汽輪機脹差系統安裝標準輔助計算功能設計

秦皇島發電有限責任公司 俞凱倫

汽輪機脹差是汽輪機的重要監測與保護項目之一。受安裝工藝、現場工況、探頭狀況等因素影響，導致了脹差測量值存在一定程度上的偏差。為了準確地測量出汽輪機脹差的實時數據，需要在確保測量硬件及系統合格的前提下，還需在安裝過程中使兩支都處在良好線性范圍內的脹差探頭，并且確保實際安裝位置與測量電壓值符合對應曲線關系。為了解決以上問題，本文提出了一種計算方法，利用所設計的間隙電壓模擬計算軟件，為補償式脹差探頭安裝與調試提供了準確性依據。

1 補償式脹差安裝情況概要

1.1 脹差概念及測量方式

汽輪機轉子與汽缸的相對膨脹的差值，稱為脹差。規定轉子膨脹大于汽缸膨脹時的脹差為正脹差，汽缸膨脹大于轉子膨脹的脹差值為負脹差。根據汽缸分類又可以分為高脹、中脹、低脹等。汽缸受熱膨脹時，轉子受熱也發生膨脹，因為轉子受推力軸承的限制，只能沿軸向低壓側伸長，由于轉子的體積較小，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較大，升溫和熱膨脹就相對較慢。當轉子和汽缸的熱膨脹還沒有達到穩定前，其之間存在較大的熱膨脹差值[1]。

汽輪機啟、停過程中，或在運行工況發生變化時，都會由于溫度變化而產生不同程度的熱膨脹，如果脹差超過允許值時，就會使動靜部分產生摩擦、碰撞，引起機組強烈振動，甚至造成葉片斷裂等嚴重事故。為了保障汽輪機機組安全，通常必須裝設汽輪機脹差監測保護裝置以實現對其的實時監視和自動聯鎖保護，例如當脹差超過報警設定值時，系統立即發出熱工信號進行聲光報警；當脹差超過跳機設定值時，系統立即發出停機保護指令強制停運機組運行，以保障汽輪機等設備不受損壞[2]。

根據汽輪機的結構和脹差測量范圍的大小，脹差測量可分為直接型測量法、補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，傳感器探頭對著主軸的測量盤，當主軸在軸向移動時，主軸測量盤遠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。

補償型測量法就是將兩個測量傳感器探頭安裝于被測主軸的軸向位置的兩側，由于受測量傳感器線性范圍的限制，單個傳感器不能滿足脹差范圍的要求，這時需要使用兩個傳感器。將脹差的整個測量范圍分為兩段，每一個傳感器各測量一段，然后在測量儀表中進行整合，從而實現整個脹差范圍的測量。當主軸在軸向移動時，主軸測量盤分別遠離或靠近兩個測量傳感器探頭，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，實現連續在線監測汽輪機脹差的目的。

由于受測量傳感器線性范圍和安裝位置處凈空間的限制，補償型測量法還不能滿足實際需求。將主軸被測量面設計為斜面，利用測量盤的斜面進行機械放大，減少對測量傳感器線性范圍和安裝位置處凈空間的要求，以滿足脹差監視保護儀表測量范圍的要求。

秦皇島發電有限責任公司3號機組、4號機組脹差為雙斜面安裝測量方式，安裝如圖1所示。

圖1

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

圖2

1.2 測量系統

脹差測量系統由電渦流傳感器、延伸電纜、前置器及框架卡件組成。3、4號機組使用的脹差傳感器為Bently Nevada公司生產的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型位置監測器。

當傳感器探頭接近金屬靶面時，在電渦流效應的作用下產生感應電流，感應電流通過延伸電纜傳輸至前置器，在前置器內將感應電流轉換為直流電壓信號，再由前置器傳輸至位置監測器，3500/45卡件再通過將所監測參數與所組態的報警設置點連續比較并驅動報警，以提供對汽輪機組的機械保護功能。

2 雙斜面補償式脹差測量原理

雙斜面補償式脹差測量原理為，在轉動軸上加工一個角度為θ的斜面，電渦流傳感器與該斜面的距離Dp，通過斜角的轉換求出軸在軸向的實際位移量D。

采用直接測量法和補償型測量法時，不會受到轉軸徑向位移的影響，但使用斜面測量法，轉動軸的徑向移動也被傳感器所獲取。在雙斜面測量法中，轉動軸的徑向位移對于軸向測量會產生較大影響，因此，徑向位移必須被補償[4]。

在轉動軸上有兩個相同角度的斜面，使用兩支相同的傳感器進行測量，如果轉動軸向右移動的距離為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就可以得到真實的軸向位移值。這樣，通過雙斜面的設計，就將徑向位移的影響消除了。

圖3

單個傳感器探頭的線性范圍在15mm左右，而現場測量范圍要求20mm，無法滿足測量要求，因此設計了雙探頭進行補償，不僅可以有效地使用傳感器線性好的范圍，提高測量精度，同時也能夠相互補償，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才具有良好的線性關系，若超出該段線性區間，會造成探頭的測量失真，導致脹差測量不準，從而影響汽輪機脹差保護拒動或誤動。

由此可見，脹差探頭的選型必須滿足實際條件和要求，同時安裝也要選用傳感器的最優線性區間。

3 軟件設計原理及使用方法

3.1 預期目標

利用所設計的傳感器間隙電壓模擬計算軟件，可為補償式脹差探頭安裝以及調試提供準確性依據。

3.2 設計原理

3、4號機組脹差的相關參數如下：

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，中點基準電壓為CGV=-10V。

圖4

軸的相對位移為DR=D×sinφ，如圖5、圖6所示。

圖5

圖6

因此，主軸相對于探頭A的位移的電壓值為：

所以，A探頭的零點電壓為：

同理，B探頭的零點電壓為：

探頭A的下限電壓可以理解為，在零點電壓的基礎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，在零點電壓的基礎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的中間點電壓可以理解為，在零點電壓的基礎上加上中間點矢量位移的電壓值，如下所示：

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

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

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

探頭A的上限電壓可以理解為，在零點電壓的基礎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，在零點電壓的基礎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探頭的任意點電壓值，根據上述算法，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距離得出相對應的間隙電壓值，例如已知FX=2.56mm時，分別將其帶入式（1）、式（2），可以得出A、B探頭的對應電壓分別為-12.707V、-7.293V。

同理，根據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應的間隙電壓，也可以根據脹差探頭的間隙電壓值計算出所對應的間隙大小。由于上述公式所涉及的變量均為一次函數，因此間隙與電壓的函數曲線為直線，對應關系如圖7所示。

3.3 計算軟件使用方法

根據上述算法，在Excel文檔內編輯一系列計算公式，斜面角度、探頭靈敏度、探頭基準間隙電壓、FH和FL可根據具體量程范圍進行修改，是計算過程的固定參數，ZPV為主軸推零位確認后的零點位置，定位點為變量，其余各表格中的數據均可由編輯好的計算公式根據變量的大小計算出來。

輔助計算軟件如圖8所示，其中黃色底色表格區域為計算區域，具體使用方法如下。

圖8

在F6格中填寫量程范圍內任意數值，如2.56，光標點擊空白處，則A、B探頭的間隙電壓分別在G6和H6格中自動計算出來；在G6格中輸入量程內的任意數值，可在F6格中顯示出所對應的位移距離，同時在H6格中顯示出B探頭的間隙電壓；同樣，在H6格中輸入任意數值，F6和G6格中會自動生成相應的位移距離和B探頭的間隙電壓。

通過使用該計算軟件，在安裝脹差探頭時可以根據機務給定的主軸相對于零位的偏移位置，憑借調整傳感器的間隙電壓即可精確地達到給定的位置。該方法可以實現在安裝脹差探頭時不使用千分尺進行位移找準，避免在位移找準時發生的系統誤差和測量誤差，有效提高了安裝精度和效率。同時，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 結合計算軟件安裝與調試脹差探頭

4.1 脹差探頭安裝

安裝前先對脹差探頭、延伸電纜和前置器成套進行靜態校驗，校驗合格后方可安裝；與機務確認主軸零位，將脹差支架按照圖紙準確安裝，并固定牢靠。

脹差支架固定牢固后，按照機務給定的位置將位移量輸入到計算軟件中，得到對應的A、B兩探頭的間隙電壓并做記錄；將兩探頭安裝在支架上，調整探頭間隙，直至兩探頭電壓分別達到軟件中計算的間隙電壓值，此時兩脹差探頭的安裝位置即滿足機務給定的位移位置要求。

4.2 脹差探頭調試

脹差探頭安裝完成后，為了檢測安裝效果以及探頭相應的線性特性，需要在量程范圍內選取若干個點，如D1、D2、D3、D4，再分別將該4個點輸入到計算軟件內，軟件自動計算后并記錄所對應的A、B兩探頭的間隙電壓值，即D1A、D1B、D2A、D2B、D3A、D3B、D4A、D4B。

松動脹差探頭固定支架上的調閥端子，將滑塊移動至D1位置，使用萬用表直流檔測量查看A、B兩探頭所對應的間隙電壓值是否為軟件計算出的D1A、D1B，如果實際顯示電壓與計算出的電壓值相一致或接近（萬用表允許誤差和系統誤差的影響），則將滑塊移動到D2位置處，否則將重新調整探頭至線性區間內；滑塊移動到D2位置后，按照上述步驟對照該點記錄的間隙電壓D2A、D2B，同理依次類推，直至四個取樣點的位置與間隙電壓和計算軟件記錄的數值對應一致。在滑塊移動過程中，脹差間隙電壓值和位移數據應連續變化且無跳變情況，若有跳變現象或死區，應檢查探頭并且重新調整安裝。

5 結語

汽輪機脹差是汽輪機重要監測與保護項目之一。由于受安裝工藝、現場工況、探頭狀況等因素影響，導致脹差測量值存在偏差。本文從理論出發，深入研究脹差探頭測量原理，結合實際安裝方式，推算出了一種精確計算脹差位移與對應電壓值的方法，并設計了基于該計算方法的安裝輔助軟件。為現場的實際安裝提供了客觀依據，提高了安裝精度和效率，保障了脹差系統的準確監測。該方法同樣適應于所有雙斜面脹差的安裝方式，尤其在汽輪機主軸不推零位的情況下，依然可以便捷準確地進行脹差探頭的定位和安裝，為同類工況的機組提供了安裝脹差探頭的新方法。