李進(jìn)兵

摘? 要：汽輪機(jī)的安全監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（TSI）對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要的作用，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)TSI系統(tǒng)重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容軸振監(jiān)測(cè)介紹了統(tǒng)軸振監(jiān)測(cè)回路的構(gòu)成以及軸振跳機(jī)保護(hù)邏輯的設(shè)置。舉例說明了單點(diǎn)“或”軸振跳機(jī)邏輯和跳機(jī)值與上報(bào)警值軸振跳機(jī)邏輯，對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組啟機(jī)過程中可能出現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域軸振動(dòng)突然增大的工況提出了一種引入轉(zhuǎn)速判別的軸振跳機(jī)保護(hù)邏輯的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：軸振;TSI;跳機(jī)保護(hù);轉(zhuǎn)速判別

中圖分類號(hào)：TM311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0101-03

Abstract： TSI system of the steam turbine plays an important role in the safe and stable operation of the steam turbine generator set. This paper introduces the shaft vibration monitoring loop and the setting of the protection logic. Two examples of the shaft vibration tripping logic are introduced. For the operating conditions in which the shaft vibration suddenly increases in the critical speed area that may occur during the startup of the turbine generator set， an improved design of the protection logic of shaft vibration tripping logic with speed discrimination is proposed.

Keywords： Shaft vibration; TSI; Trip protection; Speed discrimination

汽輪機(jī)的安全監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)（Turbine Supervisory Instrumentation）TSI是一種能對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參量可靠地進(jìn)行長(zhǎng)期、有效、準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測(cè)的多路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它能連續(xù)地監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)的各種重要參數(shù)，例如：轉(zhuǎn)速、超速保護(hù)、偏心、軸振、蓋（瓦）振、軸位移、脹差、熱膨脹等，幫助運(yùn)行人員判明故障，在被監(jiān)測(cè)的參數(shù)超出預(yù)置的設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警及值停機(jī)信號(hào)保證機(jī)組安全。它也能提供故障診斷的各種測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 軸振監(jiān)測(cè)回路的構(gòu)成

軸系的振動(dòng)是TSI系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容。在測(cè)量軸振時(shí)，常常把渦流探頭裝在軸承殼上，探頭與軸承殼變?yōu)橐惑w，因此所測(cè)結(jié)果是軸相對(duì)于軸承殼的振動(dòng)。由于軸在垂直方向與水平方向并沒有必然的內(nèi)在聯(lián)系，亦即在垂直方向（Y方向）的振動(dòng)已經(jīng)很大，而在水平方向（X方向）的振動(dòng)卻可能是正常的，因此，在垂直與水平方向各裝一個(gè)探頭，探頭采用渦流探頭。由于水平中分面對(duì)安裝的影響，實(shí)際上兩個(gè)探頭安裝保證相互垂直即可，如圖1所示。

當(dāng)傳感器端部與轉(zhuǎn)軸表面間隙變化時(shí)，傳感器輸出一交流信號(hào)給監(jiān)測(cè)卡件，卡件計(jì)算出間隙變化（即振動(dòng)）峰-峰（P-P）值。當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，卡件可輸出報(bào)警信號(hào)和跳機(jī)信號(hào)。

2 軸振跳機(jī)保護(hù)邏輯的設(shè)置

2.1 軸振報(bào)警邏輯的設(shè)置

對(duì)于軸振報(bào)警來說，因?yàn)閳?bào)警只是提醒運(yùn)行人員軸振測(cè)量超過正常值，并不用于汽機(jī)發(fā)電機(jī)組的跳機(jī)，因此軸振報(bào)警邏輯策略均選擇為“或”邏輯，為了能清楚說明，以一臺(tái)有2個(gè)軸承的機(jī)組為例，每個(gè)軸承上安裝互相垂直的2個(gè)軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，分別標(biāo)記為X、Y，則軸振動(dòng)報(bào)警邏輯如圖2。

即任意一個(gè)軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)只要達(dá)到所設(shè)定的軸振報(bào)警值都會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)。

2.2 軸振跳機(jī)邏輯的設(shè)計(jì)

對(duì)于軸振跳機(jī)邏輯來說，因其對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性會(huì)產(chǎn)生直接的影響，因此軸振跳機(jī)邏輯的準(zhǔn)確性非常重要，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮拒動(dòng)和誤動(dòng)的可能性，從而起到可靠保護(hù)機(jī)組安全可靠運(yùn)行的作用。

一般來說軸振跳機(jī)的邏輯設(shè)計(jì)有多種，不同的機(jī)型，不同的汽輪機(jī)廠家給出的軸振跳機(jī)邏輯可能會(huì)有不同。本文僅列舉兩種予以說明： 單點(diǎn)“或”跳機(jī)邏輯，跳機(jī)值“與”報(bào)警值跳機(jī)邏輯。

2.2.1 單點(diǎn)或邏輯跳機(jī)

以有三個(gè)軸承的機(jī)組為例，這種跳機(jī)邏輯設(shè)計(jì)和軸振報(bào)警的邏輯一樣，即： 所有軸振動(dòng)測(cè)點(diǎn)中只要有一個(gè)測(cè)點(diǎn)發(fā)出跳機(jī)信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)實(shí)際停機(jī)信號(hào)使機(jī)組停下來。振動(dòng)跳機(jī)邏輯設(shè)計(jì)如圖3。

單點(diǎn)“或”跳機(jī)邏輯設(shè)計(jì)思想的出發(fā)點(diǎn)主要是保證機(jī)組的安全，寧可誤動(dòng)不要拒動(dòng)，因?yàn)檩S振動(dòng)大往往會(huì)造成汽機(jī)端部軸封磨損、隔板汽封磨損、葉片、葉輪等機(jī)組部件損毀的惡性后果，其經(jīng)濟(jì)損失要比誤動(dòng)作產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失大得多。軸振單點(diǎn)“或”跳機(jī)邏輯在國(guó)外的主機(jī)廠制造商如GE、西屋、西門子、三菱、日立、東芝等的機(jī)組中得到廣泛采用。

但在我國(guó)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，一般90%振動(dòng)跳機(jī)是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)干擾，或者測(cè)量元件不穩(wěn)定所造成的誤跳機(jī)，而過多的誤跳機(jī)也會(huì)造成機(jī)組多次啟停的經(jīng)濟(jì)損失，因此軸振跳機(jī)邏輯需要綜合考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 跳機(jī)值與上報(bào)警值跳機(jī)邏輯

此跳機(jī)邏輯的設(shè)計(jì)思路是： 既然單點(diǎn)跳機(jī)不可靠，則給跳機(jī)邏輯增加條件，不只看本軸承的單個(gè)方向的軸振跳機(jī)信號(hào)，同時(shí)還要看本軸承另一方向的測(cè)量值是否達(dá)到報(bào)警值或者其他軸承的軸振動(dòng)信號(hào)是否達(dá)到報(bào)警值。只有本軸承一個(gè)軸振測(cè)量信號(hào)達(dá)到跳機(jī)值，本軸承另一方向的測(cè)量值達(dá)到報(bào)警或者其他的軸承測(cè)量值達(dá)到報(bào)警信號(hào)時(shí)才會(huì)跳機(jī)，此振動(dòng)跳機(jī)邏輯設(shè)計(jì)如圖4。

由于停機(jī)邏輯中增加了軸振報(bào)警信號(hào)因此此邏輯增加了實(shí)際停機(jī)的難度，因此誤動(dòng)的可能性大大降低。

軸振的跳機(jī)還有其他多種邏輯組合，無非是在機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行取舍。這就需要總結(jié)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特性，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行特性設(shè)計(jì)適合本機(jī)組的軸振跳機(jī)邏輯。另外考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)軸振探頭的影響，有些機(jī)組的跳機(jī)邏輯還增加了1秒或2秒的延時(shí)進(jìn)一步增加了跳機(jī)邏輯的準(zhǔn)確性。

3 跳機(jī)邏輯存在的問題及改進(jìn)

不管是單點(diǎn)“或”跳機(jī)邏輯或者跳機(jī)值“與”報(bào)警值邏輯都沒考慮機(jī)組過臨界問題，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)速升到臨界轉(zhuǎn)速附近時(shí)，軸振振幅可能會(huì)突然加大，振動(dòng)異常激烈，軸振完全有可能超過停機(jī)值，當(dāng)通過臨界轉(zhuǎn)速后軸振又恢復(fù)正常。在這種情況下如果還是按照正常運(yùn)行時(shí)的軸振情況設(shè)置報(bào)警跳機(jī)值顯然不能滿足汽輪機(jī)組啟動(dòng)過程要求，從而導(dǎo)致在啟動(dòng)過程中非正常跳機(jī)，導(dǎo)致機(jī)組不能正常啟動(dòng)。

如果啟機(jī)過程中出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速處的軸振值大于正常運(yùn)行情況下設(shè)置的報(bào)警停機(jī)值的情況，本文提出了兩種解決辦法。

3.1 手動(dòng)打閘跳機(jī)

啟機(jī)過程中解除軸振自動(dòng)跳機(jī)邏輯，啟機(jī)全過程完全由運(yùn)行人員專門監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)的振動(dòng)情況，運(yùn)行人員根據(jù)軸振監(jiān)測(cè)值自行決定是否需要手動(dòng)打閘停機(jī)。待汽輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后再將軸振自動(dòng)跳機(jī)邏輯恢復(fù)。這種方法雖然解決了啟動(dòng)過程中臨界轉(zhuǎn)速大造成不必要跳機(jī)的問題，但是每次啟機(jī)都要解除、恢復(fù)軸振跳機(jī)邏輯增加了運(yùn)行人員的負(fù)擔(dān)，并有可能在解除邏輯、恢復(fù)邏輯的過程中引入人為失誤因素造成邏輯錯(cuò)誤。

3.2 引入轉(zhuǎn)速判斷

針對(duì)臨界轉(zhuǎn)速附近軸振動(dòng)大的問題，我們可以考慮軸振設(shè)置雙閾值，即當(dāng)汽輪機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速范圍時(shí)可以設(shè)置軸振跳機(jī)值、報(bào)警值為較小的閾值，當(dāng)在臨界轉(zhuǎn)速范圍時(shí)可以將軸振閾值放大，這樣汽機(jī)就可以沖過臨界轉(zhuǎn)速避免了啟機(jī)過程中由于軸振動(dòng)大造成的不必要的停機(jī)。

以某百萬千瓦汽輪發(fā)電機(jī)組為例，該機(jī)組為半轉(zhuǎn)速機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，高中壓缸、三個(gè)低壓缸加上發(fā)電機(jī)一共有20個(gè)軸承。每個(gè)軸承處設(shè)有水平方向和垂直方向的軸振監(jiān)視探頭。軸振探頭的測(cè)量范圍為0-300μm，報(bào)警值為90μm，跳機(jī)值為130μm。

本機(jī)組的TSI系統(tǒng)還配置有兩個(gè)鍵相測(cè)量探頭，鍵相信號(hào)送到故障診斷系統(tǒng)用于軸的動(dòng)平衡分析以及設(shè)備的故障分析與診斷等，兩個(gè)探頭一個(gè)運(yùn)行，一個(gè)備用。

可以利用鍵相探頭作為轉(zhuǎn)速測(cè)量引入轉(zhuǎn)速判別，當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于1450rpm時(shí)，可以認(rèn)為是過臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行;當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1450rpm時(shí)，認(rèn)為是額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在升速及過臨界轉(zhuǎn)速情況下將軸振的報(bào)警值和跳機(jī)值擴(kuò)大一倍分別為180μm和260μm，此閾值可以根據(jù)不同機(jī)組臨界過程實(shí)際情況進(jìn)行更改。

表1 引入判別轉(zhuǎn)速的跳機(jī)閾值

以某一軸承的一個(gè)測(cè)量值為例，其轉(zhuǎn)速判別邏輯圖如圖5。

圖5中相關(guān)符號(hào)定義如圖6。

H為轉(zhuǎn)速判別閾值，H1為軸振報(bào)警值，H2為軸振跳機(jī)值。

以艾默生（原EPRO）的軸振卡件A6110為例，其轉(zhuǎn)速判別組態(tài)如下：

此卡件檢測(cè)相應(yīng)輸入端口由鍵相卡件A6312送來的轉(zhuǎn)速報(bào)警信號(hào)，轉(zhuǎn)速在小于1450RPM時(shí)啟動(dòng)報(bào)警倍增功能，將正常設(shè)置的報(bào)警值、跳機(jī)值乘以組態(tài)中的限值倍增值2.00，從而使報(bào)警值、跳機(jī)值增大。

對(duì)20個(gè)軸承的每一個(gè)測(cè)量值都引入轉(zhuǎn)速判別后，其相應(yīng)的報(bào)警輸出信號(hào)、跳機(jī)輸信號(hào)再組合為相應(yīng)的跳機(jī)邏輯用于機(jī)組跳機(jī)，這樣就避免了機(jī)組啟動(dòng)過程中臨界轉(zhuǎn)速軸振過高引起不必要跳機(jī)的問題。

4 結(jié)論

經(jīng)過機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，此項(xiàng)改進(jìn)解決了汽機(jī)過程中汽輪機(jī)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之前臨界轉(zhuǎn)速處振動(dòng)大造成的不必要跳機(jī)情況。保證了機(jī)組啟動(dòng)的成功率，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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