曹美杰，王延明，潘作新

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山，063200）

引言

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵核心設(shè)備，尤其是大型電廠的汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備用的是高溫高壓蒸汽介質(zhì)，轉(zhuǎn)速高，荷載大，其能否長期安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到設(shè)備人員安全和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)可分為徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種［1］，其中徑向振動(dòng)對機(jī)組運(yùn)行影響最大，是機(jī)械破壞的主要原因，所以徑向振動(dòng)是振動(dòng)監(jiān)測的主要對象，也是對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行診斷的主要依據(jù)。電廠汽輪發(fā)電機(jī)設(shè)備的隱患或故障往往會(huì)直接反映在轉(zhuǎn)軸相對振動(dòng)和軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)上，因此需要結(jié)合具體的監(jiān)測振動(dòng)類型、其他監(jiān)控項(xiàng)量、現(xiàn)場安裝環(huán)境等因素選取性能可靠的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)和測量設(shè)備，從而為汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、隱患預(yù)測、定期檢修消缺提供依據(jù)，同時(shí)還要對其采取科學(xué)合理的檢查維護(hù)措施，確保其能夠?yàn)槠啺l(fā)電機(jī)組的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 振動(dòng)監(jiān)測儀表

在振動(dòng)測量領(lǐng)域中，測量監(jiān)控手段與方法多種多樣，本文主要討論電測量方法，電測法的要點(diǎn)在于先將機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電量（電動(dòng)勢、電荷、及其它電量），然后再對電量進(jìn)行測量，從而得到所要測量的機(jī)械量。這是目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的最廣泛有效的方法。

1.1 振動(dòng)傳感器分類及原理

電測量法用到的振動(dòng)傳感器種類豐富，按照工作原理的不同，能分為電渦流式位移傳感器、電感式速度傳感器、壓電式加速度傳感器、電容式振傳感器和電阻應(yīng)變式傳感器等，下面主要對轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備應(yīng)用最多的前三種傳感器原理進(jìn)行研究介紹。

電渦流式位移傳感器工作原理：在傳感器的端部有一線圈，線圈通以頻率較高的交變電壓，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出一渦流，這種現(xiàn)象被稱為渦流效應(yīng)（如圖1所示）。電渦流傳感器就是建立在電渦流效應(yīng)原理上的一種傳感器，它可以對一些物理量實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)［2］。當(dāng)電渦流傳感器接近被測導(dǎo)體時(shí)，被測導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，使線圈電感發(fā)生變化。被測導(dǎo)體與傳感器之間間隙越小，導(dǎo)體產(chǎn)生的電渦流越大，傳感器線圈的電感量就越小。它的輸出電壓是電感的函數(shù)，因此導(dǎo)體與傳感器之間間隙變化時(shí)，測得輸出電壓值就可獲得間隙值，電壓值再經(jīng)前置器放大以0V～24VDC 信號進(jìn)入振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。渦流式位移傳感器的主要特點(diǎn)是它與被測點(diǎn)沒有接觸，因此它特別適用于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測量。

圖1 電渦流傳感器原理圖

電感式速度傳感器原理：電感式速度傳感器是一種動(dòng)圈式（磁電式）的傳感器，其測量原理圖如圖2所示。當(dāng)傳感器與結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)或傳感器動(dòng)圈上的頂桿與結(jié)構(gòu)相連時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，使傳感器的線圈在磁鐵磁場中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與動(dòng)圈運(yùn)動(dòng)速度成正比。因此，通過感應(yīng)電動(dòng)勢的量測即可確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度。電感速度傳感器固定于振動(dòng)體（比如軸承蓋）上，測得的結(jié)果為振動(dòng)體的絕對速度；傳感器殼體固定于一個(gè)物體上，頂桿頂住另一個(gè)物體，測量所得為兩物體的相對速度。與電感式速度傳感器配套的二次儀表一一電感式測振儀，主要是微積分放大器，濾波器和檢測指示部分，用于對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大，可直接測量速度；并且經(jīng)過積分電路可測量位移；經(jīng)過微分電路可測量加速度。

圖2 速度傳感器測量原理圖

壓電式加速度傳感器：壓電式加速度傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)來完成振動(dòng)測量的，當(dāng)被測物體的振動(dòng)對壓電式振動(dòng)傳感器形成壓力后，晶體元件就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，在一定的壓力范圍內(nèi)，輸出電荷與加速度成正比。所以通過對壓電加速度計(jì)輸出電荷的量測即可確定加速度的大小。壓電式加速度傳感器配套的二次儀表常用電荷放大器，電荷放大器是一種高增益的帶電容負(fù)反饋，并且輸人阻抗極高的運(yùn)算放大器。它的輸出電壓與壓電加速度計(jì)發(fā)出的電荷成正比，與反饋電容成反比，它受電纜電容的影響很小，這是電荷放大器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。電荷放大器的輸入端一定要很好地加以屏蔽。

目前工業(yè)現(xiàn)場大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備用于振動(dòng)測量的以渦流傳感器為主，只有在渦流傳感器安裝不便，或?qū)y量有特殊要求時(shí)才選用（例如需要測量機(jī)殼或機(jī)座的絕對振動(dòng)），才考慮選用速度或加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測量。

1.2 振動(dòng)監(jiān)測儀表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

振動(dòng)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，主要被測導(dǎo)體、振動(dòng)傳感器、信號傳輸線路、二次表分析處理單元、振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)、DCS 控制系統(tǒng)、操作員站組成。其中振動(dòng)傳感器根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境、被測對象特點(diǎn)、測量精度要求等因素進(jìn)行選型，振動(dòng)傳感器測量信號通過信號線路傳輸?shù)蕉伪磉M(jìn)行處理，比如電渦流傳感器需要前置放大器對信號放大處理后輸出到振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)或DCS 控制系統(tǒng)，同時(shí)可顯示測量振動(dòng)值，DCS 控制系統(tǒng)程序利用振動(dòng)數(shù)據(jù)一方面用來進(jìn)行控制邏輯保護(hù)實(shí)現(xiàn)，另一方面可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直接觀測量傳輸?shù)讲僮鲉T站實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員對軸系振動(dòng)測量值的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

圖3 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 振動(dòng)監(jiān)測儀表在汽輪發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

某沿海鋼廠自備電廠汽輪機(jī)型式為亞臨界一次中間再熱單軸兩缸兩排汽，單抽供熱凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組按照“以熱定電”的原則，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，流通結(jié)構(gòu)介于反動(dòng)式與沖動(dòng)式透平之間，級數(shù)少，效率高。額定功率（ECR）為300 MW，最大功率（VWO）為340 MW。發(fā)電機(jī)為三相、二極、隱極式轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)，冷卻方式為水-氫-氫。

2.1 振動(dòng)測點(diǎn)的選擇布置

汽輪發(fā)電機(jī)組中心轉(zhuǎn)軸的徑向振動(dòng)一般簡稱為軸振，一般采用電渦流式探頭測量，瓦振即為軸承座振動(dòng)，也稱軸承振動(dòng)，一般由接觸式的速度或加速度傳感器測量實(shí)現(xiàn)，有時(shí)也稱殼振或蓋振。國內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)多采用相對振動(dòng)，其反映的是轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子相對于支撐或缸體的振動(dòng)，轉(zhuǎn)子的軸振大，表示轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，離開平衡距離的位移大，因此一般軸的單位為微米；瓦振是絕對振動(dòng)，反映軸承座或軸瓦相對于基礎(chǔ)的振動(dòng)。在大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備尤其是大型汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測中，軸振與瓦振都是必須要監(jiān)控測量的參數(shù)，任一項(xiàng)超標(biāo)都是不可接受的。

該電廠的汽輪發(fā)電機(jī)組本體的振動(dòng)的測點(diǎn)布置如下圖4 所示。在汽輪機(jī)的前箱布置有鍵相、偏心、轉(zhuǎn)速、軸位移測點(diǎn)，對轉(zhuǎn)子的偏心、鍵相、轉(zhuǎn)速、軸位移值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；在汽輪發(fā)電機(jī)組的1#-6#軸承分別布置有X、Y 向軸振和絕對振動(dòng)測點(diǎn)，主要用來監(jiān)測每個(gè)軸承位置的X、Y 向軸振值和相應(yīng)位置的軸承的絕對振動(dòng)。

圖4 汽輪發(fā)電機(jī)組本體振動(dòng)測點(diǎn)

綜合考慮測點(diǎn)精度、安裝環(huán)境等各種因素，軸振用的是電渦流式傳感器，測量精度和安裝精度高，而殼振用的是電感式速度或壓電式加速度傳感器，直接安裝固定在外殼位置即可；而轉(zhuǎn)子偏心、鍵相、轉(zhuǎn)速和軸位移的測量精度要求也較高，是除振動(dòng)參數(shù)外需要重點(diǎn)監(jiān)控的狀態(tài)值，其用的也是電渦流式傳感器。

2.2 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

汽輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)（Turbine Supervisory Instruments，簡稱TSI）是電廠設(shè)備最重要的監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)之一，主要是用來連續(xù)測量汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、膨脹、偏心、軸向位移等機(jī)械參數(shù)，并將測量結(jié)果送入控制、保護(hù)系統(tǒng)，一方面供運(yùn)行人員監(jiān)視、分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)在參數(shù)越限時(shí)執(zhí)行報(bào)警和保護(hù)功能。該電廠汽輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)選用的是瑞士Vibro-Meter 公司生產(chǎn)的VM600 系列汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)，用于監(jiān)測該汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、偏心、軸向位移等信號，這些信號經(jīng)VM600 系統(tǒng)處理后，一方面可輸出給DCS 系統(tǒng)供生產(chǎn)運(yùn)行人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄，另一方面該系統(tǒng)對這些振動(dòng)檢測量進(jìn)行邏輯判斷后，輸出給ETS（汽輪機(jī)緊急跳閘）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的聯(lián)鎖停機(jī)保護(hù)功能。

該機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖如圖5所示。韋伯VM600 TSI 保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括框架、電源模塊、CPU卡件、I/O模塊、網(wǎng)關(guān)通訊模塊、網(wǎng)關(guān)I/O 模塊等，還包括現(xiàn)場安裝的傳感器探頭、前置器及相關(guān)信號線路等。其中，電源模塊可選擇冗余配置，確保電源供電安全；IOC4 輸入輸出模塊用于MPC4 信號輸入，過程量輸出和原始信號輸入，IOC16 輸入輸出模塊用于CMC16 信號輸入和網(wǎng)絡(luò)連接，整個(gè)框架可安裝12個(gè)監(jiān)測保護(hù)模塊，6個(gè)附加的繼電器模塊，2 個(gè)冗余電源模塊和1 個(gè)CPU-M模塊。

圖5 振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

其中汽輪發(fā)電機(jī)組每個(gè)軸瓦位置的X向和Y向軸振測量用的是韋伯TQ 402系列電渦流傳感器，絕對振動(dòng)（瓦振）選用的是韋伯CE680 系列加速度傳感器，上述兩種型號的傳感器接線圖如圖6所示。

圖6 振動(dòng)傳感器接線圖

測軸振用的渦流傳感器通過前置放大器對信號進(jìn)行處理后輸入到監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)IOC4信號模塊，而絕對振動(dòng)探頭通過中間接線端子箱接入IOC4 信號模塊。VM600 監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)對振動(dòng)、軸位移等信號進(jìn)行分析處理后可通過計(jì)算機(jī)顯示器直接顯示振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)通過輸出模塊一方面將標(biāo)準(zhǔn)信號輸出到DEH 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)集控室操作員站對振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，另一方面還可以按照保護(hù)邏輯對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯計(jì)算后將開關(guān)量保護(hù)停機(jī)信號或報(bào)警信號輸出到ETS 系統(tǒng)，通過ETS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)功能，TSI 系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)通過電廠DCS 系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)集控室遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以通過交換機(jī)和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥茉催\(yùn)行中心實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的集控監(jiān)控。VM600 系統(tǒng)在硬件和系統(tǒng)組態(tài)軟件方面是非常靈活的，采用的是開放式模塊化結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)交換采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，為系統(tǒng)的擴(kuò)展和日常維護(hù)提供了便利。

2.3 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)測點(diǎn)聯(lián)鎖保護(hù)實(shí)現(xiàn)

該汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)保護(hù)聯(lián)鎖邏輯如圖7所示，該停機(jī)保護(hù)邏輯是通過TSI 系統(tǒng)來編程實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)組的軸振X 向Y 向振動(dòng)報(bào)警值設(shè)置的為125 μm，停機(jī)保護(hù)定值為254 μm，當(dāng)同一個(gè)軸X 向和 Y 向 振 動(dòng) 值 同 時(shí) 達(dá) 到 125 μm 和 254 μm 或125 μm 和 254 μm 時(shí) TSI 系統(tǒng)會(huì)將報(bào)警和停機(jī)指令通過開關(guān)量輸出模塊輸出給ETS 控制柜，該保護(hù)停機(jī)指令進(jìn)入ETS 機(jī)柜后分別進(jìn)入3 個(gè)開關(guān)量輸入卡件對應(yīng)的DI 點(diǎn)，滿足3 取2 邏輯后便可直接觸發(fā)機(jī)組跳閘指令實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，確保設(shè)備和生產(chǎn)安全；同理，任何一個(gè)軸承的絕對振動(dòng)值達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)定值125 μm 后也通過同樣算法觸發(fā)機(jī)組聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。本機(jī)組采取的邏輯保護(hù)設(shè)計(jì)，可以避免因單點(diǎn)儀表本體問題而導(dǎo)致的設(shè)備誤動(dòng)問題，又可以保證在振動(dòng)真正出現(xiàn)異常狀況下邏輯保護(hù)可靠觸發(fā)機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)，為機(jī)組的運(yùn)行安全提供保證。

圖7 機(jī)組振動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)邏輯

3 應(yīng)用效果

該電廠汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)已投運(yùn)多年，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，測量的振動(dòng)數(shù)據(jù)顯示和趨勢記錄準(zhǔn)確可靠，監(jiān)控組態(tài)畫面和測量數(shù)據(jù)記錄趨勢如圖8 所示。該系統(tǒng)將監(jiān)測保護(hù)、狀態(tài)和性能監(jiān)測完整地結(jié)合，不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)軸的各項(xiàng)振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，而且該系統(tǒng)還可以檢測軸位移、鍵相、轉(zhuǎn)速等多項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備參數(shù)，通過配套的MPS 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對需要監(jiān)控的各種相量進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)任何參數(shù)的現(xiàn)場修正。尤其該系統(tǒng)配套的電渦流傳感器、加速度傳感器探頭具有高靈敏度和高可靠性，壽命長，安裝維護(hù)容易，有利于降低備件支出和設(shè)備維護(hù)成本。CPU 模塊可以保存全部組態(tài)數(shù)據(jù)，自動(dòng)下載到新更換的模塊上。該系統(tǒng)通過對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以判斷機(jī)組轉(zhuǎn)軸的變形量和變形趨勢，分析轉(zhuǎn)軸的動(dòng)平衡性能，有利于提前發(fā)現(xiàn)并處理轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備隱患缺陷。

圖8 振動(dòng)監(jiān)測組態(tài)畫面

該系統(tǒng)的冗余電源設(shè)計(jì)大大提高了供電可靠性，維護(hù)量小，一旦振動(dòng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可以快速排查解決問題。同時(shí)，開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)配置很容易實(shí)現(xiàn)與電廠DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和共享，進(jìn)而為機(jī)組聯(lián)鎖保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)提供了保證，這都對汽輪發(fā)電機(jī)組核心設(shè)備的長周期高效安全運(yùn)行具有重要意義。