主机保护系统(TSI)要点

第三章主机保护系统（TSI）1. TSI的使用目的由于随着科学技术的不断发展，电能需求的日益增加，单机容量的不断扩大等原因，大型发电机组要求有更高的可靠性和自 动化水平，否则它的事故将给电网造成巨大的损失，因此，在大 型机组中，监测和保护系统（TSI和ETS是非常重要的。它不 仅可以提高劳动生产率和电能质量，还能降低发电成本，改善劳动条件，并为大型机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。TSI 系统能连续地监测汽轮机的各种重要参数，例如：可对转速、超 速保护、偏心、轴振、盖（瓦）振、轴位移、胀差、热膨胀等参 数进行监测，帮助运行人员判明机器故障，使得这些故障在引起严重损坏前能及时遮断汽轮发电机组，保证机组安全。另外TSI监测信息提供了动平衡和在线诊断数据，维修人员可通过诊断数 据的帮助，分析可能的机器故障，帮助提出机器预测维修方案， 预测维修信息能推测出旋转机械的维修需要，使机器维修更有计划性，减少维修时间，其结果是减少了维修费用，提高了汽轮机 组的可用率。2. TSI的主要原理及功能因为TSI系统主要由传感器及智能板件组成。首先应该知道传感器是将机械振动量、位移、转速转换为电量的机电转换装置。 根据传感器的性能和测试对象的要求，利用电涡流传感器，对汽轮机组（纯电调）的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测 量，如BN公司的8mm 11mm 25mm 50mn#感器，epro公司的 PR6423 PR6424 PR6426传感器；利用速度传感器对盖振进行 测量，如BN公司9200传感器，epro公司PR9268传感器；利用 线性可变差动变压器（LVDT对热膨胀进行测量，如国产 TD-2 传感器，epro公司PR9350传感器。另外，还可利用差动式磁感 应传感器来测量机组的转速，如 epro公司的PR937M感器。电涡流传感器电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体） 间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从010Hz）。电涡流传感器的变换原理简要介绍如下：在传感器的端 部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz- 2MHz的交变电压（见图1-1）,当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁 通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流ie ,而ie所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一 定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。而耦合系数的大小 又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数K1与距离d有关，K= K1 （d）,当距离d增加，耦合减弱，K 值减小，使等效电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间 接测定d的变化。图1-1涡流传感器原理简图由于传感器反馈回的电感电压是有一定频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能得到间隙随时间变化的电压波形。即 根据以上原理所述，为实现电涡流位移测量， 必须有一个专用的 测量路线。这一测量路线（称之为前置器）应包括具有一定频率 的稳定的震荡器和一个检波电路等。涡流传感器加上一测量线路（前置器），如框图1-2所示：从前置器输出的电压 Vd是正比于 间隙d的电压，它可分两部分：一为直流电压 Vde,对应于平均 间隙（或初始间隙），一为交流电压Vac,对应于振动间隙。图1-2前置器原理简图速度传感器它的工作原理是基于一个惯性质量和移动壳体，传感器有一个永久磁铁，它被固定在传感器壳体上，围绕着磁铁是一个惯性 质量线圈，通过弹簧连在壳体上。测量时，将传感器刚性固定在 被测物体上，随着被测物振动，磁铁运动，使其产生磁场运动。 而线圈因固定在弹簧上，具有较大的惯性质量，即相对高频振动 的物体，具是相对静止的。这样，线圈在磁场中作直线运动，产 生感应电动势，其大小与线圈运动的线速度（即：机壳的速度） 成正比。通过对感应电动势的检测，即能获得被测物体的线速度。 如图1-3所示。图1-3速度传感器简图LVDT传感器其工作原理是利用电磁感应中的互感现象，实质上就是一个变压器，如图1-4所示。变压器上初级线圈 腐口两个参数完全相 同的次级线圈 W1 W2组成，线圈中心打入圆柱形铁心，次级线 圈W1和W2反极性串联，当初级线圈 W加上交变电压时，次级 W1和W2分别产生感应电势e1和e2,其大小与铁心位置有关。图1-4 LVDT原理简图差动式磁感应传感器差动式磁感应传感器的工作原理是利用一个差动式敏感元 件。该元件由一块永久性磁铁上的两个相互串联的磁敏半导体电 阻组成（这两个半导体的材料及几何尺寸相同）。在传感器电路中，这两个电阻组成一个差动电感电桥（如惠斯顿电桥）。当磁铁或钢的触发体接近或远离传感器且相互成直角（即传感器探头表面磁铁所产生的磁场与触发体边沿成直角）时，它干扰了传感器内部的磁场，使差动电感电桥失去平衡而输出一电压。通过对这一电压测量，即能获得被测物（即触发体）与传感器探头间的 间隙变化。 在TSI测量实际应用中，我们一般用该磁感应传感 器测量机组转速，就是通过测量探头与测速齿盘轮间的高、低电压变化所形成脉冲信号的数量，来得到实际转速值。智能板件各种测量板件接受相应传感器的电量信号后进行整形、计 算、逻辑处理等以后，显示出精确、直观的监测数据和报警指示。 输出标准的模拟量信号和继电器接点。智能板件可对传感器联线和自身的运行情况进行检测， 具有计算机通讯接口，可对测量范 围和逻辑输出进行组态，具有缓冲传感器信号输出等功能。对于重要的测量可进行冗余的配置，增强了可靠性。转速及零转速机器转速的测量，长期以来已成为一项必须进行的标准程 序，转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时的重要参 数，并且振动值与机器转速的相关性对最终分析机器性能十分重 要。例如：在机器停车过程中，转速突然下降，会意味着机器内 部存在着大面积的金属摩碰。而零转速是预先设定的轴旋转速 度，当运行的机器需停车时，机器转速达到零转速设置点，继电 器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴持续慢速旋转，来防止轴产 生弯曲，以避免在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机器造成损 坏。测量链由两只装于前箱正对 60 （或134）齿盘的传感器和 板件组成，如图1-9所示当机器旋转时，齿盘的齿顶和齿底经过 探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，板件接收到此 脉冲信号进行计数、显示，与设定值比较后，驱动继电器接点输 出。转速的测量范围：05000rpm；零转速设定值：小于4rpm；转速报警值：3240rpm。脉冲频率转速=x 60(rpm)齿数(z)图1-9转速及零转速测量示意图超速保护对于蒸汽透平机组，超速是最危险的情况之一， 如不加以控 制，会造成机组重大的事故，导致飞车的危险。最坏的超速情况 之一是机组甩负荷时，造成转速飞升。机组甩负荷时转速飞升小 于108%额定转速，否则应自动打闸停机。根据美国石油学会标 准API612要求，超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑， 因此本测量链采用“三取二”方式，如图 1-10所示。由三只装 于前箱、正对于60齿盘的涡流传感器和三块转速表组成，设定 值为3300rpm。与转速测量同样的原理，转速值=(脉冲频率/齿数)x 60。各机组超速白测量范围：05000rpm。图1-10超速测量示意图轴振动对旋转机械来说，衡量其全面的机械情况， 转子径向振动振 幅，是一个最基本的指标，很多机械故障，包括转子不平衡、不 对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进 行探测。转子是旋转机械的核心部件， 旋转机械能否正常工作主 要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不是孤立的，它 是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，构成了转子一支承系统。一般情况下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。因此轴颈的相 对振动比之轴承座的振动有显著的差别。特别是当支撑系统（轴承座、箱体及基础等）的刚度相对来说比较硬时（或者说机械阻 抗较大），轴振动可以比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大 多数振动故障都直接与转子运动有关。因此从转子运动中去监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和 有效。所以，目前轴振的测量越来越重要，轴振动的测量对机器 故障诊断是非常有用的。例如，根据振动学原理，由X、Y方向振动合成可得到轴心轨迹。在测量轴振时，常常把涡流探头装在 轴壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果是轴相对于轴承 壳的振动。由于轴在垂直方向与水平方向并没有必然的内在联 系，亦即在垂直方向（Y方向）的振动已经很大，而在水平方向（X方向）的振动却可能是正常的，因此，在垂直与水平方向各 装一个探头。由于水平中分面对安装的影响， 实际上两个探头安 装保证相互垂直即可，如图 1-11所示。图1-11轴振测量示意图当传感器端部与转轴表面间隙变化时的传感器输出一交流 信号给板件，板件计算出间隙变化（即振动）峰 -峰（P-P）值。 机组轴振的测量范围：0400以mi报警值：125以mi停机值：250以m%轴承振动（盖或瓦振）在轴振动的测量中已说明了大轴的振动可以传递到轴承壳 上，利用速度传感器测量机壳相对于自由空间的运动速度，板件把从传感器来的速度信号进行检波和积分,变成位移值,并计算出相应的峰-峰值位置信号。偏心转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置， 是指转子在轴承中 的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况 下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动，然而一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与 负方向的极值之差。偏心的测量可用来作为轴承磨损，以及预加负荷状态（如不对中）的一种指示；转子偏心（在低转速时的弯 曲）测量是在启动或停机过程中，必不可少的测量项目，它可使 你能够看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，如图1-14所示。一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调节电路上。 键相探头观察轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，这个脉冲可用来控制计算峰 -峰值。当然，键相信号也 可用来指示振动的相位，如图 1-13所示。图1-13振动相位测量示意图图1-14偏心测量示意图当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就可找出不平衡质量的位置，即转子高点的位置。这对轴的平衡是很重要的。机组 偏心的测量范围：0100以m%报警值：大于原始值的 30 it m轴位移轴在运行中，由于各种因素，诸如载荷、温度等的变化会使 轴在轴向有所移动。这样转子和定子之间有可能发生动静磨擦， 所以需用传感器测量转子相对于定子轴向位置的变化，即：轴在轴向相对于止推轴承的间隙。由于所采用的监测器可能把传感器 的失效作为轴向位移故障而发出报警信号，由此可能引起机组误停机。而根据API670标准要求，用两个探头同时探测一个对象， 可以免发生误报警。但要求两个探头的安装位置离轴上止推法兰 的距离应305mm如果过大，由于热膨胀的影响，所测到的间隙， 不能反映轴上法兰与止推轴承之间的间隙。如图1-15所示，两个涡流探头测量转子的轴向变化， 输出探头与被测法兰的间隙成 正比的直流电压值，板件接受此电压值后，经过计算处理，显示 出位移值。为避免误报警，停机逻辑输出为“与”逻辑。机组轴 向位移的测量范围：-2+2mm图1-15轴位移测量示意图胀差胀差是转子和汽缸之间的相对热增长，当热增长的差值超过允许间隙时，便可能产生磨擦。在开机和停机过程中，由于转子 与汽缸质量、热膨胀系数、热耗散系数的不同，转子的受热膨胀 和汽缸的膨胀就不相同，实际上，转子的温度比汽缸温度上升得 快，其热增长的差值如果超过允许的动静间隙公差，就会发生磨擦，从而可能造成事故。所以监视胀差值的目的，就是在产生磨 擦之前采取必要的措施来保证机组的安全。我厂机组则规定转子膨胀大于汽缸膨胀为正方向，反之为负方向。另外，胀差测量如果范围较大，已超过探头的线性范围时， 则可采用斜面式测量和 补偿式测量方式。由于不可能在汽缸内安装涡流传感器，利用滑销系统，传感器被固定在轴承箱的平台上， 测量示意图见图1-16 所示。热膨胀汽轮机在开机过程中由于受热使其汽缸膨胀，如果膨胀不均匀就会使汽缸变斜或翘起，这种变形会使汽缸与基础之间产生巨 大的应力，由此带来不对中现象，而这种现象，通常是因为滑销 系统“卡涩”所引起的。知道了汽缸膨胀和胀差，就可以确定转 子和汽缸的膨胀率。把 LVDT传感器的铁芯与汽缸连接，当膨胀 时，铁芯运动，产生成比例的电信号，输入测量板件进行线性处 理，显示输出420mA信号，测量示意图见图1-17所示。