汽轮机监测系统TSI

1、汽轮机监控与保护黄桂梅4月汽轮机监测系统TSI第1页汽轮发电机组监控保护监视：汽轮机监测仪表系统TSI保护：危急遮断保护系统ETS汽轮机监测系统TSI第2页1 概述一、汽轮机安全监控必要性二、汽轮机安全监控意义三、汽轮机安全监控办法四、汽轮机安全监视内容汽轮机监测系统TSI第3页一、汽轮机安全监控必要性 (1)大容量机组系统复杂，监控范围大、项目繁多，操作也越益复杂，常规监视仪表已越来越不适应，为了防止操作人员疏忽大意以致误操作，建立一个完善、确保机组安全新监视体系已成为必要。 (2)汽轮机是一个大容量高速旋转精密机械，任何意外都将引发不良后果，必定对机组安全提出更高要求。（预防意外） (3)

2、高参数大容量机组价格昂贵，事故涉及面大，对经济和社会影响重大，一个有效对机组安全监视体系，对确保人身和设备安全，降低负面影响，含有主要意义。（确保经济性） 汽轮机监测系统TSI第4页二、汽轮机安全监控意义对机组运行状态进行连续、准确和可靠在线监控，也是一个对机组安全保护，它除了向控制系统发出控制和安全信息外，还可帮助操作人员及时掌握机组运行信息，了解机组安全、经济状态，防止事故发生和加强科学管理；依据参数监控对机组进行在线诊疗，为发展和丰富一个更为完善智能监控教授系统，开辟了辽阔前景。这种技术利用和发展，将使得设备维修方式从传统“事故维修”和“定时维修”过渡到现在“预知性维修”，从而大大提升了

3、设备可利用率，降低停机维修时间，降低维修费用，同时也压缩了备件库存量能够降低意外事故发生和无须要浪费、损耗，提升对机组设备保护。 汽轮机监测系统TSI第5页提出问题怎样对汽轮机进行监控保护呢？对汽轮机系统及其辅助设备主要参数严密监视。参数越限，发出报警信号，当超出极限值，发出紧急停机信号，关闭主汽门，实现紧急停机。汽轮机监测系统TSI第6页三、汽轮机安全监控办法广义上说汽轮机安全监控办法有以下几方面：经过TSI进行参数检测与监视，当参数到达报警值时发出报警信息，当参数到达危险值时送出保护信息给ETS。经过DEH对各种参数进行监视和控制，当超速或出现甩负荷以及负荷不平衡时，由OPC进行转速限制和

4、保护。ETS则是当出现危急情况时实现汽轮机紧急跳闸保护。另外还有机械超速保护和后备保护等。汽轮机监测系统TSI第7页四、 汽轮机安全监控内容大型汽轮机热工保护包括内容（1）汽轮机本体机械参数监控。 轴向位移，振动参数，胀差（2）汽轮机防进水保护。（3）汽轮机辅机保护（凝汽器真空、除氧器水位等）。 （4）汽轮机紧急跳闸保护。（ETS）汽轮机监测系统TSI第8页2、汽轮机监测仪表系统TSI TSI(Turbine Supervisory Instrument )系统即汽轮机轴系监测系统，是一个可靠多通道监测仪表，能连续不停地测量汽轮机发电机组转子和汽缸机械运行参数和相关参数，显示机器运行情况，提供

5、输出信号给信号显示、统计仪；并在超出设定运行极限时发出报警，甚至使汽机自动停机以及提供可用于故障诊疗测量。汽轮机监测系统TSI第9页一、 TSI作用汽轮机监视仪表(turbine supervisory instru- ment，TSI)是为了保护汽轮机安全而设计监视装置，是汽轮机主要组成 部分。 作用是对运行中汽轮机主要参数进行 有效而准确监视，并将测量信号送至二次仪表和数 据采集系统，以供实时显示和打印统计，以及历史数据积累和运行状态分析;参数越限时，还能够发出信号供 报警和驱动保护系统。 汽轮机监测系统TSI第10页二、汽轮机监测仪表组成从功效方面来看，TSI包含以下两大部分：汽轮机本体

6、参数监视和故障分析和教授决议系统从结构方面来看，TSI包含以下三大部分：传感器、前置器、监视器（显示器）汽轮机监测系统TSI第11页传感器系统将机械量（如转速，轴位移，差胀，缸胀，振动和偏心等）转换成电参数（频率f，电感L，品质原因Q，阻抗Z等），传感器输出电参数信号经过现场连线送到监测系统，由监测系统转换为测量参数进行显示、统计及相关信息处理汽轮机监测系统TSI第12页1.传感器当前应用广泛传感器有：电涡流传感器，电感式速度传感器，电感式线性差动变压器和磁阻式测速传感器等等。对于应用得最多电涡流传感器系统来说，它由探头、接长电缆和前置器组成。汽轮机监测系统TSI第13页2.前置器前置器含有一

7、个电子线路，它能够产生一个低功率无线电频率信号（RF），这一RF信号，由延伸电缆送到探头端部里面线圈上，在探头端部周围都有这一RF信号。假如在这一信号范围之内，没有导体材料，则释放到这一范围内能量都会回到探头。假如有导体材料表面靠近于探头顶部，则RF信号在导体表面会形成小电涡流。这一电涡流使得这一RF信号有能量损失。该损失大小是能够测量。导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。传感器系统能够利用这一能量损失产生一个输出电压，该电压正比于所测间隙。汽轮机监测系统TSI第14页由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络及输出放大器等组成前置器汽轮机监测系统TSI第15页3.监测系统监测系

8、统又称为框架，一个框架由三部分组成：电源、系统监测器和监测表。电源为装在框架内监测表及对应传感器提供要求电源，电源总被放在框架第一位置；系统检测器检验供电水平以确保系统正常运行，同时，它还含有控制系统“OK”功效。“OK”（正常工作）表明系统传感器及现场接线是在要求水平上进行。系统检测器也控制报警点设置和系统复位。系统检测器总被放在框架第二位置；监测表不但能够显示传感器系统是否正常运行，还能够指示传感器测量值，并在越限时报警。汽轮机监测系统TSI第16页三、汽轮机本体参数监视内容 机械参数监视各处温度监视包含汽轮机监测系统TSI第17页1 .对汽轮机本体机械参数主要监视内容 轴 向位移;汽缸热

9、膨胀;转子与汽缸热膨胀差; 转速和零转速;轴承振动和轴振动;偏心度；相位汽轮机监测系统TSI第18页2. TSI对温度监视汽轮机组本体参数检测还有推力轴瓦金属温度，缸体、法兰螺栓等金属温度和发电机定子和绕组温度，轴承金属温度和润滑油温度等，这些监视均应在机组设计制造时 一并考虑配置。汽轮机监测系统TSI第19页四、故障分析和教授决议系统 对于大型汽轮机，一 般都配有汽轮机数据采集和故障分析计算机系统，它 利用专门汽轮机故障分析软件和教授决议软件，对 采集到参数进行分析和判断。 汽轮机故障分析软件经过实时、自动、连续地采 集和存放汽轮发电机轴系振动振幅、相位等数据，提供 给操作员和工程师一个实时

10、轴系运行档案，包含表征 轴系是否正常运转可接收区域图，以及轴系轴心 轨迹图、颇谱图、波德图、级联图等各种形式分析画 面和数据，用以支持轴系早期故障诊疗和预测维修。 汽轮机监测系统TSI第20页续教授决议软件是一个实时教授系统，包含专 门用于汽轮机故障分析知识库和对应推理逻辑软件.它能够依据汽轮机监视系统采集到数据来检验 汽轮机运行状态，并依据知识库软件中存放经验 数据对设备进行自动地故障诊疗和机械信息管理，最 后给出带有严重程度故障结果和推荐更正办法.汽轮机监测系统TSI第21页关于教授系统教授系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量某个领域教授水平知识与经验，能够利用人类教授知识和处理问

11、题方法来处理该领域问题。也就是说，教授系统是一个含有大量专门知识与经验程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，依据某领域一个或多个教授提供知识和经验，进行推理和判断，模拟人类教授决议过程，方便处理那些需要人类教授处理复杂问题，简而言之，教授系统是一个模拟人类教授处理领域问题计算机程序系统。汽轮机监测系统TSI第22页 教授系统基本结构如图所表示，其中箭头方向为数据流动方向。教授系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分组成。汽轮机监测系统TSI第23页知识库知识库用来存放教授提供知识和经验。人工智能中知识表示形式大多数是以IFTHENOR ELSE形式出现

12、，就像BASIC等编程语言里条件语句一样，IF后面跟是条件（前件），THEN后面是结论（后件），条件与结论均能够经过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则了解非常简单：假如前提条件得到满足，就产生对应动作或结论。 汽轮机监测系统TSI第24页其它组成部分作用推理机针对当前问题条件或已知信息，重复匹配知识库中规则，取得新结论，以得到问题求解结果。人机界面是系统与用户进行交流时界面。综合数据库专门用于存放推理过程中所需原始数据、中间结果和最终止论，往往是作为暂时存放区。解释器能够依据用户提问，对结论、求解过程做出说明，因而使教授系统更含有些人情味。 知识获取是教授系统知识库是否优

13、越关键，也是教授系统设计“瓶颈”问题，经过知识获取，能够扩充和修改知识库中内容，也能够实现自动学习功效。汽轮机监测系统TSI第25页五、TSI产品美国本特利3300系列、3500系列、7200系列：成本低 。德国爱普MMS6000系列：监测模块为双通道，内含振动分析功效，瑞士韦伯VM600系列：全数字化TSI系统，只用一个模块MPC4即可，降低备件及维护量。德国飞利浦企业 RMS700系列 ABB TSI (用CMM模件组成)汽轮机监测系统TSI第26页ABB企业开发TSI 近年来，ABB企业开发了多功效四通道CMM状态监视模件，用它组成TSI汽轮机保护系统，统一集成在ABBSYMPHONY系

14、统中，去监测汽轮机轴系除转速外各项参数，如轴承振动、大轴振动、偏心、串轴、胀差和绝对膨胀，并输出报警和停机信号。汽轮机监测系统TSI第27页关于CMM模件CMM从其端子单元采集涡流传感器、加速度传感器、速度传感器、直流LVDT及声波传感器等工业标准传感器现场信号。经过滤波，判别和计算后，经过模件扩展总线与BRC控制器实现通讯，使机组相关状态参数送到统一数据库中，这么不但在DCS（或DEH）操作员站上可提供机组各种轴系参数，产生于与DCS时标同时报警清单，还可借助贮存在上级计算机中振动分析软件和教授系统生成各种振动分析报表，并完成汽轮机故障诊疗，在指导机组安全可靠运行同时，预测机组健康情况，为状

15、态检修作准备。汽轮机监测系统TSI第28页3 传感器系统 TSI系统主要由传感器及智能板件组成。传感器是将机械振动量、位移、转速转换为电量机电转换装置。各种智能测量板件接收对应传感器电量信号后进行整形、计算、逻辑处理等以后，显示出准确、直观监测数据和报警指示。输出标准模拟量信号和继电器接点。汽轮机监测系统TSI第29页传感器种类电涡流传感器，对汽轮机组转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量；速度传感器对盖振进行测量；线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量；差动式磁感应传感器来测量机组转速。汽轮机监测系统TSI第30页一、涡流传感器电涡流传感器是经过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间

16、间隙改变来测物体振动相对位移量和静位移，它与被测物之间没有直接机械接触，含有很宽使用频率范围（从010Hz）。汽轮机监测系统TSI第31页电涡流式传感器原理 它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理以下列图示。 这是一个建立在涡流效应原理上传感器。汽轮机监测系统TSI第32页1.结构原理与特征 如左图，当经过金属体磁通改变时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合，这就是所谓电涡流。电涡流产生必定要消耗一部分能量，从而使产生磁场线圈阻抗发生改变，这一物理现象称为涡流效应。依据阻抗改变即可测量被测参数。汽轮机监测系统TSI第3

17、3页 普通讲，线圈阻抗改变与导体电导率、磁导率、几何形状，线圈几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间距离相关。假如控制上述参数中一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个改变参数单值函数。如其它参数不变，阻抗改变就能够反应线圈到被测金属导体间距离大小改变。 汽轮机监测系统TSI第34页2.电涡流式传感器复阻抗利用涡流效应原理制造传感器。等效电阻R等效电感L原理图等效电路等效阻抗距离 互感 M 汽轮机监测系统TSI第35页 我们能够把被测导体上形成电涡流等效成一个短路环，这么就可得到如图5-16等效电路。图中R1、L1为传感器线圈电阻和电感。短路环能够认为是一匝短路线圈，其电阻为R2

18、、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距减小而增大。依据等效电路可列出电路方程组： 汽轮机监测系统TSI第36页经过解方程组，可得I1、I2。所以传感器线圈复阻抗为： 线圈等效电感为 ： （5-12）（5-13） 由式（5-12）和（5-13）能够看出，线圈与金属导体系统阻抗、电感都是该系统互感平方函数。而互感是随线圈与金属导体间距离改变而改变。 汽轮机监测系统TSI第37页3、电涡流传感器类型高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器汽轮机监测系统TSI第38页（1） 高频反射式电涡流传感器金属物体 高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体之间磁性耦合程度改变测量距离。

19、 金属物体电导率越高，测量灵敏度越高。线圈框架框架衬套固定螺母电缆汽轮机监测系统TSI第39页a.高频反射式电涡流传感器结构 由一个固定在框架上扁平线圈组成。汽轮机监测系统TSI第40页 为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型被测体则要求被测体半径应大于线圈半径1.8倍，不然灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径3.5倍以上，灵敏度才不受影响。b、高频反射式电涡流传感器原理 电涡流传感器线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度改变来进行测量。所以，被测物体物理性质，以及它尺寸和开关都与总测量装置特征相关。普通来说，被测物电导率越高，传感器灵敏度也

20、越高。汽轮机监测系统TSI第41页c.高频反射式电涡流传感器应用(测距离） 这种传感器结构很简单，主要由一个固定在框架上扁平线圈组成。线圈能够粘贴在框架端部，也能够绕在框架端部槽内。下列图为某种型号高频反射式电涡流传感器。汽轮机监测系统TSI第42页（2） 低频透射式电涡流传感器（测厚度）接收线圈发射线圈涡流及磁场 金属板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈感应电压u2 越小。发射线圈电源频率取1kHz左右。发射磁场接收侧磁场汽轮机监测系统TSI第43页4、 电涡流式传感器应用（a）测量位移被测零件涡流传感器被测零件涡流传感器动态位移测量汽轮机监测系统TSI第44页4、电涡流式传感器应用（b）测量振

21、动涡流传感器机械轴振形图测量机械轴汽轮机监测系统TSI第45页（c）测量转速被测零件涡流传感器被测零件涡流传感器 设测出脉冲频率为f（Hz），被测零件齿数为N，则轴转速为：（转/分）汽轮机监测系统TSI第46页（d）测量厚度涡流传感器1涡流传感器2测出距离x1测出距离x2预置距离D汽轮机监测系统TSI第47页（e）测量温度测出等效电感改变测出谐振频率改变温度改变 改变 电感改变 谐振频率改变 汽轮机监测系统TSI第48页 . 零件计数 （f）其它测量汽轮机监测系统TSI第49页.连续油管椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle汽轮机监测系统TSI

22、第50页.无损探伤原理裂纹检测，缺点造成涡流改变。汽轮机监测系统TSI第51页汽轮机监测系统TSI第52页二、速度传感器它工作原理是基于一个惯性质量和移动壳体，传感器有一个永久磁铁，它被固定在传感器壳体上。汽轮机监测系统TSI第53页汽轮机监测系统TSI第54页速度传感器工作原理围绕着磁铁是一个惯性质量线圈，经过弹簧连在壳体上。测量时，将传感器刚性固定在被测物体上，伴随被测物振动，磁铁运动，使其产生磁场运动。而线圈因固定在弹簧上，含有较大惯性质量，即相对高频振动物体，其是相对静止。这么，线圈在磁场中作直线运动，产生感应电动势，其大小与线圈运动线速度（即：机壳速度）成正比。经过对感应电动势检测，

23、即能取得被测物体线速度。汽轮机监测系统TSI第55页恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a） 动圈式； (b) 动铁式 磁通式磁电传感器（测振动）汽轮机监测系统TSI第56页 磁路系统产生恒定直流磁场，磁路中工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变。 其运动部件能够是线圈（动圈式），也能够是磁铁（动铁式），动圈式（图6-1（a）和动铁式（图6-1(b)）工作原理是完全相同。 当壳体随被测振动体一起振动时，因为弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间相对运动

24、速度靠近于振动体振动速度，磁铁与线圈相对运动切割磁力线，从而产生感应电势.汽轮机监测系统TSI第57页 图6.2是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体角速度。（a)图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿凹凸引发磁路磁阻改变一次，磁通也就改变一次， 线圈中产生感应电势，其改变频率等于被测转速与测量齿轮上齿数乘积。1.永久磁铁 2.软铁 3.线圈 4.测量齿轮 5.被测旋转体图6. 2 变磁通式磁电传感器结构原理图 (a) 开磁路变磁通式磁电传感器（测速度）汽轮机监测系统TSI第58页三、LVDT传感器其工作原理是利用电磁感应中互

25、感现象，实质上就是一个变压器，如图所表示。汽轮机监测系统TSI第59页LVDT传感器原理变压器上初级线圈W和两个参数完全相同次级线圈W1，W2组成，线圈中心扦入圆柱形铁心，次级线圈W1和W2反极性串联，当初级线圈W加上交变电压时，次级W1和W2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心位置相关。汽轮机监测系统TSI第60页差动变压器工作原理当铁心位于正中，当铁心左移，E2增大原边副边1副边2*+-注意同名端当铁心右移，E2减小因两个副边反向串联原边副边1副边2铁心汽轮机监测系统TSI第61页四、差动式磁感应传感器差动式磁感应传感器工作原理是利用一个差动式敏感元件。该元件由一块永久性磁铁上两个相互

26、串联磁敏半导体电阻组成（这两个半导体材料及几何尺寸相同）。汽轮机监测系统TSI第62页汽轮机监测系统TSI第63页差动式磁感应传感器原理在传感器电路中，这两个电阻组成一个差动电感电桥（如惠斯顿电桥）。当磁铁或钢触发体靠近或远离传感器且相互成直角（即传感器探头表面磁铁所产生磁场与触发体边缘成直角）时，它干扰了传感器内部磁场，使差动电感电桥失去平衡而输出一电压。经过对这一电压测量，即能取得被测物（即触发体）与传感器探头间间隙改变。汽轮机监测系统TSI第64页磁电式振动传感器 磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象机械能转换成易于测量

27、电信号，是一个有源传感器。汽轮机监测系统TSI第65页磁电式振动传感器结构原理 图5-18 磁电式振动传感器结构原理图1-壳体 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片汽轮机监测系统TSI第66页基本工作原理：该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时永久磁铁、阻尼环和芯杆整体因为惯性而不随之振动，所以它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。 汽轮机监测系统TSI第67页汽轮机监

28、测系统TSI第68页振动监测 汽轮机监测系统TSI第69页压电式加速度传感器压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器原理是利用压电陶瓷或石英晶体压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上力也随之改变。当被测振动频率远低于加速度计固有频率时，则力改变与被测加速度成正比。压电式加速度传感器含有高频响应以及动态响应特征好特点。汽轮机监测系统TSI第70页压电式加速度传感器基座基座压电片质量块m压簧壳体汽轮机监测系统TSI第71页压阻式加速度传感器基于世界领先MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器含有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛

29、应用于汽车碰撞试验、测试仪器、设备振动监测等领域。汽轮机监测系统TSI第72页电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑质量块, 此质量块两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度位移。此位移使两电容间隙发生改变, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反增量, 此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器主要特点是频率响应快和量程范围大, 大

30、多采取空气或其它气体作阻尼物质。汽轮机监测系统TSI第73页汽轮机监测系统TSI第74页4 测点及传感器安装位置1. 转速及零转速检测与超速保护2. 轴振动与轴承振动（盖或瓦振）3. 偏心4. 轴位移5.热膨胀与胀差6. 相位汽轮机监测系统TSI第75页1. 转速及零转速检测与超速保护转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时主要参数。转速测量范围：05000rpm；转速报警值：3240rpm。零转速是预先设定轴旋转速度，当运行机器需停车时，机器转速到达零转速设置点，继电器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴连续慢速旋转，来预防轴产生弯曲，以防止在接踵而来开车中因为轴弯曲对机器造成损坏。零转速设定

31、值：小于4rpm；汽轮机监测系统TSI第76页测量装置由两只装于前箱正对60（或134）齿盘传感器和板件组成，如上图所表示当机器旋转时，齿盘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。汽轮机监测系统TSI第77页超速保护应含有快速响应和错误冗余表决逻辑，所以测量装置采取“三取二”方式，如上图所表示。由三只装于前箱、正对于60齿盘涡流传感器和三块转速表组成，设定值为3300rpm。汽轮机监测系统TSI第78页测量轴振时，经常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，2. 轴振动与轴承振动（盖或瓦振）汽轮机监测系统TSI第79页利用速度传感器测量机壳相对于自由空间运动速度，板件把从传感器来速度信号