火电厂旋转机械监测系统故障分析及技术措施

马仁婷

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司中南电力试验研究院，河南郑州 450000）

0 引言

旋转机械监测系统，通过连续监测旋转机械本体和轴系的机械工作参数（如转速、振动、胀差、热膨胀、轴向位移等）帮助运行人员判别大型旋转设备的运行状态，并在被测参数超出预设值时发出报警及停运信号，在必要时还可提供用于故障诊断的数据[1]。在火力发电厂中，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽轮机安全监测）系统用于监测汽轮发电机组轴系机械量参数，为汽轮机的安全运行提供保障。通常，一些大型旋转辅机设备（如给水泵汽轮机、引风机汽轮机、风机及水泵等）也配置有机械量监测系统。为降低设备投资成本、实现运行过程节能经济，单辅机配置更多地应用于火电机组，这对于旋转机械监测系统的测量准确性及可靠性要求更高。

1 硬件故障

旋转机械系统的硬件组成主要是两部分，分别是传感器（部分需配置转换器）和监测装置，前者直接感受被测机械量并转换成电信号，通过信号电缆传输至监测装置；后者则对传感器送出的信号进行连续监测，并对信号进行计算处理、判断，同时输出模拟量信号、开关量信号和数字信号。一般来说，旋转机械系统的硬件故障主要是传感器故障和监测装置故障。

1.1 传感器故障

1.1.1 故障类型

传感器的故障类型主要有3 种，分别是元件损坏、选型与要求不符、安装不当。

（1）元件损坏通常是电子元件老化所致。据某发电公司2015—2021 年的火电机组非停案例统计，因旋转机械监测系统硬件模件故障导致非停事故的共6 起，其中4 起与电子元件的老化相关。因为电子产品理论使用寿命年限为10 年左右，运行时间超过10 年后硬件产品故障率会逐渐升高。

（2）传感器选型与运行参数、现场情况要求不符，会造成测量异常。例如，某火电厂大修中更换差胀探头，机组运行后差胀信号异常偏大，经咨询设备厂家，发现传感器的量程范围与差胀测量要求的量程不符；某火电机组在小汽轮机冲转过程中，转速快速变化时转速测量值不同，转速偏差大于100 r/min，造成给水泵跳闸，因3 个转速信号由不同厂家不同型号的传感器采集，判断测量偏差是由于传感器灵敏度差异造成[2]。

（3）用于旋转机械状态监测的传感器大多数为非接触式，安装不当极易产生附加误差甚至造成传感器机械损坏。例如，某火电机组1 号轴承显示值偏高且有波动，检查发现轴振传感器固定支架太短，导致传感器与侧面金属壁距离过近，造成传感器磁场受到侧面金属壁的影响使测量值偏大[2]；某机组启动后给水泵汽轮机振动值显示为0 μm，检查后发现传感器直径2～4 倍的范围内有其他金属体，判断振动传感器不能直接看到探头的安装情况，只能依靠安装间隙电压来判断，而这一电压被误认为是传感器到轴承的间隙电压，致使测量值异常。此外，支架设计不合理、刚性差也会使非接触式传感器的测量产生附加误差，电涡流式探头在安装时应避免探头附近有其他导电介质。

1.1.2 预防传感器故障的有效措施

（1）运行时间超过10 年的传感器应完善设备台账，强化设备劣化趋势的分析工作，制定相应的检修技改计划，同时制定对应的巡检及测试措施、做好事故预想，避免设备故障后事故扩大。

（2）应根据旋转机械的运行参数、系统测量精度要求和现场情况，选取技术先进、成熟、可靠性高的传感器。对于多点保护的测量信号，应选用厂家相同、量程相同、灵敏度相同的传感器。

（3）传感器支架刚性应符合要求，以避免支架自振造成的附加测量误差。同时，安装的支架能保证传感器的安装间隙和垂直度都能符合厂家要求。

（4）电涡流式传感器端部的被测面应光滑、均匀，传感器直径2～4 倍的范围内不应有凹槽、凸台等不均匀的部分。被测面应能覆盖传感器直径，被测面的范围宜大于传感器直径的2 倍。

1.2 监测装置故障

监测装置一般由机架、电源模块、处理器、输入/输出设备、通信设备、显示设备、机柜等组成，对传感器和转换器送出的信号进行连续监测并对信号进行计算处理、判断，同时输出模拟量信号、开关量信号和数字信号。硬件配置不符合冗余性、分散性要求及系统功能存在缺陷等，是监测装置故障的主要原因。

原则上参与火电机组保护的测点需要完全独立配置，即参与同一保护项目的冗余测点应卡件、背板框架均分散布置。但实际上大多数的旋转机械监测系统机柜仅配置一或二层框架，3个测点冗余的保护项目（超速、轴向位移）无法实现框架独立配置。另外，振动测点数量较多，一般达不到“一测点配置一块卡件”的要求。因此，某一卡件或背板故障将会有保护误动风险。如果电源模件故障，所有测点均会测量失效，事故影响范围更大。

某火电机组单汽泵配置，在运行过程中小汽轮机轴位移1#、2#、3#同时坏点，触发小汽轮机轴位移保护，小汽轮机跳闸。调阅相关历史曲线，发现事故发生时同背板上所有测点均坏质量且持续16 s 后恢复正常。因测点故障时间与卡件启动自检时间相同，判断因背板故障致使该背板上所有卡件自启动。该监测装置的硬件配置存在保护误动风险，参与重要保护的测量卡件布置在同一背板模块，无法将故障风险分散。

某火电机组在运行过程中TSI 系统画面中部分参数指示异常，1 r/min 后触发低压差胀大保护，机组跳闸。事故原因为1#、2#瓦振卡件中二极管短路造成瞬间电流过大，致使TSI 系统柜的24 V DC 电源模块过载保护动作，电源故障持续2 s 后恢复，在电源故障时低压胀差卡件因受到冲击损坏，导致停机信号误发。该监测装置硬件通道间的故障隔离功能存在缺陷。

预防监测装置故障的有效技术措施有：

（1）卡件及通道配置应符合火力发电厂热工保护安全冗余配置基本原则，确保其分散性和冗余性。对于多点保护的测量信号，应分配到不同模件上，并列运行的旋转机械设备的监测卡件不应布置在同一个机架内。

（2）电源配置应为冗余配置，应能够接受电厂提供的两路独立电源，任何一路电源失去，系统监测和保护功能不能丧失。应配备双路电源模件，以实现装置内直流侧无扰切换。

（3）调试阶段应对监测装置功能进行全面测试。监测装置应至少满足以下功能：①电源切换过程中，整个监测系统应正常工作，输入及输出信号不应中断和变位；②任何单个传感器、转换器、监测卡件故障或损坏不影响其他设备的正常工作，监测卡件任一通道故障或损坏不影响卡件上其他通道的正常工作；③监测卡件应能带电在线插拔和更换而不损坏，且不影响其他卡件和系统的正常工作，卡件带电插拔时应具备保持现场测量值不变的功能；④具有信号断线判断功能，且具备断线时报警输出功能和闭锁保护输出功能。

2 环境影响

旋转机械系统相关装置在火力发电厂中就地安装环境较差，易受现场振动、温湿度及电磁环境干扰，造成测量可靠性下降、装置故障率升高。

2.1 电磁干扰

旋转机械监测系统中传感器输出的信号大多为毫伏级，极易受电磁干扰从而影响信号测量及计算。而火力发电厂中电磁干扰的干扰源较为复杂，如无线电波、电火花、过电压、大容量设备启停、电气设备事故接地、雷击等，这些干扰通常是偶发性的，后续不易验证复现。

例如，某火电机组8Y 轴振经常出现坏质量，其他轴振参数均正常，经检查判断8Y 轴振测点安装于低压缸与发电机励磁侧，受励磁干扰风险较大；某机组运行期间有一转速信号出现跳变，汽机实际上3000 r/min 时最低显示只有2000 r/min 左右，检查信号电缆后发现信号线是一根多芯电缆，电缆上有多组信号，信号间存在电磁干扰风险。

预防电磁干扰可从消除干扰源、隔断干扰通道及削弱接收回路对干扰信号的灵敏度3 个途径进行预防[3]，具体措施如下。

（1）现场传感器、接线盒等区域禁止使用无线电通讯设备，严禁磁性物体接近一次测量元件。

（2）电缆选型、屏蔽层处理应合理规范。安装传感器信号宜采用无分屏的屏蔽电缆，线芯数量与传感器信号匹配，不宜设置备用芯，屏蔽层现场侧应浮空，应在机柜侧接入屏蔽端子。

（3）系统机柜与底座、相邻系统机柜应绝缘安装。安装时，机柜与安装底座、相邻机柜间应垫绝缘胶皮，固定机柜用地脚螺丝与底座或相邻机柜间应有胶皮绝缘。

（4）系统接地方式应规范可靠。系统应设有独立的安全地、屏蔽地及相应接地铜排，可采用中心接地汇流排的方式实现系统的单点接地。定期进行接地电阻测试，接地电阻应满足规程要求。

2.2 其他外部干扰

火力发电厂大型旋转机械设备运行的环境常伴随着高温、蒸汽，当环境指标超出装置厂家要求时，测量回路发生异常的风险会升高甚至加速设备老化。此外，测点安装连接部件（支架、套管、螺母等）、电缆受振动影响也会造成测点安装位置偏移、接线松动及电源故障等隐患。

某机组正常运行1Y 振动测量回路故障，检查发现1#瓦轴承处轴封漏汽量比较大，探头附近的温度超过184 ℃，传感器环境温度过高。另外，泄漏的蒸汽顺着1Y 振动探头金属软管里面漏到延伸电缆的地方，有蒸汽在管内凝结成水，造成延伸电缆绝缘下降，最终导致故障。

某机组运行时，TSI 系统触发“轴向位移大”保护，机组跳闸。现场检查发现是由两路跳闸信号发出，汽轮机轴向位移模拟量显示异常，测点因超量程下限判断为坏质量。检查轴向位移信号电缆，发现电缆相间绝缘电阻、对地电阻均为零，沿电缆查找发现两根轴向位移信号电缆均出现软化粘连现象，判断事故原因为电缆受压、过热，引起信号电缆绝缘损坏甚至短路。

处理此类故障的有效技术措施主要有4 个：

（1）检修期间应紧固各测点的套筒、螺母，在条件允许的情况下应重新安装偏离标准间隙电压较大的测点。

（2）传感器延伸电缆应尽可能独立走线，固定和走向应不存在磨损的隐患且全程避开高温区域。延伸电缆应采用铜线或漆包线进行捆扎固定，以防浸油扎带脆化。

（3）加强日常巡检，保证设备运行安全、通风正常，定期对高温区域进行测温检查，一旦出现信号扰动要做全面检查。

（4）将紧固接线端子、更换老化的接线端子、电源切换试验、电缆绝缘检查等工作列入检修常规项目。

3 结束语

旋转机械监测系统的可靠性直接影响火电机组大型旋转机械设备的安全运行，本文通过事故案例从硬件故障、环境影响两大方面对旋转机械监测系统存在的风险隐患进行分析，并且针对共性问题给出了合理的技术措施，为电厂检修维护人员提供参考。