汽轮发电机组振动监测保护系统研究及应用

2022-12-26曹美杰王延明潘作新

冶金动力 2022年6期

曹美杰，王延明，潘作新

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山，063200）

引言

转动机械设备是工业生产中的关键核心设备，尤其是大型电厂的汽轮发电机组转动设备用的是高温高压蒸汽介质，转速高，荷载大，其能否长期安全可靠运行直接关系到设备人员安全和生产经济效益的提高。转动机械设备的振动可分为径向振动、轴向振动和扭转振动三种［1］，其中径向振动对机组运行影响最大，是机械破坏的主要原因，所以径向振动是振动监测的主要对象，也是对机组状态进行诊断的主要依据。电厂汽轮发电机设备的隐患或故障往往会直接反映在转轴相对振动和轴承振动数据上，因此需要结合具体的监测振动类型、其他监控项量、现场安装环境等因素选取性能可靠的汽轮发电机组振动监视系统和测量设备，从而为汽轮发电机组的振动监测、数据分析、隐患预测、定期检修消缺提供依据，同时还要对其采取科学合理的检查维护措施，确保其能够为汽轮发电机组的长周期安全稳定运行保驾护航。

1 振动监测仪表

在振动测量领域中，测量监控手段与方法多种多样，本文主要讨论电测量方法，电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前工业生产领域应用的最广泛有效的方法。

1.1 振动传感器分类及原理

电测量法用到的振动传感器种类丰富，按照工作原理的不同，能分为电涡流式位移传感器、电感式速度传感器、压电式加速度传感器、电容式振传感器和电阻应变式传感器等，下面主要对转动设备应用最多的前三种传感器原理进行研究介绍。

电涡流式位移传感器工作原理：在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高的交变电压，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，这种现象被称为涡流效应（如图1所示）。电涡流传感器就是建立在电涡流效应原理上的一种传感器，它可以对一些物理量实现非接触式测量，具有结构简单、体积小、灵敏度高等优点［2］。当电涡流传感器接近被测导体时，被测导体表面产生电涡流，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，使线圈电感发生变化。被测导体与传感器之间间隙越小，导体产生的电涡流越大，传感器线圈的电感量就越小。它的输出电压是电感的函数，因此导体与传感器之间间隙变化时，测得输出电压值就可获得间隙值，电压值再经前置器放大以0V～24VDC 信号进入振动监测系统。涡流式位移传感器的主要特点是它与被测点没有接触，因此它特别适用于转动设备旋转轴的振动测量。

图1 电涡流传感器原理图

电感式速度传感器原理：电感式速度传感器是一种动圈式（磁电式）的传感器，其测量原理图如图2所示。当传感器与结构一起振动或传感器动圈上的顶杆与结构相连时，由于结构的振动，使传感器的线圈在磁铁磁场中产生运动，切割磁力线而产生感应电动势，感应电动势的大小与动圈运动速度成正比。因此，通过感应电动势的量测即可确定结构的振动速度。电感速度传感器固定于振动体（比如轴承盖）上，测得的结果为振动体的绝对速度；传感器壳体固定于一个物体上，顶杆顶住另一个物体，测量所得为两物体的相对速度。与电感式速度传感器配套的二次仪表一一电感式测振仪，主要是微积分放大器，滤波器和检测指示部分，用于对传感器输出的信号进行放大，可直接测量速度；并且经过积分电路可测量位移；经过微分电路可测量加速度。

图2 速度传感器测量原理图

压电式加速度传感器：压电式加速度传感器是利用晶体的压电效应来完成振动测量的，当被测物体的振动对压电式振动传感器形成压力后，晶体元件就会产生相应的电荷，在一定的压力范围内，输出电荷与加速度成正比。所以通过对压电加速度计输出电荷的量测即可确定加速度的大小。压电式加速度传感器配套的二次仪表常用电荷放大器，电荷放大器是一种高增益的带电容负反馈，并且输人阻抗极高的运算放大器。它的输出电压与压电加速度计发出的电荷成正比，与反馈电容成反比，它受电缆电容的影响很小，这是电荷放大器的一个主要优点。电荷放大器的输入端一定要很好地加以屏蔽。

目前工业现场大型旋转机械设备用于振动测量的以涡流传感器为主，只有在涡流传感器安装不便，或对测量有特殊要求时才选用（例如需要测量机壳或机座的绝对振动），才考虑选用速度或加速度传感器进行振动测量。

1.2 振动监测仪表系统结构组成

振动测量系统结构图如图3 所示，主要被测导体、振动传感器、信号传输线路、二次表分析处理单元、振动监测系统、DCS 控制系统、操作员站组成。其中振动传感器根据现场安装环境、被测对象特点、测量精度要求等因素进行选型，振动传感器测量信号通过信号线路传输到二次表进行处理，比如电涡流传感器需要前置放大器对信号放大处理后输出到振动监测系统或DCS 控制系统，同时可显示测量振动值，DCS 控制系统程序利用振动数据一方面用来进行控制逻辑保护实现，另一方面可将数据转换为直接观测量传输到操作员站实现运行人员对轴系振动测量值的实时远程集中监控。

图3 振动监测系统结构

2 振动监测仪表在汽轮发电机组的应用

某沿海钢厂自备电厂汽轮机型式为亚临界一次中间再热单轴两缸两排汽，单抽供热凝汽式汽轮机。机组按照“以热定电”的原则，结合国内外先进的设计经验进行重新设计，流通结构介于反动式与冲动式透平之间，级数少，效率高。额定功率（ECR）为300 MW，最大功率（VWO）为340 MW。发电机为三相、二极、隐极式转子同步发电机，冷却方式为水-氢-氢。

2.1 振动测点的选择布置

汽轮发电机组中心转轴的径向振动一般简称为轴振，一般采用电涡流式探头测量，瓦振即为轴承座振动，也称轴承振动，一般由接触式的速度或加速度传感器测量实现，有时也称壳振或盖振。国内汽轮发电机组的振动多采用相对振动，其反映的是转轴或转子相对于支撑或缸体的振动，转子的轴振大，表示转子在旋转一周时，离开平衡距离的位移大，因此一般轴的单位为微米；瓦振是绝对振动，反映轴承座或轴瓦相对于基础的振动。在大型转动设备尤其是大型汽轮发电机组振动监测中，轴振与瓦振都是必须要监控测量的参数，任一项超标都是不可接受的。

该电厂的汽轮发电机组本体的振动的测点布置如下图4 所示。在汽轮机的前箱布置有键相、偏心、转速、轴位移测点，对转子的偏心、键相、转速、轴位移值进行实时监测；在汽轮发电机组的1#-6#轴承分别布置有X、Y 向轴振和绝对振动测点，主要用来监测每个轴承位置的X、Y 向轴振值和相应位置的轴承的绝对振动。

图4 汽轮发电机组本体振动测点

综合考虑测点精度、安装环境等各种因素，轴振用的是电涡流式传感器，测量精度和安装精度高，而壳振用的是电感式速度或压电式加速度传感器，直接安装固定在外壳位置即可；而转子偏心、键相、转速和轴位移的测量精度要求也较高，是除振动参数外需要重点监控的状态值，其用的也是电涡流式传感器。

2.2 振动监测系统的设计应用

汽轮发电机组监测保护系统（Turbine Supervisory Instruments，简称TSI）是电厂设备最重要的监测保护系统之一，主要是用来连续测量汽轮机的转速、振动、膨胀、偏心、轴向位移等机械参数，并将测量结果送入控制、保护系统，一方面供运行人员监视、分析旋转机械的运转情况，同时在参数越限时执行报警和保护功能。该电厂汽轮发电机组监测保护系统选用的是瑞士Vibro-Meter 公司生产的VM600 系列汽轮机振动监测保护系统，用于监测该汽轮发电机组的转速、振动、偏心、轴向位移等信号，这些信号经VM600 系统处理后，一方面可输出给DCS 系统供生产运行人员远程实时监控记录，另一方面该系统对这些振动检测量进行逻辑判断后，输出给ETS（汽轮机紧急跳闸）系统实现对机组的联锁停机保护功能。

该机组的振动监测保护系统网络构架图如图5所示。韦伯VM600 TSI 保护监测系统硬件包括框架、电源模块、CPU卡件、I/O模块、网关通讯模块、网关I/O 模块等，还包括现场安装的传感器探头、前置器及相关信号线路等。其中，电源模块可选择冗余配置，确保电源供电安全；IOC4 输入输出模块用于MPC4 信号输入，过程量输出和原始信号输入，IOC16 输入输出模块用于CMC16 信号输入和网络连接，整个框架可安装12个监测保护模块，6个附加的继电器模块，2 个冗余电源模块和1 个CPU-M模块。

图5 振动监测系统网络构架图

其中汽轮发电机组每个轴瓦位置的X向和Y向轴振测量用的是韦伯TQ 402系列电涡流传感器，绝对振动（瓦振）选用的是韦伯CE680 系列加速度传感器，上述两种型号的传感器接线图如图6所示。

图6 振动传感器接线图

测轴振用的涡流传感器通过前置放大器对信号进行处理后输入到监测保护系统IOC4信号模块，而绝对振动探头通过中间接线端子箱接入IOC4 信号模块。VM600 监测保护系统对振动、轴位移等信号进行分析处理后可通过计算机显示器直接显示振动监测数据，同时通过输出模块一方面将标准信号输出到DEH 系统，可实现集控室操作员站对振动数据的实时监测和记录，另一方面还可以按照保护逻辑对数据进行逻辑计算后将开关量保护停机信号或报警信号输出到ETS 系统，通过ETS 系统实现机组的联锁保护停机功能，TSI 系统的振动数据通过电厂DCS 系统不仅可以实现集控室远程监控，还可以通过交换机和光纤网络传输到能源运行中心实现能源数据的集控监控。VM600 系统在硬件和系统组态软件方面是非常灵活的，采用的是开放式模块化结构，数据交换采用工业标准通讯协议，为系统的扩展和日常维护提供了便利。

2.3 汽轮发电机组振动测点联锁保护实现

该汽轮发电机组的振动保护联锁逻辑如图7所示，该停机保护逻辑是通过TSI 系统来编程实现的。该机组的轴振X 向Y 向振动报警值设置的为125 μm，停机保护定值为254 μm，当同一个轴X 向和 Y 向振动值同时达到 125 μm 和 254 μm 或125 μm 和 254 μm 时 TSI 系统会将报警和停机指令通过开关量输出模块输出给ETS 控制柜，该保护停机指令进入ETS 机柜后分别进入3 个开关量输入卡件对应的DI 点，满足3 取2 逻辑后便可直接触发机组跳闸指令实现联锁保护停机，确保设备和生产安全；同理，任何一个轴承的绝对振动值达到联锁保护定值125 μm 后也通过同样算法触发机组联锁保护停机。本机组采取的逻辑保护设计，可以避免因单点仪表本体问题而导致的设备误动问题，又可以保证在振动真正出现异常状况下逻辑保护可靠触发机组联锁停机，为机组的运行安全提供保证。

图7 机组振动联锁保护逻辑

3 应用效果

该电厂汽轮发电机组振动监测保护系统已投运多年，系统运行可靠稳定，测量的振动数据显示和趋势记录准确可靠，监控组态画面和测量数据记录趋势如图8 所示。该系统将监测保护、状态和性能监测完整地结合，不仅可以实现机组转轴的各项振动数据的实时远程监控，而且该系统还可以检测轴位移、键相、转速等多项转动设备参数，通过配套的MPS 组态软件实现对需要监控的各种相量进行组态和监控，同时还可以实现任何参数的现场修正。尤其该系统配套的电涡流传感器、加速度传感器探头具有高灵敏度和高可靠性，寿命长，安装维护容易，有利于降低备件支出和设备维护成本。CPU 模块可以保存全部组态数据，自动下载到新更换的模块上。该系统通过对振动数据进行分析，可以判断机组转轴的变形量和变形趋势，分析转轴的动平衡性能，有利于提前发现并处理转动设备隐患缺陷。