汽轮机轴承振动保护策略的优化探讨

陈长和，林逢春，郭 勇，周超泉

（浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325600）

0 引言

汽轮机安全监视系统（TSI）是一种可靠的多通道监测系统，通过监视汽轮机的转速、键相、相对振动、绝对振动、轴位移、差胀、缸胀、偏心等运行参数[1]，显示汽轮机的运行状况，记录输出信号，实现数值越限报警，出现危险信号时使机组自动停机，同时还能为后期的故障诊断提供数据，因此广泛应用在汽轮机发电机组上。

TSI系统通常由传感器系统、现场连线及监测系统组成，对于最常用的电涡流传感器系统来说，由探头、延伸电缆及前置器组成。当接通前置器电源时，前置器产生一个高频信号，送至探头头部的线圈，从而在头部周围产生交变磁场H1；当有金属导体接近探头头部时，会在导体表面产生电涡流场，从而产生一个与H1相反的交变磁场H2。由于H2的反作用，使得探头头部线圈内的高频电流的幅度和相位相应变化，即改变了线圈的有效阻抗Z，通过前置器内部处理之后，将线圈阻抗Z的变化转化为电压的变化，从而实现探头与金属导体表面距离的测量，即实现对金属导体的振动测量。

图1 振动测量示意图Fig.1 Schematic diagram of vibration measurement

图2 本特利3500系统Fig.2 Bentley 3500 system

图3 某电厂#3机组TSI装置安装示意图Fig.3 Schematic diagram of installation of TSI device in a power plant #3 unit

根据《防止电力生产事故的25项重点要求》及《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》中有关TSI系统可靠性评估相关规定，采用轴承相对振动信号作为振动保护的信号源，应有防止单点信号误动的措施[2]；TSI系统的重要跳机信号应冗余配置，输出动作信号应至少有两路至ETS系统组成二取一逻辑运行[3]。

1 机组概况

某电厂3号机组TSI监测采用了本特利3500系统，其中轴振共7个测点，采用在每一个轴上各安装一个振动测点的方案，不符合重要保护需冗余配置的要求，且各轴承单一测点不能准确反映出机组振动的实际情况，对振动数据的分析带来极大困难。振动保护配置为：当“任一轴承振动大于254”时触发振动高高保护，通过3500/33（继电器输出卡）送出1路硬回路DO信号（常开触点）至汽轮机危急遮断系统（ETS）机组跳闸保护动作，单点保护动作。当回路中有任一环节出现故障，均有可能造成机组保护误动或拒动，亟待解决。

图4 相邻轴承振动保护跳闸逻辑Fig.4 Adjacent bearing vibration protection trip logic

2 几种常见的振动保护逻辑优化方案

1）任一轴X向或Y向振动高高，且相邻轴X向或Y向振动高触发振动保护跳闸[4]

通过在振动保护跳闸逻辑中增加相邻轴承振动高条件，只有当本轴承出现振动高高信号的同时，相邻轴承触发振动高信号，才会最终触发跳机保护[5]，减少了任一轴承高高单点误动的可能性。

2）任一轴X向或Y向振动高高，且同轴另一方向振动高触发振动保护跳闸

在振动保护跳闸逻辑中增加本轴承另一方向振动高条件，只有当本轴承一方向振动高高信号触发时，另一方向振动高信号同时触发才会最终触发跳机保护，避免单点误动。

3）任一轴X向或Y向振动高高，且除自身外任一轴承振动高触发振动保护跳闸

采用任一轴承振动高高信号与除自身外任一轴承振动高信号同时，触发实现振动跳闸保护。通过在振动保护逻辑中引入除自身外任一方向振动高信号，两者相与，增加了振动保护逻辑的可靠性。

图5 同轴承振动保护跳闸逻辑Fig.5 Same bearing vibration protection trip logic

图6 除自身外任一轴承高振动保护跳闸逻辑Fig.6 Any bearing high vibration protection trip logic except itself

图7 某电厂#3机组TSI装置改进方案Fig.7 A power plant #3 unit TSI device improvement plan

图8 新增3500/42M 位移/速度加速度监测器Fig.8 Newly added 3500/42M displacement/velocity acceleration monitor

3 TSI系统振动保护改进方案

3.1 现场设备安装

某电厂#3机组采用的汽轮机为上海汽轮机厂的330MW超临界汽轮机，共有#1～#7共7个轴承，在每个轴承盖上均有上海汽轮机厂预留的振动探头安装孔位。

通过在汽轮机#1～#7轴承上增加1组7个振动探头，即在每个轴承的X向和Y向各安装一个振动探头的方式，形成冗余。

新增振动探头采用与原系统相同型号，为提高TSI系统稳定性，防止误动风险，在本特利3500系统的机架槽道8位置与9位置增加两块3500/42M 位移/速度加速度监测器，分别接收VB1Y、VB2Y、VB3Y、VB4X、VB5X、VB6X、VB7X共7个振动信号。

3.2 振动保护逻辑优化

某电厂#3机组原先振动保护逻辑采用在3500/42M监测器内组态的方式，并通过3500/33 继电器输出模块输出一路DO信号至ETS进行振动保护跳闸动作。

优化后修改为由3500/42M监视器模块收集14个振动信号，将电压信号转化为电流信号，输出14路4mA～20mA模拟量至DEH中进行组态。保护逻辑采用任一轴X向或Y向振动高高，且除自身外任一轴承振动高触发振动保护跳闸。在DEH中进行振动保护判断后，输出三路硬回路DO信号至ETS中，进行三取二逻辑判断，最终实现振动保护跳闸动作。

经过统计可知，14个振动高高信号需分别与除本身外13个振动高信号相遇，共有182种情况。若是将每种情况在逻辑中列出，会使逻辑过于冗长，在实际运行过程中需要强制时过于复杂，且容易出现遗漏的情况。考虑到振动高高与振动高在逻辑中进行判断，当任一轴X向或Y向振动高高触发时，其振动高同时触发，将保护判断逻辑进行优化，当14个振动高高信号有任一一条触发时，同时有两条振动高信号触发，即认为有任一轴X向或Y向振动高高，且除自身外任一轴承振动高触发。同时添加质量判断，只有当振动信号为好质量时，参与振动保护判断逻辑，否则切除该点。

图9 振动保护判断逻辑Fig.9 Vibration protection judgment logic

图10 优化后振动保护判断逻辑原理图Fig.10 Logic principle diagram of vibration protection judgment after optimization

图11 信号发生器模拟振动信号Fig.11 Signal generator simulates vibration signal

3.3 逻辑优化后TSI保护回路试验

为验证新增振动信号正确性及振动保护逻辑正确性，采用信号发生器模拟振动信号试验，信号采用正弦波，直流偏置电压为-6V，频率为50Hz，信号加载在盘柜SIG和COM输入端子上，通过调整幅度模拟振动信号变化。经过试验，当调整正弦波输出幅度为1.1V左右时，触发振动高；调整正弦波输出幅度为2.2V左右时，触发振动高高。在对182种情况分别进行试验，验证优化后TSI保护回路正常动作。

3.4 振动在线状态监测和分析系统

当机组出现异常状况，需分析主机TSI保护数据时，由于目前振动数据没有事故追忆功能，发生事故时不能获得详尽的振动数据供分析诊断，仅能对振动信号进行实时监控，而没有历史数据，对引起故障的原因分析将造成困难。

为了更加准确分析振动与转速、振动与负荷、振动与胀差等之间的相互关系，为查找故障原因提供直接依据，新增了1台汽轮发电机组振动在线状态监测和分析系统，对振动信号进行实时监测。

汽轮发电机组振动在线状态监测和分析（TDM）系统，通过硬接线的方式将TSI系统中轴振、瓦振、键相等信号采集至数据采集箱内的3块转轴振动监测模块和1块键相模块，进行实时并行采集、存储和预处理，通过上位机上安装的监测分析和故障诊断软件，实现对振动信号的分析处理。

4 结论

经过试验验证，优化后的TSI振动保护回路由原先的7个振动测点高高信号单点保护送出1路DO信号至ETS进行跳闸保护修改为7个轴承有任一轴X向或Y向振动高高，且除自身外任一轴承振动高触发振动保护，同时添加质量判断，输出三路硬回路DO信号至ETS中进行三取二逻辑判断，最终实现振动保护跳闸动作，能够有效降低由单点保护带来的误动和拒动的可能性，能够有效降低由于某一测点失效时引起的误停机几率，通过增加汽轮发电机组振动在线状态监测和分析系统，实现了对振动信号的实时监测和事故追忆，提高了汽轮机机组轴承振动保护的安全性与可靠性。