汽輪發電機組振動監測保護系統研究及應用

曹美杰，王延明，潘作新

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山，063200）

引言

轉動機械設備是工業生產中的關鍵核心設備，尤其是大型電廠的汽輪發電機組轉動設備用的是高溫高壓蒸汽介質，轉速高，荷載大，其能否長期安全可靠運行直接關系到設備人員安全和生產經濟效益的提高。轉動機械設備的振動可分為徑向振動、軸向振動和扭轉振動三種［1］，其中徑向振動對機組運行影響最大，是機械破壞的主要原因，所以徑向振動是振動監測的主要對象，也是對機組狀態進行診斷的主要依據。電廠汽輪發電機設備的隱患或故障往往會直接反映在轉軸相對振動和軸承振動數據上，因此需要結合具體的監測振動類型、其他監控項量、現場安裝環境等因素選取性能可靠的汽輪發電機組振動監視系統和測量設備，從而為汽輪發電機組的振動監測、數據分析、隱患預測、定期檢修消缺提供依據，同時還要對其采取科學合理的檢查維護措施，確保其能夠為汽輪發電機組的長周期安全穩定運行保駕護航。

1 振動監測儀表

在振動測量領域中，測量監控手段與方法多種多樣，本文主要討論電測量方法，電測法的要點在于先將機械振動量轉換為電量（電動勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進行測量，從而得到所要測量的機械量。這是目前工業生產領域應用的最廣泛有效的方法。

1.1 振動傳感器分類及原理

電測量法用到的振動傳感器種類豐富，按照工作原理的不同，能分為電渦流式位移傳感器、電感式速度傳感器、壓電式加速度傳感器、電容式振傳感器和電阻應變式傳感器等，下面主要對轉動設備應用最多的前三種傳感器原理進行研究介紹。

電渦流式位移傳感器工作原理：在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高的交變電壓，當線圈平面靠近某一導體面時，由于線圈磁通鏈穿過導體，使導體的表面層感應出一渦流，這種現象被稱為渦流效應（如圖1所示）。電渦流傳感器就是建立在電渦流效應原理上的一種傳感器，它可以對一些物理量實現非接觸式測量，具有結構簡單、體積小、靈敏度高等優點［2］。當電渦流傳感器接近被測導體時，被測導體表面產生電渦流，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，使線圈電感發生變化。被測導體與傳感器之間間隙越小，導體產生的電渦流越大，傳感器線圈的電感量就越小。它的輸出電壓是電感的函數，因此導體與傳感器之間間隙變化時，測得輸出電壓值就可獲得間隙值，電壓值再經前置器放大以0V～24VDC 信號進入振動監測系統。渦流式位移傳感器的主要特點是它與被測點沒有接觸，因此它特別適用于轉動設備旋轉軸的振動測量。

圖1 電渦流傳感器原理圖

電感式速度傳感器原理：電感式速度傳感器是一種動圈式（磁電式）的傳感器，其測量原理圖如圖2所示。當傳感器與結構一起振動或傳感器動圈上的頂桿與結構相連時，由于結構的振動，使傳感器的線圈在磁鐵磁場中產生運動，切割磁力線而產生感應電動勢，感應電動勢的大小與動圈運動速度成正比。因此，通過感應電動勢的量測即可確定結構的振動速度。電感速度傳感器固定于振動體（比如軸承蓋）上，測得的結果為振動體的絕對速度；傳感器殼體固定于一個物體上，頂桿頂住另一個物體，測量所得為兩物體的相對速度。與電感式速度傳感器配套的二次儀表一一電感式測振儀，主要是微積分放大器，濾波器和檢測指示部分，用于對傳感器輸出的信號進行放大，可直接測量速度；并且經過積分電路可測量位移；經過微分電路可測量加速度。

圖2 速度傳感器測量原理圖

壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器是利用晶體的壓電效應來完成振動測量的，當被測物體的振動對壓電式振動傳感器形成壓力后，晶體元件就會產生相應的電荷，在一定的壓力范圍內，輸出電荷與加速度成正比。所以通過對壓電加速度計輸出電荷的量測即可確定加速度的大小。壓電式加速度傳感器配套的二次儀表常用電荷放大器，電荷放大器是一種高增益的帶電容負反饋，并且輸人阻抗極高的運算放大器。它的輸出電壓與壓電加速度計發出的電荷成正比，與反饋電容成反比，它受電纜電容的影響很小，這是電荷放大器的一個主要優點。電荷放大器的輸入端一定要很好地加以屏蔽。

目前工業現場大型旋轉機械設備用于振動測量的以渦流傳感器為主，只有在渦流傳感器安裝不便，或對測量有特殊要求時才選用（例如需要測量機殼或機座的絕對振動），才考慮選用速度或加速度傳感器進行振動測量。

1.2 振動監測儀表系統結構組成

振動測量系統結構圖如圖3 所示，主要被測導體、振動傳感器、信號傳輸線路、二次表分析處理單元、振動監測系統、DCS 控制系統、操作員站組成。其中振動傳感器根據現場安裝環境、被測對象特點、測量精度要求等因素進行選型，振動傳感器測量信號通過信號線路傳輸到二次表進行處理，比如電渦流傳感器需要前置放大器對信號放大處理后輸出到振動監測系統或DCS 控制系統，同時可顯示測量振動值，DCS 控制系統程序利用振動數據一方面用來進行控制邏輯保護實現，另一方面可將數據轉換為直接觀測量傳輸到操作員站實現運行人員對軸系振動測量值的實時遠程集中監控。

圖3 振動監測系統結構

2 振動監測儀表在汽輪發電機組的應用

某沿海鋼廠自備電廠汽輪機型式為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排汽，單抽供熱凝汽式汽輪機。機組按照“以熱定電”的原則，結合國內外先進的設計經驗進行重新設計，流通結構介于反動式與沖動式透平之間，級數少，效率高。額定功率（ECR）為300 MW，最大功率（VWO）為340 MW。發電機為三相、二極、隱極式轉子同步發電機，冷卻方式為水-氫-氫。

2.1 振動測點的選擇布置

汽輪發電機組中心轉軸的徑向振動一般簡稱為軸振，一般采用電渦流式探頭測量，瓦振即為軸承座振動，也稱軸承振動，一般由接觸式的速度或加速度傳感器測量實現，有時也稱殼振或蓋振。國內汽輪發電機組的振動多采用相對振動，其反映的是轉軸或轉子相對于支撐或缸體的振動，轉子的軸振大，表示轉子在旋轉一周時，離開平衡距離的位移大，因此一般軸的單位為微米；瓦振是絕對振動，反映軸承座或軸瓦相對于基礎的振動。在大型轉動設備尤其是大型汽輪發電機組振動監測中，軸振與瓦振都是必須要監控測量的參數，任一項超標都是不可接受的。

該電廠的汽輪發電機組本體的振動的測點布置如下圖4 所示。在汽輪機的前箱布置有鍵相、偏心、轉速、軸位移測點，對轉子的偏心、鍵相、轉速、軸位移值進行實時監測；在汽輪發電機組的1#-6#軸承分別布置有X、Y 向軸振和絕對振動測點，主要用來監測每個軸承位置的X、Y 向軸振值和相應位置的軸承的絕對振動。

圖4 汽輪發電機組本體振動測點

綜合考慮測點精度、安裝環境等各種因素，軸振用的是電渦流式傳感器，測量精度和安裝精度高，而殼振用的是電感式速度或壓電式加速度傳感器，直接安裝固定在外殼位置即可；而轉子偏心、鍵相、轉速和軸位移的測量精度要求也較高，是除振動參數外需要重點監控的狀態值，其用的也是電渦流式傳感器。

2.2 振動監測系統的設計應用

汽輪發電機組監測保護系統（Turbine Supervisory Instruments，簡稱TSI）是電廠設備最重要的監測保護系統之一，主要是用來連續測量汽輪機的轉速、振動、膨脹、偏心、軸向位移等機械參數，并將測量結果送入控制、保護系統，一方面供運行人員監視、分析旋轉機械的運轉情況，同時在參數越限時執行報警和保護功能。該電廠汽輪發電機組監測保護系統選用的是瑞士Vibro-Meter 公司生產的VM600 系列汽輪機振動監測保護系統，用于監測該汽輪發電機組的轉速、振動、偏心、軸向位移等信號，這些信號經VM600 系統處理后，一方面可輸出給DCS 系統供生產運行人員遠程實時監控記錄，另一方面該系統對這些振動檢測量進行邏輯判斷后，輸出給ETS（汽輪機緊急跳閘）系統實現對機組的聯鎖停機保護功能。

該機組的振動監測保護系統網絡構架圖如圖5所示。韋伯VM600 TSI 保護監測系統硬件包括框架、電源模塊、CPU卡件、I/O模塊、網關通訊模塊、網關I/O 模塊等，還包括現場安裝的傳感器探頭、前置器及相關信號線路等。其中，電源模塊可選擇冗余配置，確保電源供電安全；IOC4 輸入輸出模塊用于MPC4 信號輸入，過程量輸出和原始信號輸入，IOC16 輸入輸出模塊用于CMC16 信號輸入和網絡連接，整個框架可安裝12個監測保護模塊，6個附加的繼電器模塊，2 個冗余電源模塊和1 個CPU-M模塊。

圖5 振動監測系統網絡構架圖

其中汽輪發電機組每個軸瓦位置的X向和Y向軸振測量用的是韋伯TQ 402系列電渦流傳感器，絕對振動（瓦振）選用的是韋伯CE680 系列加速度傳感器，上述兩種型號的傳感器接線圖如圖6所示。

圖6 振動傳感器接線圖

測軸振用的渦流傳感器通過前置放大器對信號進行處理后輸入到監測保護系統IOC4信號模塊，而絕對振動探頭通過中間接線端子箱接入IOC4 信號模塊。VM600 監測保護系統對振動、軸位移等信號進行分析處理后可通過計算機顯示器直接顯示振動監測數據，同時通過輸出模塊一方面將標準信號輸出到DEH 系統，可實現集控室操作員站對振動數據的實時監測和記錄，另一方面還可以按照保護邏輯對數據進行邏輯計算后將開關量保護停機信號或報警信號輸出到ETS 系統，通過ETS 系統實現機組的聯鎖保護停機功能，TSI 系統的振動數據通過電廠DCS 系統不僅可以實現集控室遠程監控，還可以通過交換機和光纖網絡傳輸到能源運行中心實現能源數據的集控監控。VM600 系統在硬件和系統組態軟件方面是非常靈活的，采用的是開放式模塊化結構，數據交換采用工業標準通訊協議，為系統的擴展和日常維護提供了便利。

2.3 汽輪發電機組振動測點聯鎖保護實現

該汽輪發電機組的振動保護聯鎖邏輯如圖7所示，該停機保護邏輯是通過TSI 系統來編程實現的。該機組的軸振X 向Y 向振動報警值設置的為125 μm，停機保護定值為254 μm，當同一個軸X 向和 Y 向 振 動 值 同 時 達 到 125 μm 和 254 μm 或125 μm 和 254 μm 時 TSI 系統會將報警和停機指令通過開關量輸出模塊輸出給ETS 控制柜，該保護停機指令進入ETS 機柜后分別進入3 個開關量輸入卡件對應的DI 點，滿足3 取2 邏輯后便可直接觸發機組跳閘指令實現聯鎖保護停機，確保設備和生產安全；同理，任何一個軸承的絕對振動值達到聯鎖保護定值125 μm 后也通過同樣算法觸發機組聯鎖保護停機。本機組采取的邏輯保護設計，可以避免因單點儀表本體問題而導致的設備誤動問題，又可以保證在振動真正出現異常狀況下邏輯保護可靠觸發機組聯鎖停機，為機組的運行安全提供保證。

圖7 機組振動聯鎖保護邏輯

3 應用效果

該電廠汽輪發電機組振動監測保護系統已投運多年，系統運行可靠穩定，測量的振動數據顯示和趨勢記錄準確可靠，監控組態畫面和測量數據記錄趨勢如圖8 所示。該系統將監測保護、狀態和性能監測完整地結合，不僅可以實現機組轉軸的各項振動數據的實時遠程監控，而且該系統還可以檢測軸位移、鍵相、轉速等多項轉動設備參數，通過配套的MPS 組態軟件實現對需要監控的各種相量進行組態和監控，同時還可以實現任何參數的現場修正。尤其該系統配套的電渦流傳感器、加速度傳感器探頭具有高靈敏度和高可靠性，壽命長，安裝維護容易，有利于降低備件支出和設備維護成本。CPU 模塊可以保存全部組態數據，自動下載到新更換的模塊上。該系統通過對振動數據進行分析，可以判斷機組轉軸的變形量和變形趨勢，分析轉軸的動平衡性能，有利于提前發現并處理轉動設備隱患缺陷。

圖8 振動監測組態畫面

該系統的冗余電源設計大大提高了供電可靠性，維護量小，一旦振動數據出現異常，可以快速排查解決問題。同時，開放的系統結構和網絡配置很容易實現與電廠DCS 系統的數據交換和共享，進而為機組聯鎖保護功能的實現提供了保證，這都對汽輪發電機組核心設備的長周期高效安全運行具有重要意義。