汽輪機安全監(jiān)視裝置介紹講義

汽輪機安全監(jiān)視裝置（TSI）介紹TSI及我廠TSI系統綜述為了連續(xù)監(jiān)測汽輪機運行時軸系的各種參數，保證汽輪機組安全、經濟、可靠地運行。設置了由美國本特利（Bently）公司生產的汽輪機安全監(jiān)視裝置TSI（TurbineSupervisoryInstrumentation）o該系統能連續(xù)地監(jiān)測汽輪機軸系的重要參數，例如：可對轉速、超速保護、偏心、軸振、蓋振、軸位移、脹差、熱，膨脹等參數進行監(jiān)測，幫助運行人員判明機器故障，使機器能在不正常工作引起的嚴重損壞前遮斷汽輪機組，保護機組安全。我廠的汽輪機監(jiān)視裝置它包括大機和小機的安全監(jiān)視裝置。配置在一個控制柜內。其監(jiān)視參數有轉速、軸向位移、脹差、軸承蓋振動、軸偏心和汽缸絕對膨脹等。本套裝置分進口和國產兩部分。進口部分包括美國本特利公司生產的3300監(jiān)視系統和3300/53超速保護裝置。國產部分由危急遮斷轉速表組成。小機各監(jiān)視器原理與大機相同，只是監(jiān)視器監(jiān)測范圍不同。進口部分，本部分由兩個12位機箱（即A機箱和B機箱），兩個10位機箱（即C機箱和D機箱）以及相應的監(jiān)測器、傳感器、前置器和延伸電纜組成。大機TSI用以監(jiān)視汽輪機的轉速、位移、脹差、蓋振、軸振動、汽缸膨脹和偏心，在汽機的位移、轉速、軸震動越限發(fā)出停機信號，通過ETS去遮斷汽輪機。小機TSI用以監(jiān)視給水泵汽輪機的轉速、位移、軸振和偏心（其中給水泵的軸振動為XY方向）。在給水泵汽輪機的位移和1、2號軸振越限時發(fā)出停機信號，去遮斷汽輪機。國產部分，本部分由危急遮斷轉速表和相應的傳感器組成，危急遮斷轉速表出了監(jiān)測汽機的轉速外，還能檢測汽機危機遮斷器的撞擊子是否擊出并給予指示。系統技術說明1.大機TSI工作電源為220伏AC、50Hz配套傳感器如下：BN3300監(jiān)視保護系統和3300/53超速保護裝置均采用本特利公司生產的系列渦流傳感器和速度傳感器；轉速和偏心、鑒相測量用8mm渦流傳感器；軸向位移測量用14mm渦流傳感器；脹差測量用25mm（高壓缸脹差）和50mm渦流傳感器。1— 6號軸振用8mm渦流傳感器。（每個軸振動包括X、Y向）1—6號蓋振動用9200系列速度傳感器。熱膨脹的監(jiān)測采用50mmLVDT傳感器。2. 小機TSI傳感器參數和大機一樣。設置了轉速、偏心、鑒相與軸向位移。其中給水泵的軸振包括X、Y向三.TSI主要檢測原理1.我廠TSI傳感器基本測量原理因為TSI系統主要同傳感器及智能板件組成。首先應該知道傳感器是將機械振動量、位移、轉速轉換為電量的機電轉換裝置。根據傳感器的性能和測試對象的要求，利用電渦流傳感器，對我廠300MW（純電調）汽輪機的轉速、偏心、軸位移、軸振動、脹差進行測量，利用速度傳感器對蓋振進行測量，利用線性可變差動變壓器（LVDT）對熱膨脹進行測量。電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體（導電體）間的間隙變化來測物體的振動和靜位移的。在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高（一般為1MHZ?2MHZ）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ie，而ie所形成的磁通鏈又穿過原線圈，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感、耦合系數的大小又與二者之間的距離及導體的材料有關，當材料給定時，耦合系數K與距離d有關，K=K（d），距離d增加，耦合減弱，K值減小，使等效電感增加，因此，測定等效電感的變化，也就間接測定d的變化。由于，探頭輸出電壓是一調幅信號，需檢波，才能得到間隙隨時間變化的電壓波形，而且，傳感器還需調頻振蕩源，因此，渦流傳感器還需加一測量線路（前置器）：從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓，它可分兩部分：一為直流電壓Vde，對應于平均間隙（或初始間隙），一為交流電壓Vac,對應于振動間隙。速度傳感器：它的工作原理是基于一個慣性質量和移動殼體，傳感器有一個永久磁鐵，它被固定在傳感器殼體上，圍繞著磁鐵是一個慣性質量線圈，通過彈簧連在殼體上。線圈在磁場中作直線運動，產生感應電動勢，其大小與線圈運動的線速度（即：機殼的速度）成正比。LVDT傳感器：其工作原理是利用電磁感應中的互感現象，實質上就是一個變壓器。變壓器上初級線圈W和兩個參數完全相同的次級線圈W1，W2組成，線圈中心扦入圓柱形鐵芯，次級線圈W1和W2反極性串聯，當初級線圈W加上交變電壓時，次級W1和W2分別產生感應電勢el和e2,其大小與鐵芯位置有關。智能板件：各種測量板件接受相應傳感器的電量信號后進行整形、計算、計量信號和繼電器接點。智能板件可對傳感器聯線和自身的運行情況進行檢測，具有計算機通訊接口，可對測量范圍和邏輯輸出進行組態(tài)，具有緩沖傳感器信號輸出等功能。對于重要的測量可進行冗余的配置，增強了可靠性。2、各檢測參數介紹A、 軸向位移監(jiān)視高速旋轉的汽輪機在啟停和運行過程中，由于各種原因都可以使轉子上的軸向產生推力，這是由于汽輪機葉片具有一定的反動度，葉片和葉輪前后丙側存在著差奪，形成一個與汽流方向相同的軸向推力。此外，因輪轂兩側轉子軸的直徑不等，隔板汽封處轉子凸眉兩側的壓力不等，也要產生作用于轉子上的軸向力。高壓前軸封處因軸封漏汽，由后向前壓力逐漸降低，則產生與汽流方向相反的軸向力。還有其他方面產生的軸向力，這些軸向力的合成結果就是總的軸向推力。機組運行過程中，出現以下工況時將引起轉子軸向推力的變化：（1）機組超負荷或突然甩負荷；（2）主蒸汽溫度急劇下降；（3）凝汽器真空下降；（4）動葉片結垢；（5）隔板軸封間隙增大；（6）機組發(fā)生水沖擊。B、 缸脹和差脹的監(jiān)視汽輪機在啟動、停機過程中，或在運行工況發(fā)生變化時，都會由于溫度變化而使汽缸和轉子產生不同程度的熱膨脹。汽缸受熱膨脹時，由于滑銷系統死點位置的不同，可能向高壓側伸長或向低壓側伸長，也可能向左側或右側膨脹。為了保證機組的安全運行，防止汽缸熱膨脹不均，發(fā)生卡澀或動靜部分磨擦事故，必須對汽缸的熱膨脹進行監(jiān)視，簡稱“缸脹”監(jiān)視。缸脹監(jiān)視儀表指示汽缸受熱膨脹變化的數值，也稱汽缸的絕對膨脹值。轉子受熱時也要發(fā)生膨脹，因為轉子受推力軸承的限制，所以只能沿軸向往低壓側伸長。由于轉子的體積小，而且直接受蒸汽沖刷，因此溫升和熱膨脹較快；而汽缸的體積大，溫升和熱膨脹就比較慢。當轉子和汽缸的熱膨脹還沒有達到穩(wěn)定之前，它們之間存在較大的熱膨脹差值，簡稱“差脹”（或“脹差”）值，也稱汽缸和轉子的相對膨脹值。汽輪機在啟動或運行過程中，都可能引起差脹過大。（1） 引起差脹正值變化過大的原因。啟動時暖機時間不夠，升速過快；帶負荷運行時，增負荷速度過快。（2） 引起差脹負值變化過大的原因。減負荷速度過快，或由滿負荷突然甩到空負荷；空負荷或低負荷運行時間過長；發(fā)生水沖擊（包括主蒸汽溫度過低的情況）；停機過程中，用軸封蒸汽冷卻汽輪機速度過快；真空急劇下隆，排汽溫度迅速上升，使低壓缸負差脹增大。C、 機組轉速監(jiān)視汽輪機是在高速旋轉狀態(tài)下工作的。如果轉動力矩不平衡，轉速就會發(fā)生變化。當轉速失去控制時，可能發(fā)生嚴重超速現象。汽輪機的零部件在工作過程中已承受很大的離心力，轉速的增高會使轉動部件的離心力急劇增加（離心力與轉速的平方成正比）。機組設計時留有一定的裕量。當轉速過多地超過額定轉速，轉動部件就會嚴重損壞，甚至發(fā)生“飛車”的惡性事故。為了保證機組的安全運行，必須嚴格監(jiān)視汽輪機轉速，并設置超速保護裝置。轉速監(jiān)視器能連續(xù)測量汽輪機等旋轉機械的轉速，當轉速達到或超過某一設定值時，發(fā)出報警信號，并采用相應的保護措施。零轉速監(jiān)視器能連續(xù)地監(jiān)視汽輪機在停機過程中的零轉速狀態(tài)，以確保盤車裝置的及時投用。D、 振動監(jiān)視每臺汽輪機能在啟動和運行中都會有不同程度的振動。當設備發(fā)生缺陷或機組的運行工況不正常變化時，都會使汽輪機組的振動加劇，嚴重威脅設備和人身安全。汽輪機振動過大，使轉動部件如葉片、葉輪等的應力增加，超過允許值而損壞；振動使機組動、靜部分，如軸封、隔板汽封與軸發(fā)生磨擦；振動使螺栓緊固件松弛；振動嚴重時會導致軸承、基礎、管道甚至整個機組和廠房建筑物的損壞。由此可見，汽輪機組的振動對機組的安全、經濟運行影響很大。為此，我們要尋找其振源，監(jiān)視其振動。汽輪機組監(jiān)視振動主要監(jiān)測振動體在選定點上的振動幅值、振動頻率、相位和諧振圖等。在振動研究中，位移、速度和加速度是三個重要的參量。因為它們之間只要通過微分或積分運算就可相互轉換，所以在實際測量中可用多種方法進行振動測量。汽輪機組的振動按相對位置分，大致可分為軸承座的絕對振動、軸與軸承座的相對振動和軸的絕對振動。按傳感器的接觸方式分，可分為接觸式傳感器（如磁電式，壓電式傳感器等）和非接觸式傳感器（如電容式、電感式、電渦流傳感器等）。E、 矢量監(jiān)視器上節(jié)介紹的測振儀是拾取振動的位移、速度或加速度信號，經傳換電路指示振動幅值。但實際的振動監(jiān)視很復雜，不僅需要測量振動的幅值，而且需要測量振動的頻率和相位。振幅是表征機組振動嚴重程度的一個重要指標，它常表示為振動幅度的峰一一峰值。頻率則一般指同步振動，即多以機械轉速的整倍數或分數倍數形式出現，所以可用機械轉速x的倍數形式表示。如1x（1倍頻）、2x、1/2x等。相位是描述轉子在某一瞬間所在位置的一個物理量，精確的相位測量在轉子作平衡試驗，確定臨界轉速及分析某些機械故障時非常有用。汽輪機組的動態(tài)分析方法，常用的有軸心軌跡圖法、振動時基曲線法、頻譜分析法、波特圖法及極坐標圖法等。波特圖（Bode）實際上是兩條獨立的笛卡兒坐標曲線，即振幅與轉速關系曲線和相位滯后角（相角）與轉速的關系曲線。機組作共振響應，平衡響應時，通常使用波特圖測量，它能表明機組在諧振時的轉速，比較直觀。相位表是機組的診斷儀器，當它工作在相位、振幅模式時，可以用來得出趨勢曲線；當它工作在正交、同相模式時，可以用來得出極坐標圖。極坐標（Nyquist）是轉速和作為轉速函數的相位和振幅的相量圖。由于極坐標在遇到初矢量的時候其形狀不變，而波特圖上的振幅和相位卻表現出很大的變化，所以用它分析機組的動態(tài)性能是很有用的。我廠采用的是鑒相器測量，以配合偏心的測量，即軸每轉一圈、監(jiān)視器測量一次“偏心峰-峰值”的同步信號。即計算出軸心線與軸承中心線的偏離位置及偏心角。F、 偏心度監(jiān)視1、 機組主軸彎曲的原因偏心度是指軸表面外徑與軸真實幾何中心線之間的變化，以彎曲的形式體現，它可以是永久性的機械變形，也可以是由于熱或重力原因造成的暫時變形，或由于多種原因共同作用的結果。在機組啟、停和運行過程中，主軸常彎曲，其原因可概括為下述幾個方面：（1）主軸與靜止部件間的磨擦、產生高熱而膨脹，相應產生反向壓縮應力，促使軸彎曲。當反向壓縮應力小于主軸材料的彈性材料的彈性極限時，冷卻后的軸仍然恢復原狀——伸直，以后的正常運行中不會出現彎曲，這種類型的彎曲叫彈性彎曲。反之，若反向壓縮應力大于材料彈性極限，冷卻后不能再伸直恢復原狀，這種彎曲變形稱為永久性彎曲。此時應停機百軸。（2）制造或安裝不良引起的彎曲。制造中因熱處理不當或加工不良，使材料內部存在著殘余應力，一旦主軸裝入汽缸后的運行過程中，這種殘余應力會局部消失或全部消失，致使主軸彎曲。葉輪安裝不當、葉輪變形、膨脹不均等都會使主軸彎曲。（3） 檢修后的調整不當引起軸彎曲。檢修時，如果通汽間隙調整不合適，使隔板與葉輪或其它部分在運行中發(fā)生單向磨擦，軸產生局部過熱而造成軸彎曲；如果是更換軸封隔板、汽封或油封時，間隙不均勻或過小，啟動后與軸磨擦造成軸彎曲；如果轉子對中不準、滑銷系統未清理干凈、或者轉子質量不平衡沒有消除等原因，在啟動中產生較大的振動，致使主軸與靜止部件發(fā)生磨擦而彎曲；如果是汽封或調速汽門檢修質量不良有漏汽，啟停中漏入機內將使軸局部受熱而彎曲。（4） 運行中操作不當引起軸彎曲。機組停轉后，由于汽缸和轉子冷卻速度不同，以及上下缸冷卻速度不一致，形成了上下一定的溫差，因而轉子上部較下部熱，轉子下部收縮得快，致使軸向上彎曲。這種彈性彎曲在上下缸溫差一致時消失。如停機后，彈性彎曲還未消失時再次啟動，其間若暖機時間不足，軸仍將處于彈性彎曲狀態(tài)，此時機組將發(fā)生振動，嚴重時主軸和軸封片發(fā)生磨擦，使軸局部受熱產生不均勻熱膨脹，引起永久彎曲變形。機組運行中，若發(fā)生水沖擊，轉子推力增大，產生不平衡扭力，使轉子劇烈振動，并使隔板與葉輪、動葉與靜葉之間發(fā)生磨擦，進而引起軸彎曲。四.各傳感器的安裝與調試。汽輪機機械測量儀表的傳感器，按制造廠規(guī)定的位置和方法安裝在汽輪機本體上，經調整試驗后再固定牢靠。安裝在軸承箱內的傳感器，其引出線應使用制造廠提供的專用線纜，若制造廠未提供，則應采用耐油耐溫的氟塑料軟線，引出口要求密封，以防止?jié)B漏油。安裝測量位移的傳感器，應首先將其固定在軸承箱內的軸承座上。其鐵芯與汽輪機轉子凸緣之間相對位置（間隙）的定位，要預先用千斤頂將汽輪機轉子頂向制造廠規(guī)定的一側，使轉子的推力盤緊靠在非工作面上，或頂向發(fā)電機側，緊靠工作面，然后再進行調整。測量汽輪機汽缸熱膨脹的傳感器，應在汽輪機冷態(tài)下安裝于汽輪機前軸承箱旁的基礎平臺上，其可動桿應平行于汽輪機的中心線。（一） 電感式位移測量傳感器的安裝軸向位移傳感器的安裝將傳感器支持架安裝在汽輪機軸承座上，然后將傳感器安裝在支撐架上，要求變送器的中心線與汽輪機軸的中心線相互垂直。安裝后主要是調整間隙，間隙數值對于各種類型的軸向位移傳感器要求不同，但間隙的調整方法基本相同。調整方法要與指示儀表的校驗和保護動作值的整定一并進行。調整傳感器與轉子凸緣間隙時，用塞尺測量傳感器端頭中間鐵芯與轉子凸緣之間的間隙，應符合制造廠規(guī)定的數值，否則，可采取在支撐架和軸承座之間增減墊片來加以調整。若軸承座上的定位銷孔沒有開孔，則可松開固定螺絲，前后移動傳感器進行調整。調整完畢，加鉆定位銷孔，用定位銷銷住。調整左右間隙時，用千分表讀數。千分表安裝在傳感器端頭左側，千分表的觸頭與傳感器端頭垂直接觸。逆時針轉動帶機械指示的手輪，退出螺絲頂桿，調整螺絲（即調整彈簧壓力）使傳感器右側鐵芯與轉子凸緣靠緊，然后將螺絲擰緊。將千分表的指示調至零位，再順時針轉動帶機械指示的手輪，用調節(jié)螺絲杠桿推動傳感器作弧形運動，直至傳感器左側鐵芯與轉子凸緣靠緊。這時，千分表的指示即為總的間隙值。重定千分表的零位后，逆時針轉動帶機械指示的手輪，使千分表指示到制造廠規(guī)定的左間隙數值，以總數值減去左間隙數值，即為右間隙數值。最后，再將千分表的數值調整到零位，即為軸向位移的零位值，將手輪的機械指示也調整到零位上。然后轉動手輪，利用千分表的讀數校對指示表，調整保護動作值。相對膨脹傳感器的安裝拖板支架安裝在汽輪機軸承箱內或軸承座內的支架上。傳感器用固定螺絲安裝在拖板支架上，要求傳感器鐵芯平面與轉子凸緣平行。安裝后須調整間隙。用塞尺測量傳感器鐵芯平面與轉子凸緣之間的間隙，如不符合規(guī)定可增、減拖板支架與國軸承座之間墊片的厚度來調整。調整左右間隙時，在傳感器側面安裝一塊千分表，使千分表的觸頭與傳感器側面垂直并相互接觸，松開拖板支架上的鎖緊螺絲，調整拖板支架上的調節(jié)螺絲，移動傳感器，使左右間隙符合規(guī)定值。（二） 電渦流式監(jiān)測保護傳感器與前置器的安裝電渦流式監(jiān)測保護傳感器和前置器是配套供貨的，為就地安裝。傳感器安裝在軸承箱內被測物體附近，被測體表面不應有凸凹不平之處（軸標記除外），否則會引起測量誤差。因為渦流影響范圍大約為傳感器線圈直徑的三倍，故希望檢測面為傳感器線圈的三倍，且在此空間內不能在其他金屬物質存在，否則會影響測量準確度。前置器安裝在軸承箱外，與傳感器之間用制造廠提供的高頻電纜聯接（兩側均有專用接插件），為不影響測量準確度，其長度禁止隨意改變。高頻電纜中間有高頻接頭，以使高頻電纜能夠穿過機組外殼。前置器和高頻接頭固定時，都必須與機殼絕緣并浮空，否則會引入干擾。為防止機械損傷和環(huán)境污染，前置器最好能裝在防護盒內。1.位移傳感器的安裝以軸向位移為例，可以安裝在軸的端部或推力盤的內側或外側，同時傳感器頭部側邊與被測軸端側邊或測量凸緣側邊的距離不小于4mm。位移傳感器通過支架固定在機座上，支架要有足夠的剛性，以防止變形或振動。傳感器安裝部位應使軸位移為正值時，檢測間隙增加。傳感器與被測金屬間的安裝間隙，應根據制造廠標定的傳感器---前置器輸出特性曲線所確定的表記零位來決定。如現場通過校驗繪制，可在校驗器上進行。校驗器上的被測金屬盤應選用與汽輪機主軸相同的材料，采用碳鋼亦可。但必須注意，不可用不銹鋼、鑄鐵、銅、鋁或表面鍍鉻的金屬等做檢測盤，因為這些材料將大大改變輸出靈敏度。傳感器---前置器輸出基本為線性，機組一般要求位移指示值正反量值相等，安裝間隙即為線性中點位置的間隙。由于線性度超過實際使用范圍，允許安裝間隙有一定的偏差，只要保證儀表工作在線性段即可。其間隙可用厚薄規(guī)測量，也可在該裝置單獨送電后，通過測量前置器輸出電壓來確定。軸振動和軸偏心傳感器的安裝軸振動和軸偏心傳感器的安裝方法是相同的。傳感器與被測金屬間的安裝間隙，根據傳感器---前置器輸出特性曲線所確定的線性中點位置決定。實際上在測量振動時，間隙允許誤差可達到±0.30mm，甚至還可以更高，而仍能保證儀表工作在線性段，這就大大方便了傳感器的安裝。其他安裝要求與位移傳感器相同。若在一個軸斷面上安裝兩個互相垂直的傳感器，則可在垂直、水平兩個方向安裝，也可按與水平呈45°角相互垂直安裝，可通過