TSI、ETS培训教材(终)

1、 东方电气自动控制工程有限公司培训教材汽轮机安全监视及保护系统Turbine Supervisory Instrument System AndTurbine Emergency Trip System第 一 版中国东方电气集团东方电气自动控制工程有限公司内 容 提 要本教材是针对我公司生产的汽轮机安全监视及保护系统的培训而编写的，基本原理可用于135MW、200MW、300MW、600MW等机组，但各测点的测量范围、报警值、停机值以及TSI测点图，各型机组都有差异，具体内容在培训时由专业技术人员进行讲解。详细内容可参阅“汽轮机启动运行说明书”。本教材着重介绍安全监视及保护系统的原理、系统构成

2、、功能、安装和调试等。本书适用于电厂运行、维修人员学习使用，也适用于我公司经营、服务、管理、生产人员学习使用。主 编：陈广斌 主 审：尚小林 徐正华责任校对：王 炜 责任编辑：秦 晴前 言由于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，否则它的事故将给电网造成巨大的损失。因此，目前很多公司都在积极开发可靠性更高、操作更简便、更能适应DCS的发展需要的安全监视及保护系统。东方电气自控公司（原东方汽轮机厂自控开发处）为适应大机组提高自动化水平的迫切要求，从上个世纪八十年代起就在借鉴国外先进系统的基础上设计生产了安全监视及保护系统

3、，至今已有百余台投入商业运行，用户反映良好。为了给安装、检修及运行人员提供安全监视及保护系统的基础知识，特编写此教材。本教材仅供培训用，不能代替相关技术资料及图纸。编 者二00二年十二月目 录概 述1第一章 TSI介绍3第二章 ETS介绍22第三章 TSI现场安装及调试25第四章 ETS现场安装及调试30第五章 传感器现场安装注意事项31概 述汽轮机安全监视及保护系统主要包括监视保护系统（TSI）、危急遮断系统（ETS）装置、自动盘车操作装置。为了让电厂热工人员更深入的了解各装置的具体情况，首先必须知道我公司安全监视保护部分各图纸构成情况，以便于同设计院的图纸进行比对。下面列出各图纸的名称供参

4、考。汽轮机安全监视装置汽轮机危急遮断跳闸装置自动盘车操作装置汽轮机电气监视保护系统图汽轮机电气监视保护系统图（轴系）汽轮机电气监视保护系统图（油压真空）汽轮机电气监视保护系统图（温度）汽轮机电气监视保护系统图（辅机）汽轮机电气监视保护系统图（ETS）用户电器接口图在以上列出的装置图纸中，已对机柜的数量、外形尺寸和安装尺寸、输入/输出端子排情况、详细的配置要求等都进行注明；在电气监视系统图中列出了主机、辅机、自控等专业的电气控制具体要求、逻辑关系和信号去向；在用户电器接口图中列出了就地各接线盒的位置及电气监视各系统中相关设备的接口参数、接线方式。而设计院是根据以上所列各图进行相应图纸的转化。对T

5、SI装置、ETS装置及自动盘车控制柜，在我公司安装接线完毕后要进行严格地通电测试及功能检测，并把具体的数据填入相应的出厂证明书中，经质检合格后才能发往现场。现场安装时可根据我公司出厂证明书对板件、传感器编号进行核对，并根据编号和参数进行对应安装。第一章 TSI介绍1.1 TSI的使用目的由于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，否则它的事故将给电网造成巨大的损失，因此，在大型机组中，监测和保护系统（TSI和ETS）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

6、运行提供了可靠的保证。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，分析可能的机器故障，帮助提出机器预测维修方案，预测维修信息能推测出旋转机械的维修需要，使机器维修更有计划性，减少维修时间，其结果是减少了维修费用，提高了汽轮机组的可用率。1.2 TSI的主要原理及功能因为TSI系统主要由传感器及智能板件组成。首先应该知道传感器是将机械振动量、位移

7、、转速转换为电量的机电转换装置。根据传感器的性能和测试对象的要求，利用电涡流传感器，对汽轮机组（纯电调）的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量，如BN公司的8mm、11mm、25mm、50mm传感器，epro公司的PR6423、PR6424、PR6426传感器；利用速度传感器对盖振进行测量，如BN公司9200传感器，epro公司PR9268传感器；利用线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量，如国产TD-2传感器，epro公司PR6320传感器。另外，还可利用差动式磁感应传感器来测量机组的转速，如epro公司的PR9376传感器。1.2.1 电涡流传感器电涡流传感器是通过传感器端部线

8、圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从010Hz）。电涡流传感器的变换原理简要介绍如下：在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz2MHz）的交变电压（见图1-1），当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流ie，而ie所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。而耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数K1与距离d有关，K= K1（d），当距离d增加，耦合减弱，K

9、值减小，使等效电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间接测定d的变化。图1-1 涡流传感器原理简图由于传感器反馈回的电感电压是有一定频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能得到间隙随时间变化的电压波形。即根据以上原理所述，为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量路线。这一测量路线（称之为前置器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。涡流传感器加上一测量线路（前置器），如框图1-2所示：从前置器输出的电压Vd是正比于间隙d的电压，它可分两部分：一为直流电压Vde，对应于平均间隙（或初始间隙），一为交流电压Vac，对应于振动间隙。图1-2 前置器原理简图1.2.2 速度传感器 它

10、的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，围绕着磁铁是一个惯性质量线圈，通过弹簧连在壳体上。测量时，将传感器刚性固定在被测物体上，随着被测物振动，磁铁运动，使其产生磁场运动。而线圈因固定在弹簧上，具有较大的惯性质量，即相对高频振动的物体，其是相对静止的。这样，线圈在磁场中作直线运动，产生感应电动势，其大小与线圈运动的线速度（即：机壳的速度）成正比。通过对感应电动势的检测，即能获得被测物体的线速度。如图1-3所示。图1-3 速度传感器简图1.2.3 LVDT传感器其工作原理是利用电磁感应中的互感现象，实质上就是一个变压器，如图1-4所示。变压器上初级线

11、圈W和两个参数完全相同的次级线圈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，其大小与铁心位置有关。图1-4 LVDT原理简图1.2.4 差动式磁感应传感器差动式磁感应传感器的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的两个相互串联的磁敏半导体电阻组成（这两个半导体的材料及几何尺寸相同）。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）。当磁铁或钢的触发体接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的磁场与触发体边沿成直角）时，它干扰了传感器内部的磁场，使差动

12、电感电桥失去平衡而输出一电压。通过对这一电压测量，即能获得被测物（即触发体）与传感器探头间的间隙变化。在TSI测量实际应用中，我们一般用该磁感应传感器测量机组转速，就是通过测量探头与测速齿盘轮间的高、低电压变化所形成脉冲信号的数量，来得到实际转速值。1.2.5 智能板件各种测量板件接受相应传感器的电量信号后进行整形、计算、逻辑处理等以后，显示出精确、直观的监测数据和报警指示。输出标准的模拟量信号和继电器接点。智能板件可对传感器联线和自身的运行情况进行检测，具有计算机通讯接口，可对测量范围和逻辑输出进行组态，具有缓冲传感器信号输出等功能。对于重要的测量可进行冗余的配置，增强了可靠性。1.3 测点

13、及传感器安装位置介绍根据纯电调各机组的具体情况，测点配置及传感器安装位置见图1-5图1-8所示，下面就各测点进行详细说明。图1-5 135MW汽轮机TSI测点图图1-6 200MW汽轮机TSI测点图图1-7 300MW汽轮机TSI测点图图1-8 600MW汽轮机TSI测点图1.3.1转速及零转速机器转速的测量，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

14、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。测量链由两只装于前箱正对60（或134）齿盘的传感器和板件组成，如图1-9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：05000rpm；零转速设定值：小于4rpm；转速报警值：3240rpm。 脉冲频率(f) 转速 60(rpm) 齿数(z)图1-9 转速及零转速测量示意图1.3.2 超速保护对于蒸汽透平机组，超速是最危险的情况之一，

15、如不加以控制，会造成机组重大的事故，导致飞车的危险。最坏的超速情况之一是机组甩负荷时，造成转速飞升。机组甩负荷时转速飞升小于108额定转速，否则应自动打闸停机。根据美国石油学会标准API612要求，超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，因此本测量链采用“三取二”方式，如图1-10所示。由三只装于前箱、正对于60齿盘的涡流传感器和三块转速表组成，设定值为3300rpm。与转速测量同样的原理，转速值（脉冲频率/齿数）60。各机组超速的测量范围：05000rpm。图1-10 超速测量示意图1.3.3 轴振动对旋转机械来说，衡量其全面的机械情况，转子径向振动振幅，是一个最基本的指标，很多机械故障，

16、包括转子不平衡、不对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进行探测。转子是旋转机械的核心部件，旋转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，构成了转子支承系统。一般情况下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。因此轴颈的相对振动比之轴承座的振动有显著的差别。特别是当支撑系统（轴承座、箱体及基础等）的刚度相对来说比较硬时（或者说机械阻抗较大），轴振动可以比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大多数振动故障都直接与转子运动有关。因此从转子运动中去监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和有效。所以，目前轴振的测

17、量越来越重要，轴振动的测量对机器故障诊断是非常有用的。例如，根据振动学原理，由X、Y方向振动合成可得到轴心轨迹。在测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果是轴相对于轴承壳的振动。由于轴在垂直方向与水平方向并没有必然的内在联系，亦即在垂直方向（Y方向）的振动已经很大，而在水平方向（X方向）的振动却可能是正常的，因此，在垂直与水平方向各装一个探头。由于水平中分面对安装的影响，实际上两个探头安装保证相互垂直即可，如图1-11所示。当传感器端部与转轴表面间隙变化时的传感器输出一交流信号给板件，板件计算出间隙变化（即振动）峰-峰（P-P）值。机组轴振的测量范围：0400

18、m；报警值：125m；停机值：250m。图1-11 轴振测量示意图1.3.4 轴承振动（盖或瓦振）在轴振动的测量中已说明了大轴的振动可以传递到轴承壳上，利用速度传感器测量机壳相对于自由空间的运动速度，板件把从传感器来的速度信号进行检波和积分，变成位移值，并计算出相应的峰-峰值位置信号如图1-12所示。机组瓦振的测量范围：0100m。图1-12 盖振的测量示意图1.3.5 偏心转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动，然而一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏

19、心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与负方向的极值之差。偏心的测量可用来作为轴承磨损，以及预加负荷状态（如不对中）的一种指示；转子偏心（在低转速时的弯曲）测量是在启动或停机过程中，必不可少的测量项目，它可使你能够看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，如图1-14所示。一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调节电路上。键相探头观察轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，这个脉冲可用来控制计算峰-峰值。当然，键相信号也可用来指示振动的相位，如图1-13所示。当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就可找出不平衡质量的

20、位置，即转子高点的位置。这对轴的平衡是很重要的。机组偏心的测量范围：0100m。报警值：大于原始值的30m。图1-13 振动相位测量示意图图1-14 偏心测量示意图1.3.6 轴位移轴在运行中，由于各种因素，诸如载荷、温度等的变化会使轴在轴向有所移动。这样转子和定子之间有可能发生动静磨擦，所以需用传感器测量转子相对于定子轴向位置的变化，即：轴在轴向相对于止推轴承的间隙。由于所采用的监测器可能把传感器的失效作为轴向位移故障而发出报警信号，由此可能引起机组误停机。而根据API670标准要求，用两个探头同时探测一个对象，可以免发生误报警。但要求两个探头的安装位置离轴上止推法兰的距离应10000h可用

21、率99.9。2.2 工作原理2.2.1 ETS装置的双机PLC同时工作。从现场来的输入信号进入本装置后同时到A机和B机，经过内部逻辑自动处理后，给出相应的输出信号。以“汽机超速”为例，当电超速停机信号输入本装置后，同时进入A机和B机进行处理，同时输出停机信号。2.2.2 任一机A（B）发生故障时，都会给出本机的报警信号，同时自动切断本机的停机输出接点，而由另一机正常工作。双机工作停机逻辑见图2-1。 停机项A PLCA正常 A 停机A OR 停机停机项B PLCB正常 B 停机B 图2-1 双机工作原理图2.2.3 该ETS装置设有双路电源切换回路，在某一电源出现故障时，自动切换到另一电源回路

22、中继续工作，如果主副电源同时故障，则输出一交流电源失电报警信号。2.2.4 本装置严格按照用户要求的逻辑进行设计。2.2.5 本装置所有输入/输出及接线图和装置的控制逻辑图见相应的“汽轮机危急跳闸装置图”。2.3 功能2.3.1 上电合上主、副电源断路器，主、副电源指示灯亮，电压表显示正常。2.3.2 停机项：当有下列任一情况，PLC将送出停机信号，汽机将打闸停机。a) 汽机超速；b) 发电机跳闸；c) 锅炉主燃料跳闸；d) 轴向位移大；e) EH油压过低（三取二）；f) 凝汽器真空大（三取二）；g) 润滑油压过低（三取二）；h) 手动停机；i) DEH故障；j) 汽机轴承振动大；k) 轴瓦温

23、度高；l) 胀差超限；m) 备用（2路）。第三章 TSI现场安装及调试我公司生产的汽轮发电机组TSI主要采用了德国Epro公司的MMS6000系统或美国本特利公司的BN3500监视系统。整套装置的框架、板件被集成在标准机柜中。在出厂前已进行严格的通电测试，测试数据请见相应的“汽轮机安全监视装置出厂证明书”。经质量检测后，装箱发往电厂，现就现场安装及调试的有关事宜作如下说明：（具体的操作方法和操作步骤请参见相应的“汽轮机安全监视装置说明书”）3.1 开箱及验货装置发往现场后，根据相应装箱清单内容，应由电厂、安装公司、调试单位及本公司有关人员进行开箱及验货，验货时为避免静电损坏，严禁用手触摸模板上

24、元器件，如发现缺件及损坏应及时通知我公司有关部门。在装置安装前应以库存方式保管，防潮、防冲击。3.2 通电测试3.2.1 装置安装就位后，应由专业技术调试人员进行通电前检查，主要检查经过长途运输后有无机械损坏以及有无短路现相，尤其是印制电路板的插座柱针是否短路。3.2.2 经过机柜的通电前检查，一切正常后才可以通电。第一次通电前应把所有监视器板及电源板拨出，合上电源开关送电，检查两路220VAC10%电压和指示灯是否正常，并作两路电源切换试验，如无异常关断电源，进行下一步。3.2.3 按照相应的安全监视装置图示位置和名称，插上模件工作电源板，观察各指示灯是否正常，用万用表测量各电源板的输出是否

25、正常，端子编号请见相应的“汽轮机安全监视装置图”，如无异常关断电源进行下一步。3.2.4 按照相应的“汽轮机安全监视装置”图示位置和名称把各监测板插入到相应位置，检查电源指示和各板件面板指示是否正常，如无异常，关断电源，准备静态调试。3.3 静态调试各监测板和传感器的名称、用途及技术指标请参见相应的“汽轮机安全监视装置说明书”或随机英文资料。静态调试用设备：l 专用动态试验台l 静态位移试验台l 盖振试验台l 24VDC电源l 万用表l 信号发生器l 百分表l 千分表以上各设备中，专用动态试验台推荐设备型号：D78A-AS,可用于测量转速、零转速、超速、偏心、鉴相、轴振动。静态位移试验台推荐设

26、备型号：D78A-AS,可用于测量轴位移、胀差及涡流传感器的灵敏度。盖振试验台推荐型号：DF9282,可用于测量瓦振及校验速度传感器。3.3.1 转速、零转速及超速测试将转速、零转速和超速传感器装于转速动态试验装置上，间隙约0.81.0mm，再把各传感器接线至对应的端子上，用频率计验证转速值，用万用表测试相应转速值的420mA和010V的模拟输出及零转速、超速（三取二）继电器输出，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.2 轴位移测试将两个轴位移传感器装于位移试验台上，再把各传感器接线至相应的输入端子上，用百分表验证其位移值，用万用表测试相应位移值的420mA和010V模拟量输出及

27、报警、停机继电器输出，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.3 高、低压缸胀差测试将胀差传感器装于位移试验台上，再把各传感器接线至相应的输入端子上，用百分表验证其位移值，用万用表测试葙应位移值的420mA和010V模拟量输出及报警，停机继电器输出，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.4 偏心测试把偏心和鉴相传感器装于动态试验台测轴振及转速位置上，再把传感器接线至相应的端子上，用千分表验证其偏心率峰-峰值，用万用表测试相应偏心率的420mA和010V模拟量输出及报警、停机继电器输出，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.5 轴振动测试把轴振动传感器装于

28、动态试验台测轴振位置上，用千分表验证其轴振动态峰-峰值，用万用表测试相应振动值的420mA和010V模拟量输出及报警、停机继电器输出，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.6 热膨胀测试把热膨胀传感器接线至相应的端子上，用万用表测420mA和报警继电器输出，应与相应位移值一致，且监视表上数字指示和传感器上指针指示应一致，端子和继电器编号请参见相应的安全监视装置图。3.3.7 盖振测试用信号发生器的正弦波信号（mV）接入各通道板进行校验；如条件允许（有振动台），可进行整个测量链校验。以上各监测板静态调试完后，详细记录下各测量值，并与相应的 “安全监视装置出厂证明书”的数据进行比较，

29、误差应满足要求，此数据可为传感器实际安装和联动调试提供依据。3.4 传感器安装及联动调试在详细检查完现场接线盒与机柜之间连线确切无误后，就可进行传感器地安装及联动调试。3.4.1 传感器安装各传感器安装位置示意图，请参见图1-5图1-8。3.4.1.1 转速、零转速及超速应把各测速传感器，牢固装于测速传感器支架上，间隙约为0.81.0mm。3.4.1.2 轴向位移应把2只轴向位移探头，牢固装于轴位移支架上，当整个转子向电机方向推到推力盘紧贴工作瓦时，定测量零点，并将转子膨胀方向作为轴向位移正方向。3.4.1.3 胀差应把一只高压缸胀差探头牢固装于高压缸胀差传感器支架上，把另一只低压缸胀差探头牢

30、固装于低压缸胀差支架上。与轴位移一样，当整个转子向电机方向推到推力盘紧贴工作瓦面时定测量零点，并将转子膨胀方向作为胀差正方向。3.4.1.4 轴振动应把各轴振动探头（一般135MW机组为10个；200MW机组为16个；300MW机组为12个；600MW机组为16个），牢固装于各轴承座（一般轴系中，135MW机组为1#-5#轴承；200MW机组为1#-8#轴承；300MW机组为1#-6#轴承；600MW机组为1#-8#轴承）的轴振动支架M101.452Z上，零点应在前置器电压约-12VDC处。3.4.1.5 热膨胀在机组冷态时应把2只热膨胀传感器（如TD-2型传感器）牢固装于热膨胀支架上，零点应

31、为传感器上指针指示零位置。3.4.1.6 偏心把1只鉴相探头牢固装于键相支架上，间隙约为0.81.0mm；把一只偏心探头牢固装于偏心支架上，零点应在前置器电压为-12VDC处。3.4.2 联动调试当各探头准确可靠地装于支架上后，把各探头连线接到相应的接线盒内，接线盒内端子及前置器布置请参见“用户电气接口图”。然后，按3.3.23.3.7步骤对整个测试系统进行调试及校验，一切正常后，待投运。第四章 ETS现场安装及调试我公司生产的汽轮发电机组ETS装置，主要由Modicon公司的TSX系列和Simens公司的S7-300系列可编程控制器（PLC）组成，整套装置被集成为8008002200mm机柜，出厂前已进行了严格的通电逻辑测试，测试结果请见“危急跳闸装置出厂证明书”。经质量检测后，装箱发往电厂，现就现场安装及调试的有关事项做如下说明：（具体的操作方法和操作步骤请参见相应的“汽轮机危急跳闸装置说明书”）4.1 开箱及验货装置到现场后，应由相关电厂、安装公司、调试单位及我公司有关人员进行开箱验货，如发现缺件及损坏应