汽輪機軸向位移與脹差傳感器安裝維護研究

范勇

（國能重慶萬州電力有限責任公司 重慶 400000）

通常而言，對于具備大容量和高參數的發電機組，軸向位移和脹差是監測汽輪機動靜間隙的主要方法。現階段，國內許多火電機組由于傳感器零位安裝不當，從而導致脹差和軸向位移測量值與實際值存在偏差，從而嚴重影響機組的正常運轉。因此，汽輪機大軸零位選擇及傳感器正確安裝是保證機組正常運行的關鍵。

1 系統簡介

本文以國能重慶萬州發電有限責任公司的2×1050MW燃煤機組汽輪機作為主要研究對象。汽輪機為單軸、四缸四排汽凝汽式汽輪機。TSI 系統采用德國ERPO 公司的CSI6500 旋轉式監測保護系統，適用于各類標準渦輪機械的運行監測。電子間機柜包含電源模塊、通信模塊、監視卡件、輸出繼電器等設備。就地測點包含傳感器探頭、航空插頭、延伸電纜及前置器等。傳感器主要采用EPRO 公司的PR6423、PR6424、PR6426、PR9268、PR9376 傳感器。卡件輸出4～20mA 模擬量信號去DCS 畫面用于監視分析，同時，輸出開關量去ETS系統保護遮斷汽輪機。

2 軸向位移測量系統

國能重慶萬州發電有限責任公司每臺機組擁有6套軸向位移保護系統，其中，大、小機各安裝3套，采用三取二模式遮斷汽輪機，可以有效降低保護誤動和拒動的風險。軸向位移監測系統是測量探頭與測量盤之間的距離，防止汽輪機大軸橫向竄動，磨損軸瓦。大機采用雙推力盤結構，推力軸承兩側中間安裝推力瓦，表面鍍有烏金。高溫時，烏金融化，增大串軸的位移量，保護汽輪機。

2.1 大機軸向位移測量系統

大機3套軸向位移測量系統統一安裝在推力軸承的側面位置，探頭方向朝向汽輪機機頭方向，具體如圖1 所示。傳感器型號為PR6424/010-040，靈敏度4V/mm，對應-2～2mm 的位移測量范圍。電渦流傳感器工作原理：前置器中高頻電流通過延長電纜流入探頭線圈，產生交變磁場。大軸靠近探頭時，產生相反的交變磁場與探頭磁場耦合，改變探頭線圈阻抗，通過阻抗的變化量間接測量大軸的位移量。當任意兩個軸向位移信號大于報警值或危險值時，報警或危險繼電器動作，輸出開關量信號至ETS系統實現保護功能。

圖1 軸向位移安裝方式

2.2 大機軸向位移安裝調試

安裝前零位選擇：機組冷態時，在汽輪機6W處采用千斤頂朝機頭方向將轉子推向推力軸承的工作瓦面貼死。此時，將軸向位移定為零位。保護定值：報警為-1.08～0.6mm，跳機為-1.28～0.8mm，三取二跳閘汽輪機。大機軸向位移安裝方法如下。

（1）方向確定：當汽輪機大軸向機頭方向竄動時為正方向，向發電機方向竄動為負方向。安裝前，對軸向位移3 個探頭進行線性采集，并將組態下裝到TSI 卡件內。

（2）汽機專業確認汽輪機大軸已經向機頭方向貼死，推力間隙為0.48mm，作為保護定值的依據。先前后移動安裝支架，確保3個探頭測量在工作范圍內，鎖死固定支架。依次安裝軸向位移探頭1、2、3，調整每個軸向位移測點前置器輸出電壓為-12V。

（3）手動旋轉支架手輪，整體移動探頭與測量盤之間距離，測試報警值和危險值，檢驗繼電器可以正常輸出。

（4）最終定位：手動旋轉支架手輪，整體移動探頭與測量盤之間距離，使前置器輸出電壓為-12V，同時DC 畫面顯示0mm。將支架鎖緊螺栓固定牢固，安裝完畢。

2.3 小機軸向位移安裝調試

小機采用杭州汽輪機廠100%容量氣動給水泵組，設計3套軸向位移測量系統，安裝于機頭前軸承箱內。探頭工作原理和前段中大機軸向位移探頭一樣。電渦流傳感器型號為PR6423/002-030，靈敏度8V/mm，對應-1～1mm 軸向位移測量范圍。安裝前零位選擇：機組冷態時，將轉子的推力盤推向推力瓦的非工作面貼死，以推力間隙的中間位置為零位，如圖2所示。小機軸向位移保護定值：報警為-0.6～0.6mm，跳機為-0.8～0.8mm，三取二跳閘汽輪機。小機軸向位移安裝方法如下。

圖2 小機軸向位移安裝方式

（1）小機軸向位移方向為：當大軸由小機側向前箱側竄動視為正方向，相反則為負方向。安裝前，對軸向位移3 個探頭進行線性采集，并將組態下裝到TSI 卡件內。

（2）安裝前，汽機專業已經將大軸向小機側方向推死，推力盤與推力瓦非工作面貼死。

（3）杭汽廠要求零位以推力間隙的中間位置定零位。當小機推力盤靠在非工作面貼死，相當于實際將大軸從推力瓦的中間零位向小機側推了1/2×0.38mm（推力間隙）=0.19mm距離。小機軸向位移探頭工作電壓為-20～-4V，對應-1mm～+1mm工作范圍。依據出廠線性報告，得到零位電壓為-12V。當小機軸系緊貼非工作面時，3個軸向位移傳感器安裝電壓（）如下式計算：

=-（×1/2×）=-12-（8×1/2×0.38）=-13.52V

其中，為安裝電壓，為零位電壓，為靈敏度，為推力間隙。

（4）依次安裝軸向位移探頭1、軸向位移2、軸向位移3，調整每個軸向位移測點前置器輸出電壓為-13.52V，安裝完畢。

3 脹差的工作原理

在機組正常運行中，脹差傳感器固定在缸體上，而測量盤鑄造在轉子上。汽缸和轉子受熱膨脹的相對差值稱為“脹差”。脹差主要在機組啟動或停機期間監視和保護汽輪機，本廠脹差保護在機組負荷大于400MW 時，自動退出。大型火電機組脹差有高壓脹差、中壓脹差、低壓脹差。高壓缸脹差探頭安裝于汽輪機前箱左側，中壓脹差探頭安裝于#4 瓦右側，低壓缸脹差安裝于#8瓦與#9瓦中間。高、中壓缸脹差監測分別采用1 只傳感器，對應于-7.5～12.5mm 脹差測量范圍。低壓缸脹差監測采用了2 只傳感器，每只傳感器測量范圍為0～25mm。

3.1 補償式脹差測量原理

脹差測量范圍如果較大，已超過單個探頭的測量范圍時，可采用補償式測量方式。東汽1050MW 機組低壓缸脹差測量時采用補償式測量方法，測量范圍為-9～36mm，如圖3所示。在汽輪機測量盤的兩端各安裝1支探頭。兩個探頭輸出信號經過卡件合成為低壓脹差信號。

圖3 低壓缸脹差補償式測量

3.2 脹差傳感器安裝調試

安裝前零位選擇：機組冷態時，在汽輪機6W處采用千斤頂朝機頭方向將轉子推向推力軸承的工作瓦面貼死。此時，將低壓脹差定為零位。安裝前，對A、B兩個探頭進行線性采集，并將組態下裝到TSI 卡件內。低壓賬差安裝步驟如下。

（1）拉線性找到A、B 探頭的切換點電壓。本廠切換點：13.5mm處。此時，A探頭對應的電壓為-18.46V，B探頭對應電壓為-18.52V。

（2）安裝A探頭對準測量推力盤調整電壓為-18.46V，調整B探頭對準測量推力盤調整電壓為-18.52V，確認后將支架固定，螺栓鎖緊。

（3）手動旋轉支架手輪，整體移動探頭與測量盤之間距離，測試報警值和危險值，檢驗繼電器可以正常輸出。

（4）調整支架手輪，讓A、B 探頭整體移動，當DCS畫面顯示為0時，鎖緊固定支架，安裝完畢。

高、中壓缸脹差與低壓缸脹差安裝方式類似，在此就不再詳細說明。

4 位移、脹差傳感器安裝、電纜敷設注意事項

安裝位移、脹差電渦流傳感器及延伸電纜敷設時，應注意以下幾點。

（1）傳感器電纜敷設應盡量遠離可能導致電纜斷裂的物體，如油口、旋轉部件、高溫部件、尖銳棱角處。

（2）在敷設傳感器電纜時，應用合適的扎絲、白布條進行綁扎固定。綁扎點間距不超過150mm，每個綁扎點至少纏繞2 圈。綁扎牢固松緊適度，避免傳感器電纜觸碰轉子。

（3）在安裝探頭時，需要將引線部分和延伸線部分的插頭先行斷開，再把探頭順時針旋轉到支架螺紋內，防止在安裝時導致機械損壞。

（4）電渦流傳感器為了方便安裝，設有中間轉接航空插頭，在安裝時要注意方向，對接插入時，要用力平穩、直線對接，防止針腳損壞。為了防止轉接頭與缸體摩擦損壞、接地從而串入干擾信號，導致保護誤動，因此，接頭必須用熱縮管進行加固、絕緣。熱縮時，采用熱風槍，溫度在300℃左右，均勻熱縮，保證熱縮效果。

（5）EPRO 系統內所有的公共端、屏蔽線、機殼均要求接地，并且不能采用多點接地，而是統一在機柜一端接地，減少外界的干擾。

5 機組運行中存在的問題及原因分析、防范措施

5.1 測點離線、跳變及安裝錯誤事件

（1）2016年8月13日。1 號機組1000WM 負荷時小機軸向位移測點1 離線，DCS 光字牌報警。退出軸向位移主保護，就地檢查前置機接線、中間航空插頭（在缸體外面）及延長電纜，發現航空插頭松動，導致測點離線。對插頭緊固并采用熱縮管固定后，測點工作正常。

（2）2018年3月15日。1 號機組965WM 負荷時大機軸向位移測點3 跳變，DCS 光字牌報警。退出軸向位移主保護，就地檢查前置機接線及缸體外部延長電纜，無異常。機組停運后，揭缸檢查中間航空插頭（在缸體里面），無異常。檢查探頭內部延長電纜（非鎧裝），發現有磨損破皮處。更換整套軸向位移探頭，機組啟動后，測點工作正常。

（3）2021年10月13日。2 號機組C 級檢查，小機軸向位移測點1、2、3 安裝錯誤，導致機組無法正常啟動。小機大軸已向汽機側推死，推力間隙0.38mm。熱工人員安裝測點時錯誤使用萬用表是造成本次事件的主要原因。安裝探頭時，測量間隙電壓應該測量前置器COM 端和OUT 端之間電壓。而熱工人員萬用表測量24V電源端和OUT端導致3個測點安裝錯誤。安裝完畢后，小機單體沖轉試運，直接到達跳機值。

5.2 原因分析

原因分析：東方汽輪機廠設計TSI測點安裝在軸承箱內（非外置式），探頭延長線電纜有一部分敷設捆綁在軸承箱內，另一部分采用中間航空插頭延伸到前置器。這種安裝方式將有以下幾種可能引起測點故障。

（1）探頭安裝不牢固，鎖緊螺絲松動，探頭本身晃動引起測點故障。

（2）機組運行期間，延長電纜中間航空插頭松動，引起測點故障。插頭表面氧化或者油污滲入也會影響測量的準確性。

（3）探頭延長線電纜沿著潤滑油管道用扎絲或白布條捆綁固定，機組運行期間軸瓦潤滑油剛好噴到探頭延長線上，長時間沖刷，可能導致捆綁松動，延長線電纜與機械棱角摩擦磨損引起測點故障。

（4）卡件通道損壞或者前置器至TSI 機柜的信號電纜被干擾或絕緣降低，引起測點故障。

（5）探頭、延伸電纜、前置器3者是成套整體，生產出廠時都有自身獨立的阻抗值和特性曲線，不可與其他同類型產品互換探頭、延伸電纜、前置器，更換可能引起特性曲線發生變化，導致測點測量不準確。

5.3 防范措施

（1）采用全套鎧裝探頭，防止潤滑油長期沖刷導致延長電纜磨損破皮。

（2）探頭安裝完畢后，在鎖緊螺母處涂抹膠水，防止探頭松動。

（3）采用沒有中間航空插頭的一體化探頭。

（4）測點附近嚴禁使用大功率電子設備，防止電磁干擾。

（5）提高安裝工藝與標準，正確安裝探頭與敷設延伸電纜。

6 結語

本文主要對汽輪機軸向位移、脹差傳感器安裝方法、調試注意事項、故障原因分析等方面進行了分析與研究。總結經驗，采取有效防范措施，才能避免測點出現誤動或拒動，確保機組安全穩定運行。