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1、汽轮机监控与保护,黄桂梅,2013年4月,汽轮发电机组监控保护,监视：汽轮机监测仪表系统TSI 保护：危急遮断保护系统ETS,1 概述,一、汽轮机安全监控的必要性 二、汽轮机安全监控的意义 三、汽轮机安全监控措施 四、汽轮机安全监视的内容,一、汽轮机安全监控的必要性,(1)大容量机组系统复杂，监控范围大、项目繁多，操作也越益复杂，常规监视仪表已越来越不适应，为了避免操作人员的疏忽大意以致误操作，建立一种完善的、保证机组安全的新的监视体系已成为必要。 (2)汽轮机是一种大容量高速旋转的精密机械，任何意外都将引起不良的后果，必然对机组安全提出更高的要求。（防止意外） (3)高参数大容量机组价格昂贵
2、，事故波及面大，对经济和社会的影响重大，一种有效的对机组的安全监视体系，对保证人身和设备的安全，减少负面影响，具有重要的意义。（保证经济性）,二、汽轮机安全监控的意义,对机组的运行状态进行连续、准确和可靠的在线监控，也是一种对机组安全的保护，它除了向控制系统发出控制和安全信息外，还可帮助操作人员及时掌握机组的运行信息，了解机组的安全、经济状态，避免事故的发生和加强科学管理；根据参数监控对机组进行在线诊断，为发展和丰富一种更为完善的智能监控专家系统，开辟了广阔的前景。 这种技术的运用和发展，将使得设备的维修方式从传统的“事故维修”和“定期维修”过渡到现在的“预知性维修”，从而大大提高了设备的可利
3、用率，减少停机维修时间，降低维修费用，同时也压缩了备件的库存量可以减少意外事故的发生和不必要的浪费、损耗，提高对机组设备的保护。,提出问题,如何对汽轮机进行监控保护呢？ 对汽轮机系统及其辅助设备的重要参数严密监视。参数越限，发出报警信号，当超过极限值，发出紧急停机信号，关闭主汽门，实现紧急停机。,三、汽轮机安全监控措施,广义上说汽轮机安全监控措施有以下几方面： 通过TSI进行参数检测与监视，当参数达到报警值时发出报警信息，当参数达到危险值时送出保护信息给ETS。 通过DEH对各种参数进行监视和控制，当超速或出现甩负荷以及负荷不平衡时，由OPC进行转速限制和保护。 ETS则是当出现危急情况时实现
4、汽轮机的紧急跳闸保护。 此外还有机械超速保护和后备保护等。,四、 汽轮机安全监控的内容,大型汽轮机热工保护涉及的内容 （1）汽轮机本体机械参数监控。 轴向位移，振动参数，胀差 （2）汽轮机防进水保护。 （3）汽轮机辅机保护（凝汽器真空、除氧器水位等）。 （4）汽轮机紧急跳闸保护。（ETS）,2、汽轮机监测仪表系统TSI,TSI(Turbine Supervisory Instrument )系统即汽轮机轴系监测系统，是一种可靠的多通道监测仪表，能连续不断地测量汽轮机发电机组转子和汽缸的机械运行参数和相关参数，显示机器的运行状况，提供输出信号给信号显示、记录仪；并在超过设定的运行极限时发出报警，
5、甚至使汽机自动停机以及提供可用于故障诊断的测量。,一、 TSI的作用,汽轮机监视仪表(turbine supervisory instru- ment，TSI)是为了保护汽轮机的安全而设计的监视装置，是汽轮机的重要组成 部分。 作用是对运行中的汽轮机的重要参数进行 有效而准确的监视，并将测量信号送至二次仪表和数 据采集系统，以供实时显示和打印记录，以及历史数据积累和运行状态分析;参数越限时，还可以发出信号供 报警和驱动保护系统。,二、汽轮机监测仪表的组成,从功能方面来看，TSI包括以下两大部分：汽轮机本体参数监视和故障分析和专家决策系统 从结构方面来看，TSI包括以下三大部分：传感器、前置器、
6、监视器（显示器）,传感器系统将机械量（如转速，轴位移，差胀，缸胀，振动和偏心等）转换成电参数（频率f，电感L，品质因素Q，阻抗Z等），传感器输出的电参数信号经过现场连线送到监测系统，由监测系统转换为测量参数进行显示、记录及相关的信息处理,1.传感器,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等。 对于应用得最多的电涡流传感器系统来说，它由探头、接长电缆和前置器组成。,2.前置器,前置器具有一个电子线路，它可以产生一个低功率无线电频率信号（RF），这一RF信号，由延伸电缆送到探头端部里面的线圈上，在探头端部的周围都有这一RF信号。 如果在这一
7、信号的范围之内，没有导体材料，则释放到这一范围内的能量都会回到探头。如果有导体材料的表面接近于探头顶部，则RF信号在导体表面会形成小的电涡流。这一电涡流使得这一RF信号有能量损失。该损失大小是可以测量的。导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。传感器系统可以利用这一能量损失产生一个输出电压，该电压正比于所测间隙。,由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络及输出放大器等组成前置器,3.监测系统,监测系统又称为框架，一个框架由三部分组成：电源、系统监测器和监测表。 电源为装在框架内的监测表及相应的传感器提供规定的电源，电源总被放在框架的第一位置； 系统检测器检验供电水平以确保系统正常运
8、行，同时，它还具有控制系统“OK”的功能。“OK”（正常工作）表明系统的传感器及现场接线是在规定的水平上进行。系统检测器也控制报警点的设置和系统复位。系统检测器总被放在框架的第二位置； 监测表不仅可以显示传感器系统是否正常运行，还可以指示传感器的测量值，并在越限时报警。,三、汽轮机本体参数监视内容,机械参数的监视 各处温度的监视,包括,1 .对汽轮机本体机械参数的主要监视内容,轴 向位移; 汽缸热膨胀; 转子与汽缸的热膨胀差; 转速和零转速; 轴承振动和轴振动; 偏心度； 相位,2. TSI对温度的监视,汽轮机组本体参数的检测尚有推力轴瓦金属温度，缸体、法兰螺栓等金属温度和发电机定子和绕组温度
9、，轴承金属温度和润滑油温度等，这些监视均应在机组设计制造时 一并考虑配备。,四、故障分析和专家决策系统,对于大型汽轮机，一 般都配有汽轮机数据采集和故障分析计算机系统，它 利用专门的汽轮机故障分析软件和专家决策软件，对 采集到的参数进行分析和判断。 汽轮机故障分析软件通过实时、自动、连续地采 集和存储汽轮发电机轴系的振动振幅、相位等数据，提供 给操作员和工程师一个实时的轴系运行档案，包括表征 轴系是否正常运转的可接受区域图，以及轴系的轴心 轨迹图、颇谱图、波德图、级联图等多种形式的分析画 面和数据，用以支持轴系的早期故障诊断和预测维修。,续,专家决策软件是一个实时的专家系统，包括专 门用于汽轮
10、机故障分析的知识库和相应的推理逻辑软件.它可以根据汽轮机监视系统采集到的数据来检查 汽轮机的运行状态，并根据知识库软件中存储的经验 数据对设备进行自动地故障诊断和机械信息管理，最 后给出带有严重程度的故障结果和推荐的改正措施.,关于专家系统,专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之
11、，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。,专家系统的基本结构如图所示，其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。,知识库,知识库用来存放专家提供的知识和经验。 人工智能中的知识表示形式大多数是以IFTHENOR ELSE的形式出现，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。,其它组成部分作用,推理机针对当前问
12、题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。 人机界面是系统与用户进行交流时的界面。 综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。 解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。 知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。,五、TSI的产品,美国本特利3300系列、3500系列、7200系列：成本低 。 德国爱普MMS6000系列：监测模块为双通道，内含振动分析功能， 瑞士韦伯VM6
13、00系列：全数字化TSI系统，只用一种模块MPC4即可，减少备件及维护量。 德国飞利浦公司 RMS700系列 ABB 的TSI (用CMM模件组成),ABB公司开发的TSI,近年来，ABB公司开发了多功能的四通道CMM状态监视模件，用它组成TSI汽轮机保护系统，统一集成在ABB的SYMPHONY系统中，去监测汽轮机轴系除转速外的各项参数，如轴承振动、大轴振动、偏心、串轴、胀差和绝对膨胀，并输出报警和停机信号。,关于CMM模件,CMM从其端子单元采集涡流传感器、加速度传感器、速度传感器、直流LVDT及声波传感器等工业标准传感器的现场信号。经过滤波，鉴别和计算后，通过模件扩展总线与BRC控制器实现
14、通讯，使机组有关的状态参数送到统一的数据库中，这样不仅在DCS（或DEH）的操作员站上可提供机组的各种轴系参数，产生于与DCS时标同步的报警清单，还可借助贮存在上级计算机中的振动分析软件和专家系统生成多种振动分析报表，并完成汽轮机的故障诊断，在指导机组安全可靠运行的同时，预测机组的健康状况，为状态检修作准备。,3 传感器系统,TSI系统主要由传感器及智能板件组成。 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。 各种智能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。,传感器种类,电涡流传感器
15、，对汽轮机组的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量； 速度传感器对盖振进行测量； 线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量； 差动式磁感应传感器来测量机组的转速。,一、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）。,电涡流式传感器原理,它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理如下图示。,这是一种建立在涡流效应原理上的传感器。,1.结构原理与特性,如左图，当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中
16、产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。根据阻抗变化即可测量被测参数。,一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。,2.电涡流式传感器的复阻抗,利用涡流效应原理制造的传感器。,我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图5-16的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。,根据等效电路可列出电路方程组：,通过解方程组，可得I1、I2。 因此传感器线圈的复阻抗为： 线圈的等效电感为 ：,（5-12）,（5-13）,由式（5-12）和（5-13）
