汽轮机保护及监测仪表系统

汽轮机保护及监测仪表系统汽轮机系统的热工保护㈠汽轮机本体机械参数监控㈡汽轮机防进水保护㈢汽轮机辅机保护㈣DEH的超速保护和危急遮断系统㈠汽轮机本体机械参数监控大型汽轮机的监视和保护项目很多，为了监视这些机械参数，通常配置了专用的汽机监视系统。如德国菲利浦公司RSM700系列，美国本特利内华达公司的TSI7200系列和3300系列。㈡汽轮机防进水保护⒈可能造成汽轮机进水的相关系统⒉防汽轮机进水的保护控制策略⑴主蒸汽管道和疏水系统。⑵再热蒸汽管道和疏水系统系统。⑶再热减温系统。⑷抽汽管道和疏水系统。⑸汽轮机汽封管道和疏水系统。⑹主蒸汽减温喷水系统。⑺汽轮机疏水系统。⑻给水加热器管道和疏水系统。仅从防汽轮机进水的操作控制角度简单介绍保护的控制策略。某厂一台300MW汽轮发电机组的防进水保护系统，利用DCS控制系统构成一个防进水控制管理模块。其控制策略是按机组启动加负荷过程、机组降负荷停机过程和异常工况3种情况，实现汽轮机防进水保护的各类疏水阀门的输出控制分解，将高压管系、低压管系、汽轮机本体和其他管系分解为8个输出控制类别，进行手动或自动成组开、关各类疏水阀门。主要的控制分类如下。⑴当负荷＜10%额定负荷时，自动打开高、低压组全部疏水阀门。⑵当负荷＞10%额定负荷而＜20%额定负荷时，自动关闭高压本体和高压管系全部疏水阀门；也可手动成组开或成组关高压组疏水门。⑶当负荷＞20%额定负荷时，自动关闭低压本体和低压管系全部疏水阀门；也可与高低压组选择键、本体组选择键、管系选择键相配合，实现手动成组开或成组关高压组本体、高压组管系、低压组本体或低压组管系的疏水门。⑷当汽轮机或发电机跳闸时，自动开高压组和低压组全部疏水阀门。⑸当EH油压低时，自动打开汽机本体疏水门。⑹当EH油压正常时，以脉冲信号一次性自动关闭汽机本体疏水阀门。⒊辅助系统监视与保护⑴推力瓦温度监视⑵辅助系统监视与保护⑶低真空保护润滑油温度通过调节冷油器的出口温度来维持正常运行值，而轴承的工作状况通过测量推力瓦块的温度来监视。对于轴承温度高监视保护，在不同的机组上采用不同的策略。例如有的机组上，在推力轴承回油温度高于65℃和支持轴承回油温度高于65℃时报警，两者均高于75℃时发出停机信息。⑵辅助系统监视与保护润滑油压力保护分两个阶段：首先，在运行中，当润滑油压力降低到规定值时，由油压联锁控制回路启动辅助油泵（交流油泵或直流油泵），以恢复润滑油压力；第二，如果润滑油压力下降到极限值时，低油压保护回路动作，迫使汽轮机主汽门关闭，停止汽轮机运行。⑶低真空保护一般情况下,300MW机组在额定负荷下运行时,真空不低于90KPa。若真空下降了4KPa，则发出报警信号；若继续下降，应启动备用循环水泵和备用抽汽泵；如果真空下降到86KPa以下，应采取减负荷措施。真空下降到73KPa时，负荷应降到零；真空下降到63KPa时，应关闭主汽门，立即停机。㈣DEH的超速保护和危急遮断系统⒈超速保护控制器（overspeedprotectioncontroller)

DEH具有电超速保护控制功能（OPC），OPC的功能主要是当汽轮发电机组甩负荷时，瞬时关闭高、中压阀门GV、IV，防止汽轮机超速脱扣，为汽机提高了动态超速保护手段。OPC系统由四部分组成，它的功能如下：⑴部分甩负荷时，中压调节阀快速关闭功能。⑵负荷下跌预测功能。⑷110%超速保护功能。⑶103%超速控制功能。⑴关闭中压调节阀——部分甩负荷功能快关中压调节阀（CIV）是为了改善电力系统稳定性而增设的一种保护措施。机组正常运行时，才迅速关小，以免因汽轮机机械功与电功率的不平衡引起功角增大，使电机失步，电力系统失稳。工作原理当发电机负荷下跌，汽轮机的功率在额定负荷的50%以上时，汽轮机的功率与发电机的功率的差超过30%时，控制保护逻辑使CIV的触发器置位，在0.15s内迅速关闭中压调节阀门。如果此时发电机励磁系统是闭合的,表明机组只是部分甩负荷,关中压调门使汽轮机功率下降,以适应外部负荷的下降,避免继续超速。在0.3～1s内，若汽轮机功率与发电机功率相等，则重新打开中压调节阀，若仍有变化，上述过程只能在10s后动作。⑵负荷下跌预测功能它是基于负荷大幅度下跌、励磁电路断开、机械功率仍保持在30%额定功率以上的的一种保护措施，目的是为了避免机组超速过大，引起危急遮断系统动作。此时，关闭高压和中压调节阀，机组自动转入速度控制方式。⑶机组超速控制功能此时，不论机组是转速控制还是负荷控制，只要转速超速超过103%n0，而且信号可靠时，超速控制器的逻辑系统都要输出控制信号，快速关闭高压和中压调节汽阀。⑷110%超速保护功能不论机组在何种方式下运行，只要转速超速超过110%n0，则关闭所有的调节汽门和主汽门。汽轮机危急遮断系统（EmregencyTripSystem),简称ETS，任务是用来监督对机组安全有重大影响的某些参数，以便在这些参数超过安全限值时，通过该系统去关闭汽轮机的全部进汽阀门，紧急停机。⒉汽轮机的电气危急遮断控制系统（汽轮机紧急跳闸保护系统）⑶轴承供油低油压和回油高油温保护：轴承供油油压低到34.47-48.26kPa和回油油温高到82.2℃时，遮断机组。⑴超速保护：转速达到110%n0时遮断机组。⑵轴向位移保护：以轴向位移的定位点3.56mm为基准,超过±1mm时，遮断机组。⑷轴承低油压保护：轴承供油油压低到9.31MPa时遮断机组。⑸凝汽器低真空保护:汽轮机的排汽压力高于20.33MPa

时遮断机组。ETS保护项目⒊机械超速危急遮断系统机械超速遮断系统是一个独立的系统，与常规液压调节系统中的超速保护基本相同，在机组超速时通过机械动作而实现停机。机械超速遮断系统，也可认为是更上一级的保护，即当OPC超速保护系统、电气超速遮断系统ETS均不起作用时，由机械超速遮断系统执行保护机组的任务。因此，它的动作转速，应整定得比电超速遮断的转速略高，一般为111%--112%n0。汽轮机监视仪表（TSI）五、汽轮机监视仪表（TSI）㈠概述㈡传感器㈢机组转速监控系统㈣汽轮机监视设备分系统试验方法汽轮机监测仪表系统TSI（TurbineSupervisoryInstrumentation)是一种可靠的连续监视汽轮发电机组转子和汽缸的机械工作参数的多路监控系统，可用于连续显示机组的启停和运行状态，为记录表提供输出信号，并在被测参数超出预置的运行极限时发出报警信号，必要时采取自动停机保护。此外，还能提供用于故障诊断的各种测量数据。⒈汽轮机主要监视项目⑵汽轮机转子轴向位移监视与保护。⑶转子与汽缸相互膨胀（胀差）监视与保护。⑷汽轮机热膨胀监视。⑸汽轮机振动监视。⑹主轴弯曲（偏心度）监视。轴向位移监视：连续监测推力盘到推力轴承的相对位置，测量的目的是为了保证转子与静止部件间不发生磨擦，以避免灾难性事故发生。(+1.2-2.0mm)胀差监视：汽轮机高、中、低压缸对应于滑销死点（汽轮机基础）的膨胀称为缸胀；转子与汽缸之间的相对膨胀差值称为胀差（或差胀）。若转子的膨胀量大于汽缸膨胀量，则胀差为正，反之，胀差为负。胀差一般用电涡流探头进行测量，也可用线性变量差动互感器（LVDT）进行测量；缸胀一般都采用线性变量差动互感器（LVDT）进行监测。零转速监视：连续监测转子的零转速状态。当转速低于某规定值时，报警继电器动作，以便投入盘车装置。转速监视：连续监测转子的转速状态。当转速高于整定值时，给出报警信号，或停机信号。振动监视：监测主轴相对于轴承座的相对振动和轴承座的绝对振动。偏心度监视（主轴弯曲）：连续监测偏心度的峰-峰值和瞬时值。在转速为1~600r/min时，主轴每转一圈测量一次偏心度峰-峰值，此值与键相器脉冲同步。当转速低于1r/min时，机组不再盘车而停机，这时瞬时偏心度仪表的读数应最小，这就是最佳转子停车位置。相位监视：采用相位计连续测量选定的输入振动信号的相位。输入信号取自键信号和相对振动信号，经转换后供显示或记录。阀位指示：连续指示阀门的动作位置。⒉各种TSI的比较我国目前电厂的TSI主要是引进美国本特利公司的7200系列、3300系列3500系列和西德飞利浦公司的RMS—700系列旋转机械监视保护系统。几种汽轮机监视仪表测量原理的比较名称美国本特利公司3300系列西德飞利浦公司RMS700系列轴向位移双通道电涡流轴向位移监测器，逻辑“或”报警；逻辑“与”停机单、双通道电涡流轴向位移监测器胀差电涡流传感器，也有用螺旋管式差动变压器（LDVT）作差胀传感器的电涡流式传感器，若监测范围要求大时，可用两个涡流探头相对布置，差动连接，以扩大线性范围缸胀螺旋式差动变压器（LDVT）名称美国本特利公司3300系列西德飞利浦公司RMS700系列转速电涡流式传感器，通过键相槽发脉冲，在600r/min时，供排汽汽缸喷水控制。另外，设有零转速监测供低速盘车磁敏差分原理，双通道转速继电器，一路监视零转速；另一路在转速＞600r/min时，记录仪由输入偏心度信号切换到输入转速信号偏心度采用电涡流式传感器和键相传感器测量主轴偏心度峰-峰值名称美国本特利公司3300系列西德飞利浦公司RMS700系列振动采用电涡流式传感器和速度传感器组合成的双探头径向振动传感器监视轴的绝对振动，也可监视轴的相对振动或轴承座的绝对振动。采用地震传感器测量轴承座的绝对振动，采用电涡流式传感器测量周与轴承座的相对振动。监测单元的基本组成与工作原理传感器前置器（信号放大器）信息处理器显示器LCDLCD测试仪记录仪报警器去数据管理系统TSI原理结构各组成部分的作用：传感器：将机械量转换成电参数（频率f、电感L品质因数Q、阻抗Z等；前置器（信号转换器）又称变送器：将电参数转换成一定大小的电压、电流、矩形波或方波信号送于信息处理器。它与传感器组成测量电路；前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线形网络及输出放大器等组成，检波器将高频信号调制成直流电压信号，此信号经低通滤波器将高频的残余波除去，再经直流放大器、线性补偿电路和输出放大处理后，在输出端得到与被测物体和传感器之间的实际距离成比例的信号。信号转换器的额定输出电压为-4~-20V（线性区）。㈡传感器在旋转机械测试装置中，7200系列常用的传感器有：电涡流式转速传感器，惯性式速度传感器，压电式加速度传感器。而缸胀传感器采用的是线性变压器（LVDT）。1、电涡流传感器电涡流传感器是利用高频电磁场与被测物体间的涡流效应原理而制成的一种非接触式监测仪表.电涡流式仪表的组成探头监视器前置器稳压电源延伸电缆长4米屏蔽电缆200米被测金属当头部线圈通上高频（1~2MHz）电流i时，线圈周围产生高频磁场。如果线圈附近有一金属板，金属板内就要产生感应电流ie。这种电流在金属板内是闭合的，所以叫做涡流，如图所示。工作原理.μ.ρieHe(φe)He(φi)id金属体金属板根据焦耳—楞次定律，电涡流产生的电磁场与感应线圈的电磁场方向相反，这两个磁场相互叠加，改变了线圈的电感L。电感的变化程度与金属导体的电阻率ρ、导磁率μ、激励电流强度i、频率f、线圈的几何形状r以及线圈与金属导体之间的距离d有关。线圈的电感可用如下函数式表示

L=F（ρ、μ、i、f、r、d）。当被测对象的材料一定时，ρ、μ为常数，仪表中的i、f、r也为定值，于是L就成为d的单值函数。假如把传感器与被测物体的距离d保持不变，则传感器的输出值将与被测体材料的电阻率、导磁率成函数关系，利用这个关系可以用来测量金属材料的导电率、导磁率、硬度等参数，以及检测裂纹。2、线性变量差动传互感器震荡器解调器L0L1L2铁芯输出信号-24VDCLVDT工作原理及结构示意图

LVDT线性差动变压器由三个线圈组成：L0是激磁绕组，由震荡器供交流电源；L1、L2是输出绕组，以反相差动方式连接，其输出值的大小决定于铁芯的位置。输出的交变信号经解调器检波后，变成直流电压信号。工作原理测量缸胀时，LVDT（LinearVariableDifferentionalTransformers）的外壳固定在基础上，铁芯与汽缸相连，当芯杆的零点和壳体的零点重合时，输出电压为零。当铁芯在中间位置时，输出信号为零，当铁芯左右移动时，输出信号经解调为正、负直流电压信号，并与铁芯位移具有线性关系。3、速度传感器

PR9266传感器由外壳、测量线圈、附加阻尼线圈、阻尼筒、上下弹簧片以及上下限位器等组成。右图是PR9266传感器的剖面图。速度传感器属于接触式传感器，用来测量轴承座、机壳或基础的振动。工作原理速度传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出。速度传感器的力学模型可以用一个由集中质量、集中弹簧、集中阻尼组成的二阶系统来表示。mxm134x0振动系统模型1-质量块；2-弹簧3-磁钢；4-阻尼器。质量块1通过弹簧2和阻尼器3装在传感器的基坐上。测振时传感器的基座随外界被测物体而振动，此时质量块m就与基座产生相对运动。其相对运动的速度等于物体的振动速度。线圈以相对速度切割磁力线，传感器就有正比于振动速度的电动势输出，所以，这类传感器称为速度传感器。2为了消除小质量块（支持线圈的小质量块由弹簧片悬吊着）自由振动的影响以及改善传感器的低频特性，在小质量块上附加有阻尼线圈和阻尼筒。此外阻尼线圈还可以通入直流电流（传感器用于垂直位置时），给小质量块以提升力，用来平衡小质量块的重力，使弹簧系统回到原设定的机械零位，改善振动特性和防止负载变化的影响。阻尼线圈和阻尼器的作用4、磁阻发讯器（测速传感器）N-S测速齿盘软铁芯线圈~输出测速装置磁阻发讯器磁阻发讯器是用来将被测转速信号转换为相应频率信号的测量元件。发讯器由测速齿盘和测速头两部分组成。测速齿盘装在汽轮机轴上，测速头固定在齿盘的齿顶之间留有1mm间隙。当齿盘随主轴转动时，铁芯与齿盘的的间隙不断变化，每经过一齿，气隙磁阻变化一次，磁路中的磁通量也随之变化，套在铁芯上的线圈就感应出一个交变电动势波形，此感应电动势即为测速头的输出信号。设齿盘齿数Z1，汽轮机轴的转速为nr/min，则输出信号的频率为：Hz当齿数Z1一定时，频率f与汽轮机轴的转速为n成正比。一般取Z1=60，所以f=n。即测速头每秒钟输出信号的频率在数值上等于汽轮机每分钟的转速，因此可以方便地将f作为转速n的信号。由此可知，传感器输出的电脉冲频率f与汽轮机轴的转速为n成正比。因此只要测得频率f，就可以得到被测转速n。目前对电脉冲频率f的测量一般采用数字频率计。数字频率计的测量原理一般为计数法测频率，即测定在预定的标准时基内进入计数器的待测信号脉冲的个数，从而求得转速。5、加速度传感器加速度传感器是利用压电材料（如石英、陶瓷等）的压电特性，当有外力作用在这些材料上时便产生电荷。根据牛顿定律F=ma，施加在压电晶片上的作用力F与质量块的质量m和振动加速度a成正比。而压电晶体片输出电荷与作用在晶体片上的力成正比，当m一定时，传感器输出电荷与振动加速度成正比，所以称它为加速度传感器。6、复合式探头传感器目前机组的振动已从监视轴承发展到直接监视轴承相对于自由空间的振动（即轴的绝对振动）。7200系列双探头测振原理前置器

V-D转换器合成器主轴绝对振动信号速度传感器电涡流传感器轴监视器复合式振动传感器示意tV该系统采用电涡流传感器测量主轴相对于轴承座的振动，即主轴的相对振动而速度传感器则用于测量轴承座的绝对振动。速度传感器输出的速度信号经V-D转换器转换，变为绝对振动的信号，与电涡流传感器输出的相对振动信号一起输入合成器内进行矢量相加，然后输出主轴的绝对振动信号。主轴的绝对振动测量是根据相对运动的原理实现的。用双探头测振的显著特点是：

能够比较全面地反映汽轮机轴的振动情况。7、键相器相位是描述转子在某一瞬间所在位置的一个物理量，测量相角的最准确可靠的方法是利用一个键相器（标准脉冲法）。使用一个非接触式电涡流探头或一个光电探测器，就能得到这一键相器。所谓键相器，即为在轴上开一个键槽，或在轴上装一个键，即凸出一块。用一个普通测振探头，对准键槽或凸台，轴每转一周，涡流传感器便输出一个负或正脉冲信号。键相器的输出是振动输入信号的转速分量，用图（b）的正弦曲线表示。相位角φ定义为从同步信号（键相脉冲）前缘到正弦曲线正蜂值（高点）间的角度。φ高点振动信号同步分量5V-15V0°基准转子振动高点振动探头键相器探头键相信号振动信号相对于同步脉冲的相位图（a）（b）键相器的另一种功能是测量转轴中心线的涡动方向，或转轴的涡动方向。如果转轴中心线的涡动方向，与转轴旋转方向相同，就称为向前涡动。反之就称为向后涡动。虽然大多数机器都出现向前涡动的动态运动，例如由于不平衡或油膜引起的涡动；但是某些机械故障亦会发生向后涡动的现象，例如动静部件的磨擦。1、汽轮机轴向位移监测2、汽轮机热膨胀监视（缸胀、胀差）3、汽轮机转速、零转速监视4、汽轮机偏心监视(主轴弯曲）5、汽轮机振动监视㈢汽轮机轴系各参数监测6、汽轮机转子相位监视（键相器）汽轮机TSI热工监测控制系统㈢机组转速监控系统1、7200系列的转速测量装置2、7200系列的零转速监视器3、RMS700系列轴向位移测量系统监视器1、7200系列的转速测量装置7200系列的转速测量装置通过电涡流传感器和前置器将转速的模拟信号转换成数字信号，并由面板上的5位数码管显示转速。2、7200系列的零转速监视器7200系列的零转速监视器是由两个独立的电涡流传感器和前置器组成的，每个传感器产生一个脉冲。然后，监视器测量出两个传感器输出脉冲之间的时间间隔。当该时间间隔超过设定极限时，通过报警回路点亮零转速指示灯，并驱动报警继电器，于是两个传感器通道的输出触点相互串联，作为机组自动盘车装置控制投入的信号。3、RMS700系列轴向位移测量系统监视器（目前常用的汽轮机轴向位移测量方法）汽轮机轴向位移测量，是在汽轮机的轴上做出一个凸缘，把传感器放在凸缘的正前方约2mm处。一般是利用推力轴承作为测量的凸缘，所测位移又和推力的大小有内在联系，即可用位移来说明推力情况，所测出的位移基本上是稳定的。整个测量系统由传感器、信号转换器和位移监视器组成。㈣汽轮机监视设备分系统试验方法1、转速监视设备试验⑴试验室校验⑵现场校验使用专用校验台（对比法）：

无专用校验台：可用直流电动机带动一个60齿的轮子进行，并用比较法校验。将PR9376转速传感器安装于转速实验台上，将RSM010和RSM020转速监测表，RSM050双通道转速监测组件插在专用校验箱上，并用对比法进行校验，要求记录PR9376输出脉冲的电压幅值、波形、频率，RSM010输出电压、电流、脉冲频率，以及RSM020每个通道的报警值，并试验RSM050的各项功能。使用专用校验台（对比法）：

⑵现场校验安装工作全部结束时，通电1h，可进行现场校验。校验时，可用调试箱或信号发生器加脉冲信号的方法。将现场校验结果与实验室结果对照，也可在探头未安装前，用转速校验器代替汽轮机进行系统试验。

2、振动监视设备试验⑴试验室校验⑵现场校验振动传感器可在振动台上进行比较试验，若无专用台，可送专门校验机构校验。对于7