第10章 汽轮机的安全监视系统(贺3万字)

第十章汽轮机的安全监视系统第一节汽轮机安全监视系统概述一、汽轮机安全监视系统的意义和内容二、汽轮机安全监视系统的组成及原理三、汽轮机安全监视系统的布置四、汽轮机安全监视系统的应用与发展第二节汽轮机安全监视系统的传感器一、传感器概述二、电涡流式位移传感器三、磁电式速度传感器四、压电式加速度传感器五、复合式振动传感器六、线性差动变压器式传感器七、转速测量传感器八、键相器第三节本特利3500监视系统一、3500监视系统的主要功能二、电源模块3500/15三、转速监视模块3500/50四、位移监视模块3500/40五、胀差监视模块3500/45六、键相器模块3500/25七、超速保护模块3500/53第十章汽轮机的安全监视系统（TSI）第一节汽轮机安全监视系统概述一、汽轮机安全监视的意义和内容现代汽轮机是一种在高温、高压和高转速条件下工作的大型精密机器，随着机组容量的不断增大，蒸汽参数越来越高，热力系统越来越复杂，人们对机组安全运行的要求也不断提高。为了确保汽轮机组的安全运行，目前在汽轮机组上都装有各种类型的安全保护装置，用来对各种重要参数进行监视和保护。为了提高机组的热经济性，大型汽轮机的级间间隙、轴封间隙选择的都比较小。在启、停和运行过程中，如果操作、控制不当，很容易造成汽轮机动静部件互相摩擦，引起叶片损坏、主轴弯曲、推力瓦烧毁甚至飞车等严重事故。为保证汽轮机组安全、经济运行，必须对汽轮机及其辅助设备、系统的重要参数进行实时的长期监视。当参数越限时，发出报警信号；当参数超过极限值危及机组安全时，发出紧急停机信号，保护装置动作，关闭主汽门，实现紧急停机。汽轮机安全监视系统也简称为TSI（TurbineSupervisoryInstrumentation），就是这样一种集监测和保护功能于一体的长期监视保护系统。汽轮机运行状态监视的内容很多，且随机组不一而各有差异，一般对主机的安全监视项目有：（1）转速监视连续监测转子的转速，当转速高于设定值时给出报警信号或者停机信号。（2）零转速监视触发自动盘车的机组零转速监视。连续监测转子的零转速状态，当转速低于设定值时，报警继电器动作投入盘车装置。（3）轴向位移监视连续监视推力盘到推力轴承的相对位置，以保护转子与静子部件之间不发生摩擦，当轴向位移过大时发出报警或者停机信号。（4）轴弯曲（偏心度）监视用于监视转子偏心度和峰—峰值和瞬时值。当汽轮机转速低于600rpm时，转子每转动一圈测量一次偏心度峰-峰值，避免转子偏心度过大。（5）缸胀监视连续监测汽缸相对于基础上一基准点（一般为滑销系统的绝对死点）的膨胀量，通常采用线性差动位移传感器（LVDT）进行测量。（6）差胀监视连续监测转子相对于汽缸上一基准点（一般为推力轴承）的膨胀量，通常采用电涡流传感器进行测量。（7）机组振动监视监视转子相对于轴承座的相对振动，监视轴承座的绝对振动，通常采用电涡流传感器和速度传感器进行测量。（8）相位监视连续监测机组振动信号的相位情况，信号取自键相信号和任一测点的轴相对振动信号。在上述安全监视项目中，还可以分成监视和保护两大类。在监视项目中，只对被监视的参数进行连续、准确、有效的监视，当被监视的参数超标时，发出声光报警、提醒操作人员注意，并采取及时的措施予以纠正。在保护项目中，当被监视的参数超标、达到机组的遮断水平时，保护装置应能准确、可靠和及时地动作，自动进行机组的控制或停机，确保机组的安全。二、汽轮机安全监视系统的组成及原理无论是进口的TSI还是国产的TSI，是分立器件组成的TSI还是由集成电路组成的TSI，从结构与原理上来说都是大同小异。图10-1为我国引进美国本特利内华达公司（BentlyNevada）生产的汽轮机安全监视系统TSI。图10-1350MW汽轮机的安全监视系统图1．系统的组成该系统主要由三大部分组成：（1）测量元件及其放大器。统称变送器，包括用于测量各种被测参数的传感器和相应的前置放大器，它们分别布置在各监测点附近。（2）机箱。布置在集控室内。机箱内装有电源和各有关监视器，分别对来自传感器和前置放大器的信号进行处理，给出各监视参数的指示值和记录信号，并在监视参数超标时发出报警信号，以引起操作人员注意或触发自动遮断机组。（3）TSI报警信号板。当参数处于报警和遮断水平时，运行人员可从该依赖板上迅速获得故障类型和故障部位的信息，该板要求布置在集控室内的醒目处。该系统的监视参数有：转速监视、零转速监视、轴向位移监视、轴弯曲（偏心度）监视、缸胀监视、差胀监视、机组振动监视、相位监视等。2.TSI的工作原理无论哪一种TSI监视系统，从其结构原理看，均可简化由图10-2所示的系统组成。图10-2汽轮机安全监视系统的工作原理图（1）传感器。即常称的测量元件，其作用是将被测对象的诸如转速、轴向位移、膨胀、偏心和振动等实际物理量，经测量后转换成电气参数，如阻抗、频率、电感和品质因素等。（2）前置器。它的作用是实现信号转换，故又称变送器，其任务是将上述电气参数转换成具有一定值的电压、电流、矩形波开方波信号送入信息处理器。它与传感器组成测量电路，由于被测对象处于如高温、高压、强磁场或电场干扰等恶劣环境，在布置上两者间往往有较大的距离，需要通过一定的电缆相连，因此，中间联线应有屏蔽隔离问题。前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络与输出放在器等组成。经这些处理后在输出端得到与被测对象和传感器间成比例的电压信号，一般情况下，要求该输出电压在DC-4~-20V范围内，具有良好的线性关系。（3）信息处理器。它是一些以微型处理器为核心的综合处理装置。通过各种模块软件，对被测参数进行标度变换，设置检测周期、报警和遮断值，报警优先，逻辑处理、系统自检和综合管理等，最后输出进入终端设备。（4）终端设备。它由显示器、记录仪、报警器和测试仪等组成。其任务是将处理后的直流电压信号，转换成与实际对象的物理量数值和单位一致信号，让运行人员直观地在显示器上观察；在记录仪上记录；在某物理量超标时，在报警器上发出声光报警；严重超标时，触发遮断机组等、确保机组的安全。三、汽轮机安全监视系统的布置图10-3为300MW汽轮机安全监视仪表的主要测点布置示意图。为了突出起见，图中的测点除了数量较大的、一般的温度和压力测点外，几乎涵盖了前面介绍的全部重要的安全监视项目，它比较明确和真实地反映了重要测点布置的部位。图10-3汽轮机安全监视仪表的主要测点布置示意图该系统配置的主要特点是：（1）系统组态比较先进和合理。整个TSI系统是一个微机系统，用安全锁和组态加密码的手段，可使系统组态不易被更改，保证运行的可靠；系统能按俦序列，实现第一报警功能；系统的选项设置齐全；可使日常维护工作全部通过计算机来完成，操作人员只需点击鼠标，便可完成全部维护工作。（2）系统功能齐全、工作可靠性高。功能齐全是多方面的，例如在整个系统中增设一台系统监视器，用以监视TSI系统的工作情况，它本身就是一个微机系统，兼具有上电抑制、自动报警或遮断、复位控制、显示供电电压是否正常、显示传感器回路工作是否正常、设定各监视器报警参数和提供键相信号等。系统内的各个监视器都是一个独立的子系统，不仅监视器的互换性好，减少备件，而且通过执行监视器的保护功能，使某个监视器发生故障时，其他的监视器仍可正常工作，提高系统的可靠性。（3）结构紧凑、布置合理。整个3500系统，框架尺寸较小，可容纳多种监视通道，可处理高达56个通道测点的振动数据。所选用的插板式组件，便于系统的维护和扩展等。（4）系统的适应性强。其表现是多方面的，如报警值是采用数字程序设定，易于调整，且重复性好，没有采用电位器设定时产生接触不良的情况，自检报警整定时，将储存器内存储的整定值调出显示即可。系统采用的编程跳线器，通过组态可在现场变换监视器的参数，如改变晓行夜宿器的作用、改变记录输出物范围、改变报警延迟时间等，使系统具有很大的灵活性。（5）系统兼容和可扩展性好。例如3500系统与本特利公司怕有的传感器都兼容；与其动态数据管理仪（DDM）连接时，也不需另计算机接口板，是一种较好的计算机监视和故障诊断的前端系统；监视器硬件采用模块化结构和插板式组件，便于调整、维修和扩展；系统软件和网络兼容并支持xWindos协议，便于操作人员的熟悉和掌握等。（6）系统具有较好的旁通和自检功能。例如“通道旁路”可使失效通道很快退出系统；“危险旁路”可在某一通道进行检修时，不会影响其他通道的正常工作，也不致因其他偶然因素而引起“危险”继电器的动作；系统的上电自检、周期性自检和用记请求自检等三种自检功能，对保证系统工作的可靠性，具有很重要的意义。四、汽轮机安全监视系统的应用与发展我国引进的汽轮机安全监视系统TSI，有美国本特利系统、德国飞利浦系列等多种产品。一般来说，用于测量机组参数的项目大致相同，只是在测量手段和相应系统构成方面有所区别。早期引进的TSI系统，采用较多的是本特利7200系列，后来被3300系列所取代，它们对汽轮机的监视功能还是一致的，区别主要在于7200系列是采用模拟电子电路和数字电路来实现系统要求的监视功能，而3300系统则是采用单片微处理机为基础的数字安全监视系统。而后进一步发展的本特利3500系统监视系统，除了继承3300系列装置的可靠性外，最突出的就是采用模块化结构，机组的日常维护工作全部通过计算机的组态完成，主要包括框架接口模块选项设置、键相器选项设置、监视器选项设置、通道选项设置、通信模块选项设置和报警设置点选项设置等，这些优化改进措施，不仅使维护工作量减少，系统可靠性高，而且使用更灵活，便于扩展。在国产化方面，上海发电设备成套设计研究所相继开发了8000系列和9000系列TSI系统。8000系列TSI的传感器和电气参数，与本特利7200系统相同且可互换，而机箱框架和各通道板则与飞利浦RMS700系统的结构相同也可互换，因此，8000系列的信号处理，基本上属于模拟电路系统。而9000系列的TSI系统，则前进了一步，采用了英特尔公司的单片机芯片，发展了以微处理机为基础的成套TSI系统。第二节汽轮机安全监视系统的传感器一、传感器概述传感器是汽轮机安全监视系统中的首要环节，如果没有传感器提供必要的运行信息,人们就发现不了机器所处的危险或者不经济运行的状态。同样，没有稳定可靠、精确灵敏的传感器就谈不上完成有效的监视和准确的诊断工作。传感器是一种获取信息的装置。其含义是:借助于检测元件接收一种形式变化的信息,并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息,可以为各种物理量、化学量和生物量,而转换后的信息也可以是多种形式,目前传感器转换的大多为电量信号。因而从狭义上讲,传感器的定义为：把外界输入的非电量信号转换成电量信号的装置。所以一般也称传感器为变换器、换能器和探测器,其输出的电量信号最终输送给后续配套的测量电路及终端装置,以便进行记录、显示或信号分析等。1.传感器的组成传感器一般由敏感器件及其辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心,它的作用是直接感受被测物理量,并将信号进行必要的转换输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件,它们是一些把敏感器件输出的量转换为电信号并为后续处理服务的装置。随着集成电路制造技术的发展,现在已经能把一些信号调理电路和传感器集成在一起,构成集成传感器。现代进一步的发展是将传感器和微处理器相结合,装在一个检测器中形成一种新型的智能传感器，它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力,甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。2.传感器的分类传感器的种类繁多,应用范围极其广泛。作为火力发电厂汽轮发电机组的运行状态监视，使用最多的传感器为振动测量传感器。在现代振动测量中所用的传感器已不是传统概念上独立的机械测量装置,而仅是整个测量系统中的一个环节,且与后续的电子线路紧密相关。一般说来,由传感器直接变换的电量许多并不能直接被后续的显示、记录或分析仪器所接受。因此针对不同变换原理的传感器,必须配以专门的测量电路。因此振动测量传感器按其功能一般有以下几种分类,如表10-1所