巧用万用表判断汽轮机监视保护仪表(TSI)的测量异常

周奕勤

(国电浙江北仑第一发电有限公司,浙江宁波315800)

巧用万用表判断汽轮机监视保护仪表(TSI)的测量异常

周奕勤

(国电浙江北仑第一发电有限公司,浙江宁波315800)

汽轮机监视保护仪表(TSI)显示异常时,必须对测量数据进行判断。介绍了汽轮机监视保护仪表各种测量参数的计算方法,并使用万用表对测量数据进行判断。

汽轮机监视保护仪表；轴向位移；轴振动；胀差 ；万用表

火力发电厂的大型旋转机械,如汽轮发电机组、汽泵、电泵、风机等设备需要安装监视保护系统(TSI),以保证设备的安全、可靠运行。TSI所监视的参数有轴向位移、胀差、轴振动、轴承振动等,当这些被监测的参数产生异常时,TSI系统会发出报警或跳机信号,对设备进行保护；因此TSI参数对于机组的安全运行非常重要。当TSI测量值异常时,首先会让热工技术人员判断是机组本身的问题,还是TSI设备测量的问题。万用表是热工技术人员的常用工具,因此巧用万用表对传感器输出信号进行测量,并通过对不同的参数进行一些必要的计算,对TSI测量进行判断是一套行之有效的方法。

1 利用万用表测量数据的计算方法

TSI仪表监视的参数很多,其原理都是从传感器输出电信号至监视器,监视器接受传感器的信号,并在监视器中进行数据处理,得出所监视参数的测量值。介绍常见的几种参数算法分析。

1.1 轴向位移

1.1.1 定义

轴向位移的定义为：汽轮机转子的轴向串动,即转子推力盘与止推轴承之间的相对位置。机组在运行过程中,转子的轴向串动必须保证在某一个允许的范围之内,以保证机组转子和定子之间不会产生轴向碰摩,确保机组运行安全。轴向位移是监视推力盘与止推轴承之间的相对位置,是TSI仪表的核心参数之一。因为高速旋转中的汽轮机,如果产生主轴串动,转子和定子之间会产生剧烈的碰撞,造成机组严重损坏。

1.1.2 测量方式

轴向位移测量使用涡流传感器。图1为轴向位移测量示意图,图2为涡流传感器输出特性曲线。

图1 轴向位移测量示意图

图2 涡流传感器输出特性曲线

1.1.3 测量计算方法

由图2可见：涡流传感器输出从d1到d4是线性的,传感器线性输出的电压范围为-2～-20 V。

假定d0为涡流传感器安装零位,d2～-d3为轴位移测量的量程范围,则输出特性曲线直线段的斜率为传感器输出灵敏度S。V0为涡流传感器的安装间隙电压,则轴向位移的测量值计算公式为：

式中：M为轴向位移的测量值；Vm为万用表所测得的直流电压；当轴向位移远离为正时取“+”,远离为负时取“-”。

1.2 胀差

1.2.1 定义

对于汽轮发电机组,来自锅炉的高温、高压蒸汽送入汽轮机的缸体,在汽轮发电机组启停过程中,缸体和转子都会产生热膨胀伸缩,由于缸体和转子的热容量不同,缸体和转子所产生热膨胀伸缩是不一样的,胀差监视器就是监视机组的缸体和转子之间因受热不一样而发生的相对膨胀差。所以机组在启停过程中,缸体和转子必须以同样的比率受热膨胀伸缩,如果受热膨胀伸缩的比率不同,就可能发生缸体和转子之间碰摩(即动静碰摩),使机器受到损坏。

1.2.2 测量方式

胀差测量使用电涡流传感器,其安装方式有3种：

(1)单传感器式胀差安装方式。该安装方式与轴向位移测量类似,但使用的传感器线性范围更大。

(2)斜面式胀差安装方式。涡流传感器的安装见图3,分3种类型。

图3 斜面式胀差测量示意图

(3)补偿式胀差安装方式(见图4)。

图4 补偿式胀差测量示意图

1.2.3 测量计算方法

胀差的计算方法根据传感器的安装方式不同而不同：

(1)单传感器式胀差安装方式与轴向位移计算方式类似。

(2)斜面胀差中：

①类型A为相加型。

被测主轴水平位移量为X,垂直位移量为Y,则

传感器1测得的位移变化量为：

传感器2测得的位移变化量为：

传感器1的输出电压变化量为ΔU1,传感器2的输出电压变化量为ΔU2；传感器1的灵敏度为S1,传感器2的灵敏度为S2。

因为胀差监视器测量的是主轴水平方向的位移量X。根据式(2)、式(3)、式(4)可得出：

由式(5)得出：

根据图2中的涡流传感器输出特性曲线,探头1的安装零位电压为V01,万用表测量传感器1的输出电压为Vm1；探头2的安装零位电压为V02,万用表测量传感器2的输出电压为Vm2；则相加型胀差的测量值计算公式为：

式中：当胀差为被测面远离探头1为正时取“+”,远离探头1为负时取“-”。

②类型B为相减型。

被测轴水平位移量为X,垂直位移量为Y,则探头1测得的位移变化量为：

探头2测得的位移变化量为：

传感器探头1的输出电压变化量为ΔU1；传感器探头2的输出电压变化量为ΔU2；传感器探头1的灵敏度为S1；传感器探头2的灵敏度为S2。

因为胀差监视器测量的是主轴水平方向的位移量X。根据式(8)、式(9)、式(10)可得出：

由式(11)得出：

根据图2中的涡流传感器输出特性曲线,探头1的安装零位电压为V01,万用表测量传感器1的输出电压为Vm1；探头2的安装零位电压为V02,万用表测量传感器2的输出电压为Vm2；则相减型胀差的测量值计算公式为：

式中：当胀差为被测面远离探头1为正时取“+”,远离探头1为负时取“-”。

③类型C为直斜型。

被测轴水平位移量为X,垂直位移量为Y,则探头1测得的位移变化量为：

探头2测得的位移变化量为：

可得出：

由式(11)得出：

根据图2中的涡流传感器输出特性曲线,探头1的安装零位电压为V01,万用表测量传感器1的输出电压为Vm1；探头2的安装零位电压为V02,万用表测量传感器2的输出电压为Vm2；则直斜型胀差的测量值计算公式为：

式中：当胀差为被测面远离探头1为正时取“+”,远离探头1为负时取“-”。

(3)补偿式胀差通过两个涡流传感器分两段进行测量,量程的0%～50%通过位移探头A进行测量,50%～100%通过位移探头B进行测量(见图4),其基本算法和轴向位移以及单传感器式胀差一样。

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1.3 振动

1.3.1 重要性

汽轮发电机组转速范围一般为每分钟几千转,在高速旋转时会出现振动问题,过大的振动往往是造成机组损坏的主要原因,所以汽轮发电机组的振动参数是衡量汽轮发电机组运行好坏的主要参数。

1.3.2 测量方式

振动的测量一般有三种方式：(1)主轴相对于轴承的振动,即主轴的相对振动,采用涡流传感器进行测量；(2)轴承振动,即轴承的绝对振动,采用磁电式速度传感器或者压电式速度传感器测量；(3)主轴的绝对振动,即主轴相对于大地的振动,采用电涡流传感器和磁电式速度传感器的复合传感器进行测量。

1.3.3 振动测量计算方法

振动测量计算方法也是根据测量方式不同而不同：

主轴相对振动的测量值：

式中：S为传感器灵敏度；Vm为万用表所测量传感器的输出交流电压(有效值)；M为测量值,μm。

(2)轴承振动。

轴承振动测量值可以有3种方式来进行描述：

①振动的速度有效值。

式中：S为传感器灵敏度；Vm为万用表所测量传感器的输出交流电压(有效值)；M为测量值, mm/s。

②振动的速度单峰值。

式中：S为传感器灵敏度；Vm为万用表所测量传感器的输出交流电压(有效值)；M为测量值, mm/s。

③振动的位移峰值。

测量轴承振动的传感器是速度式传感器,传感器的输出信号与振动的速度成比例单值函数,为了得到振动的位移值,必须对速度信号进行积分。

式中：S为传感器灵敏度；Vm为万用表所测量传感器的输出交流电压(有效值)；A为振动速度单峰值；W为振动的位移单峰值；R为机组转速；M为测量值,mm/s。

将式(23)、式(24)代入式(25)得到：

(3)轴绝对振动。

主轴的绝对振动是主轴相对振动与轴承振动两者之间的矢量和,因此不能简单相加。需要使用双二阶相位补偿网络进行补偿后进行相加,比较复杂,需要进行专题讨论。

2 典型应用实例

2.1 实例1

2013年5月23日1号机组在启动时,利用相加型斜面式胀差,其量程为-4.0～+6.0 mm, 2个传感器的灵敏度S1=S2=2.5 V/mm,斜面夹角为30°,定义传感器1远离被测面为正。传感器1安装零位电压V01为-7.0 V,传感器2安装零位电压为-7.2 V。用万用表测量传感器1的输出电压Vm1为-13.5 V,传感器2的输出电压Vm2为-14.0 V,代入式(7)得到测量值M= 5.32 mm。

观察胀差监视器的指示值是5.33 mm,在允许的误差范围内,说明仪表的测量是正确的,后来经查胀差指示不准确实是机组本体的问题。

2.2 实例2

2013年8月13日5号机组在正常运行时,4号瓦仪表指示上下波动,似乎有干扰。实际使用的传感器灵敏度为3.94 m V/(mm·s),用万用表测量传感器的交流输出为15 m V,机组转速为3 000 r/min,则代入式(26)计算得到测量值M=34μm。

经过检查发现仪表柜的接线端子松动,重新接线后监视器指示值是33μm,在允许的误差范围内说明仪表的测量是正确的,机组也没问题,是接线松动造成的。

3 结语

汽轮机监视保护仪表中最常见的几个主要参数可以通过万用表直接测量传感器的输出信号,计算出仪表应该显示的测量值。用计算出来的理论值和监视仪表所显示的值进行比较：如果两者一致,则说明监视仪表的测量系统正确；如果两者相差较大,则说明监视仪表的测量系统可能有问题,需要进一步处理。采用万用表测量并计算的方法,可以对TSI仪表是否正常进行快速判断；而万用表对于电厂热工技术人员来说是最常见、最必不可少的工具。所以熟练掌握这套方法可以帮助电厂热工技术人员快速地、有依据地处理现场TSI系统的技术问题。

［1］电力行业热工自动化标准化技术委员会.DL/T 1012-2006火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程［S］.北京：中国电力出版社,2006.

［2］严可国,魏克严,李植,等.大型旋转机械监测保护故障诊断系统［M］.北京：北京英华达电力电子工程科技有限公司,1994.

Judgment of Abnormal TSI Measurements Using Multimeter

Zhou Yiqin
(Guodian Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.,Ltd.,Ningbo 315800, Zhejiang Province,China)

It is necessary to judge relevant measured values when there is an abnormal display on the turbine supervisory instrumentation(TSI).An introduction is being presented to the calculation way of various TSI measurements,and to how to judge the measurements with multimeter.

TSI；shaft displacement；shaft vibration；differential expansion；multimeter

U463.23

A

1671-086X(2015)03-0216-04

2014-10-13

周奕勤(1968-),男,技师,主要从事发电厂热工工作。

E-mail：13805886440@139.com

核电技术