本特利3500系統在328.5MW汽輪機中的應用

王振學

（國能（天津）大港發電廠有限公司，天津 300272）

3500汽輪機監視系統是本特利內華達公司1995年推出的產品，其產品采用了可靠的微處理器和數字化技術，經多次改進和升級，具有良好的人機界面。

1 本特利3500系統介紹

隨著大型汽輪發電機組的發展，對汽輪機的經濟性要求不斷提高。蒸汽參數越來越高，汽輪機各部件設計更加精密緊湊，汽輪機葉片、噴嘴、軸封、軸瓦等之間的徑向間隙、軸向間隙等都更小，需要監視的參數和保護越來越多，對汽輪機監視儀表TSI提出了更高的要求。汽輪機監視儀表系統TSI（Turbine Supervision Instrument），主要對汽輪機的振動、位移、偏心、脹差等參數進行監測。本特利3500系統是美國本特利內華達公司生產的一種能夠提供連續在線監測功能的多用途系統，它適用于各類旋轉、往復式機械監視、保護等場合，尤其適合作為電廠汽輪機監視系統。3500系統采用傳統的19”框架結構，可安裝多種不同功能的模塊，實現多種組合配置，完成汽輪機各項指標和參數的連續監測。

該系統主要硬件包括：用于安裝各種監測模塊的儀表框架；提供系統運行電源的電源模塊15；組態、通訊、連接其他系統或計算機的框架接口模塊22M；位移監測模塊40M；位移/速度加速度監測模塊42M；空氣動力監測模塊44M、脹差/軸向位移監測模塊45、多用途監測器模塊46M；轉速表模塊50；超速保護模塊53，增強型鍵相監測模塊25，四通道繼電器模塊32，16通道繼電器模塊33。

主要應用軟件包括：3500框架組態軟件，3500操作者顯示軟件，以及TDM系統軟件。

2 本特利3500系統常用硬件介紹

2.1 儀表框架

3500系統有兩種尺寸安裝框架可供選擇，全尺寸框架和迷你框架。其全尺寸框架寬度為19”，在現場可以根據實際情況，采用導軌、面板或壁板等多種形式靈活安裝[1]，應用較多。19”框架最左端為兩個電源模塊專用位置，SLOT-1為框架接口模塊專用位置，框架中SLOT-2至SLOT-15的其余14個插槽，用戶可以根據需要靈活布置鍵相監測模塊、轉速模塊、監測器模塊、顯示模塊、繼電器模塊和通訊網關模塊的任意組合。框架深349 mm，中間為底板，提供框架內模塊間電源分配、通訊傳輸等基礎功能，將框架分為前后兩個部分，所有模塊插入到框架的底板中。各個功能模塊組由前面板卡（主模塊）部分和框架后部配套的I/O模塊組成，現場接線均在框架后部I/O模塊上。3500框架還提供一種迷你型12”框架，迷你框架具有7個插槽，一般用于小型系統監測。

2.2 電源模塊

3500/15電源模塊是一個半高度模塊，它必須安裝在框架最左端的槽位[2]，這個槽位分為上下兩部分，可以安裝1個電源模塊，也可以安裝兩個電源模塊。當安裝兩個電源模塊時，上部電源為主電源，下部為備份電源，任何一個電源模塊均可提供整個框架正常運行所需電流。3500/15電源模塊具有較大的電壓適應范圍，它主要有4種電源輸入可供選擇：交流電壓（85V～132V）、交流電壓（175V～264V）、高壓直流（88V～140V）、低壓直流（20V ～30V），用戶可以根據現場實際情況靈活選擇電源模塊。當現場需要較高的可靠性時，可以安裝兩個電源模塊1+1冗余供電，冗余電源模塊可以采用不同的形號，如主電源由220Vac電源供電，而備份電源可以由直流110VDC電源供電。當主電源發生故障時，備份電源立即自動切換為主電源模塊功能，只要框架中有一個電源在工作，拆除或安裝第二個電源不影響系統運行。3500/15電源模塊可以監測所有的輸出電壓是否符合規范，通過自檢，在電源模塊前面板上的綠色“Supply OK”發光二極管（LED）顯示出來。

2.3 框架接口模塊22M

22M瞬態數據接口模塊必須安裝在框架SLOT-1槽位，而且每個框架必須安裝一個模塊[3]。它提供BN主計算機通訊協議可以通過3500組態軟件對框架進行組態，也可以通過BN TDI協議建立與本特利公司資產管理和數據采集軟件之間的通訊，提供給工程師連續采集穩態和瞬態波形數據。整套模塊分為主模塊（安裝于前槽位）和輸入/輸出模塊（安裝于后槽位）兩部分。主模塊前面板帶有9針D-SUB RS232接口，端口具有最大115.2K波特的自適應能力，最大通訊距離30 m，可以用于3500組態軟件和顯示軟件通訊。配套輸入/輸出模塊有兩種，一種為支持TCP/IP協議的100Base-FX光線以太網模塊，物理接口為RJ45接口，最大通訊距離100 m，可以用于3500組態軟件和顯示以及本特利System1軟件通訊。第二種是一種為支持TCP/IP協議的10Base-T/100Base-Tx以太網模塊，物理接口為MT-RJ光纖接頭，最大通訊距離400 m，可以用于3500組態軟件和顯示以及本特利System1軟件通訊。22M瞬態數據接口模塊有自檢功能，內置系統OK繼電器，繼電器接點通過IO模塊輸出干接點，提供給DCS或其他系統使用。模塊前面板有4個LED，指示模塊的運行狀態：“OK”常亮，模塊處于正常運行模式；“TX/TR”閃爍，模塊于框架中其他模塊存在信息交換，通訊正常；“TM”框架處于報警倍增模式；“CONFIG OK”常亮，框架組態有效無沖突。模塊前面板帶有“RESET”按鈕，可以復位整個框架中任一模塊產生報警或“NOT OK”信息。22M模塊作為整個框架的數據通訊接口，當整個框架組態完成后，22M模塊損壞或拆除，不影響整個3500系統的正常運行和機械保護功能的實現。

2.4 鍵相模塊

鍵相測量是通過被測軸上設置一個凹槽或凸鍵作為鍵相標記，當這個凹槽或凸鍵經過探頭時，傳感器就會產生一個脈沖信號[4]。鍵相提供了精確汽輪機大軸旋轉一周的精確時間，它一般作為框架內監測器模塊或外部故障診斷設備測量倍頻幅值轉子相位的向量參數。改進行的鍵相模塊擴展了相位信號處理功能，鍵相模塊采用半高度設計，每個模塊2個通道，可以接收電渦流傳感器或磁電傳感器的信號作為輸入[5]。鍵相模塊前面板上有“OK”指示燈，當OK燈常亮時，指示本模塊運行正常；“TX/RX”燈閃爍，指示本模塊與其他模塊有數據交換，模塊通訊正常。一般系統配置1個鍵相模塊即可滿足框架需要，當采用三冗余（TMR）方案時，3500系統必須安裝兩個鍵相模塊才能滿足要求。在TMR方式下，兩個鍵相模塊同時提供基本信號和輔助信號給其他監測模塊使用。鍵相模塊在3500系統并非必須配置的模塊，但是沒有鍵相模塊支持，系統中偏心、振動等功能會有限制。

2.5 監測器模塊42

3500/42M模塊是一個多用途的模塊，它可以完成下列各種功能：徑向振動、軸向位移、差脹、偏心、加速度、速度、絕對振動、圓形可接受區等[6]。42M監測器模塊擁有4個通道，它可以連接位移傳感、速度傳感、加速度傳感器等，使用3500框架組態軟件進行通道編程，通過對這些信號的處理完成振動、位移測量。42/M監測模塊設置時每對通道功能必須是一致的，也就是說這個4通道的監測模塊最多可以同時設置兩種功能，如通道1和2必須同時設置為軸振監測功能，而通道3和4則可設置為軸向位移功能（或同樣是軸振功能），在策劃功能過程中需要避免不同功能布置在一對通道內。通過組態軟件，用戶可以設定處理后的信號，按照儀表量程輸出4 mA～20 mA，接入記錄表、PLC、DCS等控制系統，為操作人員和維護人員提供監測信息，模塊還可以為每個測量通道在其0%～100%范圍內設置“一般報警值”和“危險報警值”，報警可以設置延時。需要注意的是42M檢測器模塊提供的差脹監測功能僅支持單探頭工作模式，在有特殊要求的現場不適合使用。42M模塊前面板上有“OK”指示燈，當OK燈常亮時，指示本模塊運行正常；當“OK”指示燈閃爍時，模塊內有報警或曾經發生過報警，按下22M前面板上的“RESET”按鈕可以復位報警；“TX/RX”燈閃爍，指示本模塊與其他模塊有數據交換，模塊通訊正常；“BYPASS”為紅色指示燈，其指示模塊內有通道故障。

2.6 監測器模塊45

汽輪機脹差監測用來顯示動、靜部分的相對位移，它可以連續地指示汽輪機在運行中的軸向間隙[7]。3500/45模塊設計為專用的差脹/軸向位置監測模塊，它可以連接多種傳感器作為輸入信號，最常用傳感器為AC線性位移傳感器（AC LVDT）和渦流傳感器。45監測模塊4輸入通道，每對通道必須設置為相同功能[8]。如1、2通道必須同時設置為“差脹”功能，3、4通道則必須同時設置為相同的“差脹”功能或同時設置為其它功能。但是，只有通道3和通道4可以設置殼脹監測。45模塊可被組態實現差脹、軸向位置、斜面差脹、補償式差脹、殼脹、閥門位置常用功能，45模塊與42模塊相比，更注重于脹差監測功能的實現。需要注意不同的傳感器、不同的輸入信號45模塊配置的輸入/輸出（I/O）模塊是不同的，對系統配置通道功能做好規劃。45模塊前面板上有“OK”“TX/RX”“BYPASS”3個指示燈，指示模塊運行狀態。需要注意采用聯合探頭測量差脹時，機組運行中可能會因為檢測面過于遠離某一探頭，間隙電壓超出正常范圍，導致系統判斷為故障。

2.7 轉速模塊50

轉速值顯示是汽輪機機組啟機、停機以及穩定運行的重要參數，而且汽輪機振動與轉速有著較為密切的關系，3500/50轉速表模塊提供精確的轉速測量。轉速模塊50具有兩個測量通道，它可以接收一個或者兩個渦流傳感器或磁電傳感器信號，信號允許輸入范圍+10V～-24V，超過這個電壓范圍，在模塊內將受限，所以一般情況下選擇渦流傳感器配套使用。磁電傳感器受限的可能性更高[9]，而且磁電傳感器應用在零轉速、反轉檢測等功能時，由于其不能提供較為清晰的脈沖延，可能導致監測不準。轉速模塊50提供了汽輪機轉速、轉子加速度和轉向等基本監測功能，它還可以通過激活鍵相功能，向同一框架其它監測模塊提供鍵相位信號，安裝鍵相位模塊。50轉速模塊具有峰值記憶功能，存儲曾達到的最高轉速、最高反轉速度、反轉次數等，這個記憶值可通過復位按鍵復位。轉速模塊50前面板上同樣有“OK”“TX/RX”“BYPASS”3個指示燈，指示模塊運行狀態。

2.8 繼電器模塊32/33

3500系統提供了兩種繼電器模塊，3500/32為4通道繼電器模塊，3500/33為16通道繼電器模塊。4通道繼電器模塊32每個通道驅動兩個單刀雙擲（SPDT）繼電器，每個輸出都可以執行用戶編制簡單的報警邏輯，該邏輯僅可使用“與門”和“或門”編制，邏輯條件可以取用框架中組態的一般報警、危險報警、非OK或獨立PPL等[10]，但是4通道繼電器卡邏輯長度有限制，而且4個通道共用邏輯長度，即4個通道邏輯相加不能超過一定值。16通道繼電器模塊33適用于大多數應用場合，每個通道驅動1個單刀雙擲（SPDT）繼電器，每4個繼電器通過1個模式開關控制，選擇繼電器工作在正常帶電（NE）方式或正常不帶電（NDE）方式。16通道繼電器模塊可編制較長驅動邏輯，而且每個繼電器為獨立的邏輯存儲空間，邏輯編制靈活性較大。繼電器模塊可以作為3500系統對外輸出數字量接點的補充。

3 3500系統模塊及探頭在實際使用中的選型及配套

3.1 振動監測

此型汽輪機具有6個軸瓦，分別需要配置軸振和瓦監監測。其中軸振探頭采用本特利3300系列8mm電渦流探頭、前置器、5m延伸纜系統，監測模塊采用3500/42振動/位移模塊。模塊設置選擇標準的本特利8mm渦流探頭、徑向振動工作方式。由于此型汽輪機結構緊湊，軸瓦與瓦蓋間隔太小，本特利瓦振探頭尺寸不能符合安裝要求，因而采用可以滿足安裝要求的第三方壓電式速度探頭CV160，監測模塊采用本特利3500/42振動/位移模塊，模塊設置為非標準探頭。由于采用非標準探頭，因而模塊設置需要查詢CV60探頭技術手冊，對比本特利同類探頭技術數據，將探頭參數設置為速度傳感器，增加一級積分，以實現振動單位轉換輸出，滿足運行人員監視習慣。

3.2 軸向位移監測

汽輪機軸向位移探頭安裝在汽輪機前箱內，在大軸軸頭有一個高為40mm的環形檢測面，汽輪機設計軸向竄動量為±2mm，絕對全行程間隙為4mm，需選用本特利3300系列11mm電渦流探頭、前置器、5m延伸纜系統，用本特利3500/42振動/位移模塊進行監測。其中某臺機組由于汽輪機制造廠制做大軸時，沒有設計安裝軸向位移的檢測面，因而不能再按照原方式安裝監測，通過查找資料，研究汽輪機轉子結構和前箱構造，在汽輪機大軸前端有一個與軸向約成45°的斜面，其寬度滿足探頭檢測要求，可以采用斜面檢測原理進行軸向位移檢測。按照軸頭結構和前箱固定部分結構，設計了復雜的安裝支架，在一個支架和平面上完成了軸向位移斜向、軸向位移水平向、轉子偏心和鍵相探頭的安裝監測，同時修改DCS控制系統組態，修正和線性化軸向位移數據。

3.3 鍵相監測和偏心監測

汽輪機鍵相探頭和偏心探頭與軸向位移安裝在同一支架上，均采用本特利3300系列8mm電渦流探頭/前置器/5m系統；分別采用本特利3500/25鍵相模塊和3500/42模塊進行監測。模塊內探頭類型設置選擇標準的本特利8mm渦流探頭和相應的偏心功能。

3.4 脹差監測

本型汽輪機高壓缸脹差量程范圍為-12mm～+12mm，低壓缸脹差量程范圍為-7mm～+17mm，采用本特利3300系列25mm電渦流探頭/前置器/5m系統。由于單個探頭量程不夠，因而采用雙探頭聯合測量方式測量汽輪機高低壓缸脹差，采用本特利3500/45模塊進行監測。

3.5 轉速監測

轉速探頭采用本特利3300系列8mm電渦流探頭/前置器/5m系統，采用本特利3500/50轉速模塊進行監測，向DCS提供轉速指示。

3.6 繼電器卡

本次系統選擇使用了4通道繼電器模塊3500/32和16通道繼電器模塊3500/33兩種卡件，利用繼電器模塊提供的邏輯運算功能，將汽輪機振動保護邏輯設置在卡中，并分別由3塊繼電器卡輸出到汽輪機跳閘保護系統（ETS），實現汽輪機振動保護功能。

3.7 電源配置

防止電力生產事故二十五項反措中要求，汽輪機緊急跳閘系統和汽輪機監視儀表，所配電源應可靠[11]。因此本系統設計安裝了2塊電源模塊，配置為冗余電源系統。上部電源模塊為主電源，由機組UPS系統220VAC供電，下部電源模塊為備份電源，由機組廠用電220VAC供電，實現雙路電源供電、電源獨立，任何一塊電源模塊故障或損壞，均不影響系統運行。

4 結論

3500汽輪機監視系統是本特利內華達公司1995年開始推出的產品，其產品采用了可靠的微處理器和數字化技術，經多次改進和升級，具有良好的人機界面。模塊種類較少，使用過程中配置靈活，在本廠TSI系統中除必須配置的電源和接口模塊，只使用了4種監測模塊，即完成了整臺汽輪機的必要參數監視。在實際使用中，對現場探頭的安裝細微誤差，可通過組態軟件進行調整，提高了安裝、調試效率，投入運行后各模塊、探頭穩定，故障低，維護量小。該系統在328.5MW汽輪機組的應用是成功的，為汽輪發電機組提供了準確的參數指示。