摘要：随着高参数大机组的应用越来越广,汽轮机TSI系统中零转速信号越来越重要。目前,我国一部分发电厂采用了德国Epro公司的MMS6000汽轮机监控系统。该系统总体投用效果较好,但也存在一些问题.现结合XXX电厂中该系统的运行实践,对其TSI系统零转速出现的常见故障及解决措施作一介绍。
关键词：TSI；零转速；常见故障
一、概述
随着科学技术的不断发展，电能需求的日益增加，单机容量的不断扩大等原因，大型发电机组要求有更高的可靠性和自动化水平，否则由于非停带来的事故将给电网造成巨大的损失，因此，在大型机组中，汽轮机安全监测系统（TSI）是非常重要的。它不仅可以提高劳动生产率和电能质量，还能降低发电成本，改善劳动条件，并为大型机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。汽轮机安全监视系统是监测、保护汽轮发电机组安全运行的重要设备，它能连续、准确、可靠地监视汽轮发电机组在启动、运行和停机过程中的重要参数变化。TSI系统能连续地监测汽轮机的各种重要参数，例如：可对转速、超速保护、偏心、轴振、盖（瓦）振、轴位移、胀差、热膨胀等参数进行监测，帮助运行人员判明机器故障，使得这些故障在引起严重损坏前能及时遮断汽轮发电机组，保证机组安全。另外TSI监测信息提供了动平衡和在线诊断数据，维修人员可通过诊断数据的帮助，分析出可能的设备故障，帮助提出设备预测维修方案，预测维修信息能推测出旋转机械的维修需要，使设备维修更有计划性，减少维修时间，其直接结果就是减少了维修费用，提高了汽轮发电机组的可用率。
二、电涡流测速传感器测量原理
电涡流测速传感器具有高线性度、高分辨力地测量出金属导体与探头表面距离的能力。它是一种非接触式测量工具，能够准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化量。金属导体在变化的电磁场中发生振动、位移或在磁场中做切割电磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流的现象为电涡流效应。利用该电涡流效应制成的高精度传感器称为电涡流测速传感器。
电涡流测速传感器在速度分析测量中，特别是对非接触的转动、位移信号，能连续准确地采集到振动、转动等轨迹运动的多种参数。该传感器的应用工业大背景是能直接非接触测量转轴的状态，如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流测速传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强等优点，在工业中被广泛应用。电涡流测速传感器在工业基础研究、精密设备的生产制造、设备检测试验中应用广泛。具体而言，目前电涡流测速传感器主要用于研究测定高速旋转的机械和往复式运动的机械的运动轨迹数据，以及振动等的研究。
电涡流测速传感器系统中的前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为“S”型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流测速传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
三、XXX电厂零转速配置情况
XXX电厂安装的是2台上海汽轮机厂生产的亚临界、中间再热、双缸单排汽、直接空冷式汽轮机。采用积木式设计，保留了原西屋公司湿冷机组的技术特点，通流结构介于反动式与冲动式透平之间，级数少，效率高。整段转子高压通流反向布置，中压通流正向布置，低压通流为对称布置，轴向推力自平衡。采用多层缸结构，通流部分轴向间隙大，径向间隙小，具有较好的热负荷适应性。采用数字式电液调节系统，自动化程度高，该机组采用控制涡流型设计，全三维设计手段，全部动叶自带围带式密封圈联接，高压缸压力级叶片未倒T型叶根，中、低压缸采用P型叶根。
每台机组在机头前箱轴承上方有一套支架，安装一套转速表探头，3套DEH超速保护探头和2套零转速测量系统，每套零转速测量系统包括PR6423/002-030传感器、CON021前置器、MMS6312放大监视器3部分组成。探头电缆、延伸电缆均分为2层，内层是带屏蔽层的高频同轴电缆，外层是作保护用的不锈钢蛇行套管。在安装过工艺方面采用探头电缆、延伸电缆处用热缩管塑封，外层用黄腊管进行保护，并用铜丝进行绑扎固定。
四、零转速测量原理及常见故障
机器转速的测量，长期以来已成为一项必须进行的标准程序，转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时的重要参数，并且振动值与机器转速的相关性对最终分析机器性能十分重要。例如：在机器停车过程中，转速突然下降，会意味着机器内部存在着大面积的金属摩碰。而零转速是预先设定的轴旋转速度，当运行的机器需停车时，机器转速达到零转速设置点，继电器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴持续慢速旋转，来防止轴产生弯曲，以避免在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机器造成损坏。
零转速是机组在一种低于最小旋转速度下运转的指示，这是为了防止机组在停机期间转轴发生重力弯曲，其工作原理是根据电涡流传感器的工作原理可知趋近式电涡流探头和运转的转子齿轮之间会产生一个周期性变化的脉冲量，测出这个周期性变化的脉冲量，即可实现对转子转速的测量。零转速一般是用来和其它信号例如润滑油压力正常、顶轴油压力正常等作为启动盘车的条件。
测量装置由两只装于前箱正对60齿盘的传感器和板件组成，如下图所示：当机器旋转时，齿盘的齿顶和齿底经过探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，板件接收到此脉冲信号进行计数、显示，与设定值比较后，驱动继电器接点输出。转速的测量范围：0～5000rpm；零转速设定值：小于4rpm；转速报警值：3240rpm。
XXX电厂自2009年投产以来，在机组的正常运行过程中#1、#2机组零转速经常出现的故障就是运行过程中零转速跳变，反映在历史数据曲线上就是出现不规则的尖脉冲。在波动剧烈的区间就会联启部分设备，引起设备误动作，对运行人员的监盘造成一定的影响，同时对联动的设备造成频繁的启停。
图零转速测量示意图
四、故障原因分析
从探头测量原理及元件结构和每次检查的结果分析，产生零转速跳变的原因大致有以下几个方面：
4.1、回路接触不良
TSI系统中每个测点要想形成一个完整的信号输出回路，必须由探头、延长线和前置器三部分组成。三者是一个测量整体，有相应的阻特性曲线，如果测量系统的阻抗和特性曲线发生变化，将会引起测量系统发生异常变化。造成接触不良的地方主要是发生在探头的电缆延长线和8米延长电缆之间的拔插式接头部位；8m延长电缆与前置器拔插式接头部位。由于探头的电缆延长线只有1m，所以接头部位只能放在汽机前箱内。接头在汽机前箱内长期处在高温、多油的环境下，容易发生润滑油进入接头内、或者轴承箱内的杂质进入接头处，或者人为安装原因造成接头连接不牢固，从而引起接触不良。而前置器与延长线间的接头也经常出现松动现象。
4.2、测量系统受到电磁干扰
电磁干扰产生的原因只要有以下两点：一、信号传输电缆的屏蔽效果不好，使外部电磁信号对测量信号或者测量信号内部之间产生干扰；二、前置器与卡件MMS6110的抗干扰能力不强。通过大功率无线干扰设备进行干扰试验，试验证明前置器的抗干扰能力很好，而且在汽机前箱范围内也没有大功率的电气设备，因此基本排除前置器的原因。具有数据采集和计算功能的卡件安装在控制室内，附近有配电柜等设备，会对测量信号造成一定的干扰。
4.3、探头电缆和延长线造成损伤
在安装过程中，探头电缆与延长线间的电缆连接完成后，都是放在箱体内部的。常规的绑扎方式为先用热缩管缩好，外面再用黄腊管进行包裹，部分安装人员用绑扎带或者白布带进行绑扎，绑扎带在长期高温的环境中容易变硬、变脆。而且安装人员对电缆的捆扎和固定不牢，线缆长期受到高速旋转的大轴甩出的润滑油的冲击，在运行过程中会发生电缆损伤，严重的会发生断裂。
4.4、门槛电压变化
零转速传感器安装方法采用塞尺测量安装间隙的方法进行安装。在探头端面和被测面之间塞入设定安装间隙厚度的塞尺，零转速传感器的安装间隙大约为1.3mm左右。当探头端面和被测面压紧塞尺时，紧固探头即可。零转速探头安装时一般都是在静态方式下，汽轮机大轴找完中心后进行安装，汽轮机在运行一段时间之后，大轴会偏离最初安装时确定的中心位置，大轴偏离中心位置就会造成门槛电压设置不合适，引起测量值波动。
4.5、测速传感器周围环境影响，导致测量信号发生异常变化
TSI系统零转速的测量装置是电涡流传感器，而电涡流传感器的主要测量部件就是电涡流探头，电涡流探头测量原理就是前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当外部设备产生的磁场影响线圈产生的磁场时，电涡流产生的电压大小就不能准确的反应探头与被测物体间的实际距离，引起测量出的实际被测量偏离其真实值。引起该种故障的原因很多，排查起来也比较困难。
五、故障解决方法
5.1、信号回路不良
在系统每次安装前，用丙酮清洗常发生故障的两处接头，使接触面保持清洁。在探头电缆和延长线间的接头用热缩管缩死，不但能加强接头接触面得紧固性还能起到防止润滑油深入到接头内的作用。
5.2、消除电磁干扰
前置器是整个传感器系统的信号处理部分，要求将其安装在远离高温环境的地方，其周围环境应无明显的蒸汽和水珠、无腐蚀性的汽体、干燥、振动小、前置器周围的环境温度与室温相差不大的地方。安装时前置器壳体金属部分不要同机壳或大地接触。安装时必须避免有其他干扰信号影响测量电路。
前置器到卡件间的电缆采用屏蔽电缆，每一只零转速采用一根独立的电缆。电缆的屏蔽层采用一端接地另一端浮空的方式，并且接地端放在控制器内TSI机柜内，最后汇总至DCS系统的总接地线上，这样可以防止引起干扰信号。
5.3、消除探头电缆和延长线损伤
延伸电缆作为连接探头和前置器的中间部分，是涡流传感器的一个重要组成部分，所以延伸电缆的安装应保证在使用过程中不易受损坏，应避免延伸电缆的高温环境。探头与延伸电缆的连接处应锁紧，接头用热缩管包裹好，这样可以避免接地并防止接头松动。在盘放延伸电缆时应避免盘放半径过小而折坏电缆线。一般要求延伸电缆盘放直径不得小于55mm。
安装过程中，延长电缆的走线应尽可能避开有润滑油冲击的地方，并用铜丝固定在主油泵盖子上的螺栓上，切忌不可用PVC扎带绑扎，因为PVC扎带在高温环境下会变硬、变脆。
5.4修正门槛电压变化引起的波动
在机组运行一段时间后，一旦零转速出现跳变，在MMS6910软件中，登陆后，连接好软件和卡件之间的通讯，上传组态后，在菜单栏“指令”菜单下的“自动通道测量”鼠标点击确定后，系统自动修复由于门槛电压变化而引起的测量值波动。
5.5、消除测速传感器周围环境影响
1、对工作温度的要求
一般涡流传感器的最高允许温度≤180C，实际上如果工作温度过高，不仅传感器的灵敏度会显著降低，还会造成传感器的损坏，因此测量汽轮机高、中、低转轴振动时，传感器必须安装在轴瓦内。
2、对被测体的要求
为防止电涡流产生的磁场影响仪器的正常输出，安装时传感器头部四周必须留有一定范围的非导电介质空间。若在测试过程中某一部位需要同时安装两个或以上传感器，为避免交叉干扰，两个传感器之间应保持一定的距离。另外，被测体表面积应为探头直径3倍以上，表面不应有伤痕、小孔和缝隙，不允许表面电镀。被测体材料应与探头、前置器标定的材料一致。
3、对探头支架的要求
探头通过支架固定在轴承座上，支架应有足够的刚度以提高其自振频率，避免或减小被测体振动时支架的受激自振。
4、对初始间隙的要求
电涡流传感器应在一定的间隙电压范围内，其读数才有较好的线性度，所以在安装传感器时必须调整好合适的初始间隙。
六、结束语
XXX电厂机组自2009年投产以来，发生过多起零转速跳变事件，逐步采取上述措施后，尤其是在机组运行过程中出现零转速跳变，排查出非现场实际接线等原因，采用修正门槛电压的方式，是一种很好的解决飞利浦系统零转速跳变的方法。门槛电压修正后，到目前为止未发生过一次异常，效果很好。
参考文献
[1]程建华《汽机TSI系统的调试与维护》华东科技：学术版，2014（1）:26
[2]张朝阳等《汽机TSI系统的测量与调试》华北电力技术：2008（6）:27
[3]李永东交流电机数字控制系统[M].机械工业出版社，2012:88-96
论文作者:张丽新1,伊喜来2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
标签：转速论文; 涡流论文; 测量论文; 传感器论文; 电缆论文; 线圈论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第26期论文;