示值,是TSI 顯示值的5 倍左右,有偏差。更改跳線后,改為原始動態(tài)電壓輸出,TDM 可以完美接收原始信號。
考慮到現(xiàn)場啟機后對間隙電壓的監(jiān)視需求,對TSI 卡件進(jìn)行了跳線修改。
靜態(tài)模擬信號調(diào)試時TSI 側(cè)和TDM 側(cè)的信號顯示完全一樣,但在汽輪機實際開始轉(zhuǎn)動后,發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)開始存在偏差。
考慮到TSI 和TDM 的信號來源于同一廠家,信號的有效值幅值轉(zhuǎn)換電路、積分時序位置應(yīng)保持一致,分析原因應(yīng)該是抗混濾波器的截止頻率、峰峰值檢測電路的設(shè)計存在不同。
根據(jù)采樣定理,采樣頻率必須至少是模擬信號中存在的最高頻率的兩倍,否則會引起信號的混淆。抗混濾波器用于限制采樣前輸入信號的高頻成分。濾波器的截止頻率不同,會對儀器測量的幅值產(chǎn)生顯著影響,當(dāng)輸入信號具有高于抗混濾波器截止頻率的顯著頻率成分時,高頻信號不會納入幅值的疊加計算。
如圖5 所示,隨著截止頻率的改變,計算得出的幅值也跟著變化。在圖5A 中,包含了100Hz,200Hz 和500Hz的正弦波。每個正弦波的相位和幅值相同(pk=1.0),僅在頻率上不同。圖5B 顯示了當(dāng)這些正弦曲線相加時產(chǎn)生的復(fù)合波形,產(chǎn)生pk 約為2.1 的波形。假設(shè)一個“理想的”抗混疊濾波器可以完全去除截止點以上的所有頻率,并且對截止頻率以下的頻率的幅值或相位沒有影響,那么引入具有400Hz 截止頻率的濾波器將消除500Hz 分量和將原始波形pk 幅值減小約19%(見圖5C)。將抗混疊濾波器降低到150Hz 可以消除200 Hz 和500Hz 的分量,將原始pk 振幅降低約52%,僅留下100Hz 正弦曲線(見圖5D)。
由于振動監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)注于汽輪機自身的部件的振動或共模振動,一般僅保留0.5 倍頻至3 倍頻之間的振動數(shù)據(jù)(基礎(chǔ)頻率為50Hz),而振動分析系統(tǒng)的頻率范圍則更廣泛,其高通濾波器為2000Hz。
對于振動分析系統(tǒng),其目標(biāo)是跟蹤信號中的所有信息,而不管其來源如何。目的是促進(jìn)詳細(xì)的診斷,使工程師能夠確定信號中存在的所有信息,無論是實際的機械振動,還是電磁干擾,軸上的劃痕還是其他任何問題。因此,通常會采集一段有限持續(xù)時間的“快照”。 在該特定期間的信號通過信號處理,計算感興趣的信號屬性,例如頻率分量或波形幅值。
而監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)則是對應(yīng)連續(xù)的信號輸入,并且進(jìn)行持續(xù)的計算輸出,用于與設(shè)定的報警值進(jìn)行比較,以幫助保護(hù)設(shè)備的總振動幅值。對于連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng),其目標(biāo)是真實地反映存在的實際機械振動,但要結(jié)合信號處理技術(shù),提高系統(tǒng)對噪音信號的免疫力(例如瞬態(tài)噪聲),因為這些噪音可能會導(dǎo)致誤報警或跳機。

圖5 截止頻率變化對幅值的影響[3]Fig.5 The influence of cut-off frequency change on amplitude[3]

圖6 振動監(jiān)測系統(tǒng)使用的峰峰值檢測電路的典型響應(yīng)Fig.6 Typical response of peak-to-peak detection circuit used in vibration monitoring system
正是因為目的不一樣,振動分析系統(tǒng)和監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)會采用明顯不同的峰峰值檢測電路:
監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)通常是通過使用由二極管、電阻器和電容器組成的模擬電路實現(xiàn)的。電阻-電容(RC)元件為這些電路提供了獨特的充電/放電時間常數(shù),其響應(yīng)會連續(xù)處理輸入信號,它的輸出根據(jù)輸入信號的瞬時值和電路過去峰值的記憶不斷調(diào)整。當(dāng)輸入信號超過電路過去峰值的存儲器時,輸出增加,將其描述為“充電”。當(dāng)輸入信號小于過去峰值的當(dāng)前存儲器時,輸出減小,稱之為“放電”。電路對輸入波形中最高幅值尖峰進(jìn)行緩慢響應(yīng),如圖6所示。

圖7 振動分析系統(tǒng)使用的峰峰值檢測電路的典型響應(yīng)Fig.7 Typical response of peak-to-peak detection circuit used in vibration analysis system
而振動分析系統(tǒng)使用的是“采樣和保持”類型峰峰值檢測電路,通過對輸入信號進(jìn)行特定持續(xù)時間段內(nèi)所有信號進(jìn)行采集,其輸出和輸入值直接對應(yīng),電路對輸入波形中最高幅值尖峰進(jìn)行直接響應(yīng),如圖7 所示。
現(xiàn)場實際情況與對兩種系統(tǒng)的分析結(jié)果一致,TDM 計算出的振動幅值要大于TSI 的計算值。由于此偏差無法通過增加偏置的方法進(jìn)行消除,因而本次改造無法解決此問題。如果要求兩者的顯示值一致,則需要采用通訊的方式,將TSI 的計算值通訊到TDM,才能使TDM 的顯示/報警值與TSI 完全一致。
本次改造在保持原系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上,不改變系統(tǒng)接口和安裝空間,以盡可能簡單的方式對設(shè)備進(jìn)行更新替代。通過提供更多的振動分析圖譜,更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集能力使振動分析水平得以有效提升;通過提升系統(tǒng)的軟硬件水平,保證備件服務(wù)的持續(xù)供應(yīng),使整個系統(tǒng)的可靠性得以提升。
改造后的汽輪機振動分析系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
1)更加成熟穩(wěn)定的系統(tǒng),與TSI 系統(tǒng)采用相同的廠家,便于日后維護(hù)。
2)標(biāo)準(zhǔn)化的通訊協(xié)議,便于信號的通訊傳輸。
3)更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集,特別是啟停機期間的數(shù)據(jù)采集,便于對機組振動狀態(tài)的分析。
4)豐富的振動圖譜,更加直觀的振動狀態(tài)監(jiān)控。
5)主流的軟硬件配置,確保備件供應(yīng)。
本次改造整體提升了系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性,故障率的降低使得系統(tǒng)維護(hù)開支減少,維護(hù)難度降低,機組的效益與收益得到顯著增加,也為今后國內(nèi)核電廠的汽輪機振動分析系統(tǒng)改造提供參考。