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1、汽轮机的监测保护一、汽轮机保护系统的构成 汽轮机的保护系统由： 汽轮机仪表监视系统TSI 汽轮机危急遮断系统ETS机械超速保护系统共同组成。 TSI负责对有关参数如振动、胀差、轴向位移等进行监测，ETS系统对监测参数或设备状态进行逻辑判断，发出跳闸指令，ETS系统动作于AST电磁阀，动作结果是泄去EH油系统的AST油、OPC油油压，使主汽阀、调节汽阀快速关闭，停止汽轮机运行。机械超速保护系统仅对转速形成保护，汽轮机转速超过机械超速保护定值时，泄去润滑油系统的安全油压，打开隔膜阀，泄去EH油系统的AST油、OPC油油压，使主汽阀、调节汽阀快速关闭，停止汽轮机运行。第一节 汽轮机仪表监视系统简介一
2、、汽轮机安全监视的内容 TSI系统监测的基本参数如下。 (1)振动参数 (2)位置测量 (3)其他参数 一、汽轮机安全监视的内容(1)绝对振动(2)径向振动(3)轴向位移(4)偏心(5)转速(6)胀差 (7)机壳膨胀(8)零转速(9)其他参数： 温度相关大型机组应监视与保护的项目 二、常用的汽轮机仪表监视系统u 目前在中国市场上，200MW以上机组的TSI系统几乎完全被国外产品垄断。使用较多的产品有美国本特利(Bently)公司的3300系列、3500系列；德国菲利浦公司(后改为EPRO)的RMS700、EPRO MMS6000系列；日本新川公司的VM-3、VM-5系列；瑞士Vibro-Met
3、er公司的VM 600系统等。第二节 TSI仪表测量原理TSI的基本组成u 无论是国产的TSI，还是进口的TSI；无论是由分立元件构成的TSI，还是由集成电路组成的TSI，或者是由微处理器芯片构成的TSI系统，从硬件结构与功能组成的角度分析，均可由图16-1所示的三部分描绘。常用传感器类型u 目前应用广泛的传感器有电涡流传感器、电感式速度传感器、电感式线性差动变压器和磁阻式测速传感器等。 一、电涡流传感器系统电涡流传感器的工作原理 根据传感器的性能和测试对象的要求，可利用电涡流传感器对汽轮机组的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量。 n 电涡流传感器原理简图如图所示。在传感器的端部有一线圈
4、，线圈通以频率较高(一般为12MHz)的交变电压，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两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， K1值减小，使等效电感增加，因此测定等效电感的变化，可以间接测定d的变化。 电涡流传感器的工作原理 为了实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量路线。这一测量路线应包括频率为f0的稳定的振荡器(一般用石英振荡器)和一个检波环
5、节等。传感器加上测量线路(称之为前置器)的框图如图7-4所示。从前置器输出的电压Ud是正比于间隙d的电压。它可以分为两部分：一部分为直流电Udc，对应于平均间隙(或初始间隙)d0，另一部分为交流电压Uac,对应于振动间隙d。如果我们只对振动间隙感兴趣，可用电容隔直或加反向偏置的办法取出振动部分电压。趋近式系统输出电压和目标距离特性关系见图7-5。 电涡流传感器的工作原理 在安装电涡流传感器时，要注意平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动间隙，亦即总间隙应在传感器线性范围之内，如图7-6所示。 影响趋近式系统的因素 有一些因素可能使趋近系统的实际特性不同于理论特性，比如所用目标材料，环境温度，机械
6、、电气缺陷以及某些空间限制(如最小距离等)。 (1)目标材料影响。为使趋近系统正常运行，目标材料必须导电，它们可以是钢、铜、铝等，目标材料类型大大影响系统灵敏度和测量范围的线性区域。 (2)温度影响。环境温度影响目标材料的导电性、导磁性、电缆电容和其他因素，因而温度会影响测量结果的精度。 (3)摇摆效应。摇摆效应是两类产生于非理想目标的误差来源之和，它们是：机械摇摆，由于目标机械缺陷，对于旋转轴，可能由于同心性不好(不圆)，也可能是由于轴表面状况不平(如裂痕等)；电气摇摆，由于轴表面导电性分布不均匀。用趋近系统测量时，这些摇摆效应表现为实际不存在的振动信号，可用数值方法消除这种效应。 二、速度
7、传感器 速度传感器工作原理 速度传感器适用于测量轴承座、机壳及基础的一般频带内的振动速度和振动位移(经积分后)，其频带大约为5-500Hz(即30030000rmin)。 惯性式速度传感器属电动力式变换原理的传感器。这种传感器具有较高的速度灵敏度(一般可达100500mVcms)和较低的输出阻抗(一般为13k)，能输出较强的信号功率，因此不易受电磁场的干扰，即使在复杂的现场，接用很长的导线，仍能获得较高的信噪比。一般来说，这类传感器勿需设置专门的前置放大器，测量线路比较简单，再加上安装、使用简易，因此被广泛应用于旋转机械的轴承、机壳和基础等非转动部件的稳态振动测量。 本特利内华达公司生产的惯性
8、式速度传感器结构简图如图7-11所示。 线圈及线圈支架通过弹簧连接在壳体上构成传感器的可动部分，永久磁铁与外壳构成传感器的磁路部分，其可动部分只能轴向平移，因此它是一单自由度振动系统。 传感器的工作原理：传感器的单自由度可动系统将被测物的绝对振动速度Vx(输入)接收为可动部分相对于外壳(即动线圈相对磁隙)的相对振动速度Vy(响应)，然后电动力变换部分将Vy变换为电动势e0，设Vx、Vy、U分别为稳定情况下的输入绝对振动速度、相对振动速度、开路输出电压的复数幅值，则有： U=BLVy。 Vy=H(f)Vx 式中：B为磁隙中的磁感应强度； L为动圈导线的有效长度； H(f)为相对速度对于输入绝对速
9、度的频率函数。 U=BLH(f)Vx 这样，一旦传感器系统确定，传感器的输出电压就与振动速度成确定的正比关系，测得速度传感器的输出电压就可确定振动速度。 速度传感器的输出电压与振动速度成正比，因此对于那些以振动速度的大小作为监测标准的机械，速度传感器的输出电压可直接提供分析和处理。对于那些以位移幅值作为监测标准的机械，则需对传感器的电压输出进行积分处理，使得经过积分线路后的输出电压正比于振动位移。三、线性差动变压器n 线性差动变压器LVDT的结构示意图如图所示。它由一个振荡器、一个激励绕组W0和2个输出绕组W1、W2组成。振荡器为激励绕组提供振荡频率为1kHz的激励电压，输出绕组W1、W2反向
10、串接，将铁芯的位移d线性地转换为交流输出电压，经解调器检波、放大及滤波等环节处理后，输出直流电压。LVDT的输出电压与铁芯位置呈线性关系。 第三节 TSI参数的测量一、轴振动测量 n (一)轴的相对振动的测量n (二)轴的绝对振动测量n (三)轴承振动的测量(一)轴的相对振动的测量n 在20世纪50年代之前，由于机组容量小，对汽轮机监控的要求也不高，一般仅在轴承座上装几个速度型的振动传感器测量瓦振。但是大型机组的轴承座和基础结构的刚度远大于轴承油膜的刚度，主轴的振动通过油膜传递到轴承座上，振动的幅值将大大衰减(其值将缩小48倍甚至更多)，也就是说如果用瓦振的办法测量的轴承座振动值在50m左右时
11、(按国家标准，这个数字是符合机组标准的)，大轴振动值有可能已达到400m左右了，所以必须采用新的测量办法获取大轴振动的真实值。 n 另外，轴承座振动测量最大的缺点是(与轴测量相比)，出现机器的转动件或轴承的状态发生变化时，如某些故障(例如叶片损坏引起平衡的突然变化)和由蒸汽激励或油膜不稳定等引起的同步振动(它们使轴的总振动加剧并可能导致危险)，反映在轴承座上的测量值变化很小。n 测量轴的相对振动如图93所示。n 在测轴振时，常常把探头装在轴承壳上，探头与轴承变成一体，因而所测结果是轴相对于轴承壳的振动。由于轴在垂直方向与在水平方向的振动并没有必然的内在联系，亦即在垂直方向的振动已经很大，而在水
12、平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，用以分别测量垂直和水平方向的振动。为了安装方便，实际上两个探头不一定非装在垂直和水平方向不可，很多安装都如图9-4所示为复合安装，每个探头与铅垂线各成45角，按惯例，垂线右面探头认为是水平探头，左面为垂直探头，上述测振方式用得十分普谝。n 前面讨论的关于轴振动的测量中，涡流传感器是固定在轴承座上的，亦即以轴承座为参考坐标系。由于轴承座本身也在振动，因此所测得的轴振动是相对于轴承座而言的。对于油膜轴承来说，轴颈与轴瓦之间有比较大的间隙，视油膜轴承的型式不同，这一间隙约为直径的千分之几。因此在轴颈处的轴的相对振动比之轴承座本身的振动一般
13、来说要大。究竟大多少。取决于旋转机械的类型、油膜轴承的型式，轴颈的直径、支承及基础的动力特性等。有的可以大几十倍，有的可能是在同一数量级含义下的稍大。有的资料认为，当轴的相对振动幅值比轴承座的振动幅值大34倍以上时，轴的相对振动信息足以提供分析振动问题和故障的依据，而不必去测定轴的绝对振动。否则的话，为了可靠和全面地分析问题和故障，还必须要求测定轴的绝对振动。(二)轴的绝对振动测量n 测定轴的绝对振动，最直接的办法是将涡流传感器安装在“不动”的参考点上，这样测得的就是轴的绝对振动。但是这一办法只有在轻小型旋转机械或实验室模拟转子上或许有这一可能性，而在较大型的旋转机械中，由于振动波及的范围较广
14、，包括基础在内都参与振动，因此实际上的旋转机械附近找不到一处“不动”的参考点，所以上述方法就不适用。n 本特利内华达公司采用如图9-4所示的复合式探头，用来测量轴的绝对振动。在测量转轴的绝对振动时，双探头组件是固定在轴承箱上。双探头组件内有两个探头，一个是涡流探头，另一个是磁电式振动传感器。涡流探头用以测量转轴相对于轴承箱的振动(相对振动)；磁电式振动传感器用以测量该处的轴承箱振动(轴承箱的绝对振动)。将此两探头测得的信号，经监视器内的电路处理后，即可获得轴的绝对振动值。其处理过程如图所示。图中Sa表示某测量点转轴绝对振动的振幅矢量，Sc表示测量点附近某处轴承箱的绝对振动的振幅矢量，则图中Sr
15、表示的是转轴相对于轴承箱的绝对振动的振幅矢量。因此，已知Sc和Sr，矢量相加后即可得到Sa。图中为轴承绝对振动滞后于转轴绝对振动的相位角。 采用上述原理测量转轴的绝对振动时必须注意，当磁电式振动传感器在传感器的固有频率附近时，会产生90的相位差，因此，必须对磁电式振动传感器的输出信号进行相位补偿，才能与轴的相对振动信号矢量相加。 (三)轴承振动的测量n 在有的情况下，如果汽轮机转轴能将大部分振动传到轴承座上，轴承座振动值能明确在指示正常和不正常的工作状态，则轴承振动的测量是必要的。另外，为了全面分析汽轮机的振动状态，轴承振动也能提供某些有益的信息。n 轴承振动的测量可采用安装于轴承座上的加速度或速度传感器来实现。需要注意的是，加速度或速度传感器输出的是轴承振动速度信号，要想得到振动幅值信号，还须经过积分。二、轴向位移的测量 非接触式的涡流探头能够成功地应
