火電廠旋轉機械監測系統故障分析及技術措施

馬仁婷

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司中南電力試驗研究院，河南鄭州 450000）

0 引言

旋轉機械監測系統，通過連續監測旋轉機械本體和軸系的機械工作參數（如轉速、振動、脹差、熱膨脹、軸向位移等）幫助運行人員判別大型旋轉設備的運行狀態，并在被測參數超出預設值時發出報警及停運信號，在必要時還可提供用于故障診斷的數據[1]。在火力發電廠中，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機安全監測）系統用于監測汽輪發電機組軸系機械量參數，為汽輪機的安全運行提供保障。通常，一些大型旋轉輔機設備（如給水泵汽輪機、引風機汽輪機、風機及水泵等）也配置有機械量監測系統。為降低設備投資成本、實現運行過程節能經濟，單輔機配置更多地應用于火電機組，這對于旋轉機械監測系統的測量準確性及可靠性要求更高。

1 硬件故障

旋轉機械系統的硬件組成主要是兩部分，分別是傳感器（部分需配置轉換器）和監測裝置，前者直接感受被測機械量并轉換成電信號，通過信號電纜傳輸至監測裝置；后者則對傳感器送出的信號進行連續監測，并對信號進行計算處理、判斷，同時輸出模擬量信號、開關量信號和數字信號。一般來說，旋轉機械系統的硬件故障主要是傳感器故障和監測裝置故障。

1.1 傳感器故障

1.1.1 故障類型

傳感器的故障類型主要有3 種，分別是元件損壞、選型與要求不符、安裝不當。

（1）元件損壞通常是電子元件老化所致。據某發電公司2015—2021 年的火電機組非停案例統計，因旋轉機械監測系統硬件模件故障導致非停事故的共6 起，其中4 起與電子元件的老化相關。因為電子產品理論使用壽命年限為10 年左右，運行時間超過10 年后硬件產品故障率會逐漸升高。

（2）傳感器選型與運行參數、現場情況要求不符，會造成測量異常。例如，某火電廠大修中更換差脹探頭，機組運行后差脹信號異常偏大，經咨詢設備廠家，發現傳感器的量程范圍與差脹測量要求的量程不符；某火電機組在小汽輪機沖轉過程中，轉速快速變化時轉速測量值不同，轉速偏差大于100 r/min，造成給水泵跳閘，因3 個轉速信號由不同廠家不同型號的傳感器采集，判斷測量偏差是由于傳感器靈敏度差異造成[2]。

（3）用于旋轉機械狀態監測的傳感器大多數為非接觸式，安裝不當極易產生附加誤差甚至造成傳感器機械損壞。例如，某火電機組1 號軸承顯示值偏高且有波動，檢查發現軸振傳感器固定支架太短，導致傳感器與側面金屬壁距離過近，造成傳感器磁場受到側面金屬壁的影響使測量值偏大[2]；某機組啟動后給水泵汽輪機振動值顯示為0 μm，檢查后發現傳感器直徑2～4 倍的范圍內有其他金屬體，判斷振動傳感器不能直接看到探頭的安裝情況，只能依靠安裝間隙電壓來判斷，而這一電壓被誤認為是傳感器到軸承的間隙電壓，致使測量值異常。此外，支架設計不合理、剛性差也會使非接觸式傳感器的測量產生附加誤差，電渦流式探頭在安裝時應避免探頭附近有其他導電介質。

1.1.2 預防傳感器故障的有效措施

（1）運行時間超過10 年的傳感器應完善設備臺賬，強化設備劣化趨勢的分析工作，制定相應的檢修技改計劃，同時制定對應的巡檢及測試措施、做好事故預想，避免設備故障后事故擴大。

（2）應根據旋轉機械的運行參數、系統測量精度要求和現場情況，選取技術先進、成熟、可靠性高的傳感器。對于多點保護的測量信號，應選用廠家相同、量程相同、靈敏度相同的傳感器。

（3）傳感器支架剛性應符合要求，以避免支架自振造成的附加測量誤差。同時，安裝的支架能保證傳感器的安裝間隙和垂直度都能符合廠家要求。

（4）電渦流式傳感器端部的被測面應光滑、均勻，傳感器直徑2～4 倍的范圍內不應有凹槽、凸臺等不均勻的部分。被測面應能覆蓋傳感器直徑，被測面的范圍宜大于傳感器直徑的2 倍。

1.2 監測裝置故障

監測裝置一般由機架、電源模塊、處理器、輸入/輸出設備、通信設備、顯示設備、機柜等組成，對傳感器和轉換器送出的信號進行連續監測并對信號進行計算處理、判斷，同時輸出模擬量信號、開關量信號和數字信號。硬件配置不符合冗余性、分散性要求及系統功能存在缺陷等，是監測裝置故障的主要原因。

原則上參與火電機組保護的測點需要完全獨立配置，即參與同一保護項目的冗余測點應卡件、背板框架均分散布置。但實際上大多數的旋轉機械監測系統機柜僅配置一或二層框架，3個測點冗余的保護項目（超速、軸向位移）無法實現框架獨立配置。另外，振動測點數量較多，一般達不到“一測點配置一塊卡件”的要求。因此，某一卡件或背板故障將會有保護誤動風險。如果電源模件故障，所有測點均會測量失效，事故影響范圍更大。

某火電機組單汽泵配置，在運行過程中小汽輪機軸位移1#、2#、3#同時壞點，觸發小汽輪機軸位移保護，小汽輪機跳閘。調閱相關歷史曲線，發現事故發生時同背板上所有測點均壞質量且持續16 s 后恢復正常。因測點故障時間與卡件啟動自檢時間相同，判斷因背板故障致使該背板上所有卡件自啟動。該監測裝置的硬件配置存在保護誤動風險，參與重要保護的測量卡件布置在同一背板模塊，無法將故障風險分散。

某火電機組在運行過程中TSI 系統畫面中部分參數指示異常，1 r/min 后觸發低壓差脹大保護，機組跳閘。事故原因為1#、2#瓦振卡件中二極管短路造成瞬間電流過大，致使TSI 系統柜的24 V DC 電源模塊過載保護動作，電源故障持續2 s 后恢復，在電源故障時低壓脹差卡件因受到沖擊損壞，導致停機信號誤發。該監測裝置硬件通道間的故障隔離功能存在缺陷。

預防監測裝置故障的有效技術措施有：

（1）卡件及通道配置應符合火力發電廠熱工保護安全冗余配置基本原則，確保其分散性和冗余性。對于多點保護的測量信號，應分配到不同模件上，并列運行的旋轉機械設備的監測卡件不應布置在同一個機架內。

（2）電源配置應為冗余配置，應能夠接受電廠提供的兩路獨立電源，任何一路電源失去，系統監測和保護功能不能喪失。應配備雙路電源模件，以實現裝置內直流側無擾切換。

（3）調試階段應對監測裝置功能進行全面測試。監測裝置應至少滿足以下功能：①電源切換過程中，整個監測系統應正常工作，輸入及輸出信號不應中斷和變位；②任何單個傳感器、轉換器、監測卡件故障或損壞不影響其他設備的正常工作，監測卡件任一通道故障或損壞不影響卡件上其他通道的正常工作；③監測卡件應能帶電在線插拔和更換而不損壞，且不影響其他卡件和系統的正常工作，卡件帶電插拔時應具備保持現場測量值不變的功能；④具有信號斷線判斷功能，且具備斷線時報警輸出功能和閉鎖保護輸出功能。

2 環境影響

旋轉機械系統相關裝置在火力發電廠中就地安裝環境較差，易受現場振動、溫濕度及電磁環境干擾，造成測量可靠性下降、裝置故障率升高。

2.1 電磁干擾

旋轉機械監測系統中傳感器輸出的信號大多為毫伏級，極易受電磁干擾從而影響信號測量及計算。而火力發電廠中電磁干擾的干擾源較為復雜，如無線電波、電火花、過電壓、大容量設備啟停、電氣設備事故接地、雷擊等，這些干擾通常是偶發性的，后續不易驗證復現。

例如，某火電機組8Y 軸振經常出現壞質量，其他軸振參數均正常，經檢查判斷8Y 軸振測點安裝于低壓缸與發電機勵磁側，受勵磁干擾風險較大；某機組運行期間有一轉速信號出現跳變，汽機實際上3000 r/min 時最低顯示只有2000 r/min 左右，檢查信號電纜后發現信號線是一根多芯電纜，電纜上有多組信號，信號間存在電磁干擾風險。

預防電磁干擾可從消除干擾源、隔斷干擾通道及削弱接收回路對干擾信號的靈敏度3 個途徑進行預防[3]，具體措施如下。

（1）現場傳感器、接線盒等區域禁止使用無線電通訊設備，嚴禁磁性物體接近一次測量元件。

（2）電纜選型、屏蔽層處理應合理規范。安裝傳感器信號宜采用無分屏的屏蔽電纜，線芯數量與傳感器信號匹配，不宜設置備用芯，屏蔽層現場側應浮空，應在機柜側接入屏蔽端子。

（3）系統機柜與底座、相鄰系統機柜應絕緣安裝。安裝時，機柜與安裝底座、相鄰機柜間應墊絕緣膠皮，固定機柜用地腳螺絲與底座或相鄰機柜間應有膠皮絕緣。

（4）系統接地方式應規范可靠。系統應設有獨立的安全地、屏蔽地及相應接地銅排，可采用中心接地匯流排的方式實現系統的單點接地。定期進行接地電阻測試，接地電阻應滿足規程要求。

2.2 其他外部干擾

火力發電廠大型旋轉機械設備運行的環境常伴隨著高溫、蒸汽，當環境指標超出裝置廠家要求時，測量回路發生異常的風險會升高甚至加速設備老化。此外，測點安裝連接部件（支架、套管、螺母等）、電纜受振動影響也會造成測點安裝位置偏移、接線松動及電源故障等隱患。

某機組正常運行1Y 振動測量回路故障，檢查發現1#瓦軸承處軸封漏汽量比較大，探頭附近的溫度超過184 ℃，傳感器環境溫度過高。另外，泄漏的蒸汽順著1Y 振動探頭金屬軟管里面漏到延伸電纜的地方，有蒸汽在管內凝結成水，造成延伸電纜絕緣下降，最終導致故障。

某機組運行時，TSI 系統觸發“軸向位移大”保護，機組跳閘。現場檢查發現是由兩路跳閘信號發出，汽輪機軸向位移模擬量顯示異常，測點因超量程下限判斷為壞質量。檢查軸向位移信號電纜，發現電纜相間絕緣電阻、對地電阻均為零，沿電纜查找發現兩根軸向位移信號電纜均出現軟化粘連現象，判斷事故原因為電纜受壓、過熱，引起信號電纜絕緣損壞甚至短路。

處理此類故障的有效技術措施主要有4 個：

（1）檢修期間應緊固各測點的套筒、螺母，在條件允許的情況下應重新安裝偏離標準間隙電壓較大的測點。

（2）傳感器延伸電纜應盡可能獨立走線，固定和走向應不存在磨損的隱患且全程避開高溫區域。延伸電纜應采用銅線或漆包線進行捆扎固定，以防浸油扎帶脆化。

（3）加強日常巡檢，保證設備運行安全、通風正常，定期對高溫區域進行測溫檢查，一旦出現信號擾動要做全面檢查。

（4）將緊固接線端子、更換老化的接線端子、電源切換試驗、電纜絕緣檢查等工作列入檢修常規項目。

3 結束語

旋轉機械監測系統的可靠性直接影響火電機組大型旋轉機械設備的安全運行，本文通過事故案例從硬件故障、環境影響兩大方面對旋轉機械監測系統存在的風險隱患進行分析，并且針對共性問題給出了合理的技術措施，為電廠檢修維護人員提供參考。