摘 要：本文介绍和分析了美国本特利公司生产的3300和3500振动监测装置，对300MW和600MW汽轮机组轴系检测系统中（TSI）的应用及故障进行了分析。
关键词：胀差；轴向位移；振动；TSI
中图分类号：TM6；F224 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0126-04
Abstract：This paper introduces and analyzes the 3300 and 3500 vibration monitoring devices produced by the Bentley Company in the United States，and analysis the application and failure of turbogenerator shafting system（TSI）in the 300MW and 600MW.
Keywords：differential expansion；axial displacement；vibration；TSI
0 引 言
本文论述了TSI系统在西柏坡电厂的应用，并就运行中遇到的故障进行了具体分析，同时对带有停机保护的轴向位移、高压缸胀差、低压缸胀差、振动监测等进行了介绍分析，以便根据故障分析经验为同类型的机组类似故障起到一定的借鉴作用。
随着电力工业的迅速发展，大容量、高参数机组在电网中已成为主力机组，任何因故障酿成的停机事故都会造成重大的经济损失和社会后果。为了确保汽轮发电机组的安全经济运行，在机组上装设了各种安全监测和保护装置。其中汽轮机轴系监测系统TSI装置是一套监测功能齐全、监测手段先进、监测参数准确可靠的安全监视和保护装置。它采用先进的测量方法和计算机技术，连续地监测汽轮机的振动、轴位置、胀差等多种重要参数，为汽轮机的事故征兆，如不平衡、大轴弯曲等提供重要的数据依据和保护措施，从而保证汽轮机组的安全稳定运行。2017年，西柏坡电厂#5、#6机组进行了升级改造，把哈尔滨汽轮机厂的高中压缸和低压缸进行了改造，更换为上海汽轮机厂的产品。相应TSI系统的安装和组态都进行了一定的变动。
1 轴振动监测
汽轮机在启动和运行中都会有一定程度的振动，当设备存在缺陷，或机组的运行工况不正常时，汽轮机组的振动会加剧，振动严重时会导致轴承、基础甚至整个机组和厂房建筑损坏，严重威胁设备和人身安全。产生振动的原因是多种多样的，大轴弯曲、中心不正、转子质量不平衡、汽轮机内部发生摩擦以及发电机内部故障等都会引起振动的发生，影响汽轮机运行中振动的大小等，因此，轴振不仅是机组安全与经济运行的重要指标，也是判断机组检修质量的重要指标。
我厂的振动监测分三种类型：轴的相对振动监测、轴承盖振动监测和轴的绝对振动监测。其中绝对振动是相对振动和轴承振动的组合振动监测。
1.1 轴的相对振动测量
轴的相对振动监测由8mm的涡流探头传感器及双通道振动监测器3500/42组成。在9个瓦上均有测点。2个探头成90度角安装于轴瓦的两侧，固定在轴瓦上。探头与轴承壳变成一体，所测的振动即为轴相对于轴承壳的振动。3500/42分别接收2个趋近式传感器输入的振动信号，经监测器内微处理器对信号进行A/D转换及线性处理，以位移量的形式显示转子振动的振幅。当振动过大，超出机组的安全振动测量值时，监测器报警、跳闸继电器闭合，进行报警，并及时发出跳闸信号，保护机组安全。
1.2 轴承盖振动
轴承盖振动即轴瓦的振动。它的监测由速度式探头传感器与双通道速度监测器3500/42完成。速度式探头固定在轴瓦上。
监测器监测轴承瓦的振动。由于旋转机械的振动都发生在转子上，在转子或轴承的状态发生变化时，如某些故障，如叶片损坏或者由蒸汽激励或油膜不稳定等引起的同步振动，只会使测量值出现很小的变化，因而不被重视，转子的振动被完全传到瓦振传感器的位置才能准确监测。由此可知，趋近式探头测量比瓦振测量准确可靠。
2 转子轴向位移监测
轴向位移是指在机组内部，转子沿轴线方向，相对于推力轴承的间隙。汽轮机高速运转时，推力轴承承受着转子的轴向推力，以保持转子和汽缸的相对轴向位移，使汽轮机动静部分之间保持一定的轴向间隙。在汽轮机的运行过程中，在水冲击、温度变化、真空下降、动叶片结垢等事故状态下，其轴向推力会突然增大，转子发生串动，使汽轮机内部动静部件之间的轴向间隙消失，发生摩擦和碰撞，造成机组损坏。TSI的轴向位移监测系统能很好地监视汽轮机的轴向间隙，一旦发生轴向推力增大，轴承损坏危及机组安全时，轴向位移保护动作，机组紧急停机，保护机组安全。
西柏坡电厂#5、#6机组采用趋进式传感器测量轴位移，监测器型号为3500/45，传感器类型3300XL-11mm趋进式探头，共4个传感器，面对机头里侧（发电机侧正向）为ch1、ch2，外侧（机头侧）为ch3、ch4；在监测器通道设置里，ch1、ch2设为“Toward Probe”，ch3、ch4设为“Always From Probe”，测量范围为±2mm，ALARM：±1.0mm，DANGER：±1.2mm。传感器比例系数为3.94V/mm。在继电器逻辑里，轴位移跳闸逻辑是4选2逻辑。
轴位移4个趋近式传感器的校验参考趋近式传感器的校验方法为：灵敏度改为3.94V/mm，增量间隙改为0.5mm，在间隙电压8～12V之间，间隙增量为0.2mm。
轴位移传感器安装时，大轴应推到工作面，ch1、ch2安装间隙电压-8.96V，ch3、ch4安装间隙电压-10.54V，监测器显示为0.2mm。
监测器内的微处理器对信号进行A/D转换及线性处理，以位移量的形式显示于监测器的液晶显示器上，供运行人员监视。4个轴位移信号分别在监测中采取4选2的保护形式，送入危急保护ETS系统中。
当两侧探头分别有一个探头指示超限，即表示轴向间隙变化过大，转子发生串动时，危及机组安全，轴向位移监测器内报警、跳闸继电器动作闭合，发出报警、跳闸信号，并通过ETS系统实现停机，保护主机安全。
现场安装过程中易出现的问题：首先，未考虑到推力间隙，这会给传感器带来推力间隙一半的测量误差；其次，没有确定推力盘是靠在工作瓦还是靠在非工作瓦，如果将推力间隙调反，会产生等于推力间隙的测量误差；再次，供电电压有偏差会影响传感器测量的线性，容易造成误动作。以上问题需要在安装过程中加以注意。
3 胀差的监测
胀差是指汽轮机转子与汽缸之间的相对膨胀差。
在开机和停机过程中，由于转子与汽缸外壳在质量、热膨胀系数、热耗散系数等方面存在差异，转子的温度比壳体温度上升的速度快，转子和汽缸之间存在着相对膨胀差。汽轮机轴封和动静叶片之间的轴向间隙很小，若机组在启停或负荷变化过程中变化过大，相对膨胀差超过了轴封与动静叶片间正常的轴向间隙时，就会使动静部分发生摩擦，引起机组的强烈振动，导致事故发生。因此，胀差是监测汽轮机正常安全运行的一个重要参数。
西柏坡电厂的胀差测量有两种，一种是高压缸胀差，采用双斜坡胀差监测系统；另一种是低压缸胀差，采用LVDT形式的胀差监测系统。
#5、#6机组采用趋进式传感器测量高压缸胀差，监测器型号为3500/45，通道类型是双斜坡胀差，传感器类型为3300XL-11mm趋进式探头，测量范围为-5～0～+15mm。ALARM：-8.7/+4.4mm，DANGER：-9.4/+5.2mm。
高压缸胀差两个趋近式传感器的校验参考趋近式传感器的校验方法为：灵敏度改为3.94V/mm，增量间隙改为0.5mm，在间隙电压8～12V之间，间隙增量为0.2mm。
高压缸胀差在安装时，大轴应推到工作面，正向探头（发电机侧）为ch4，零位间隙电压安装在-10V，负向探头（机头）为ch3，零位安装间隙电压-10V，监测器显示为零，其两个涡流式探头安装在#2瓦与#3瓦之间，固定在轴上的测量盘两侧的缸体上，基于电涡流原理，探测探头端面与被测表面间的距离，检测测量盘的距离变化，这一距离的变化量即是胀差值。前置放大器对探测到的信号进行调节放大后送入3500/45监测器中。3500/45是四通道监测器，它对两个探头的监测信号进行分析运算，按补偿办法进行处理显示。当被监测测量盘变化量超出第一个探头测量范围时，紧接着进入第二个探头监测量程，由监测器的微处理机选择从一个传感器线性范围转换到另一个传感器线性范围，连续地在线监测机组的胀差。
#5、#6机组采用LVDT传感器测量低压缸胀差，监测器型号为3500/45，这次改造将量程由-5～+25mm改为-10～+25mm.ALARM：-5.4/+23mm，DANGER：-6.1/+23.7mm。
安装低压缸胀差LVDT传感器时，调整位置使监测器显示0.2mm，间隙电压-1.5V，安装后，将LVDT传感器固定牢固。
4 故障分析
4.1 #1机组#7、#8瓦的振动大故障分析
#1机组交接过来后，#7、#8瓦的振动很大，总是处于振动报警状态。我们对这一现象进行了分析。
首先，检查振动测量回路，其接线和各监测元件均正常。在检查中发现，#7、#8瓦振动测量有一个共同的地方，即振动探头均安装于一条延伸拐臂上。在拐臂上安装一个磁铁块进行试验发现：移动磁铁接近探头和远离探头时，其振动值发生了变化，磁铁越接近探头，振动指示值越小。
因此，我们得出结论：延伸拐臂固定在轴瓦上，探头安装于延伸拐臂上，延伸拐臂与轴瓦间产生共振，从而带动了探头振动。
利用#1机组大修，对#7、#8瓦振动测量进行改造。去掉延伸拐臂，在瓦上开孔，将探头直接安装于轴瓦上。大修后，#7、#8瓦的振动测量恢复正常。
4.2 #6机组轴向位移发生偏差的故障分析
在2017年的#6机组大修中，轴向位移探头被拆下，经校验后重新安装。安装时大轴已推至工作面，探头安装定位后，监测器指示为零。即轴向间隙为零。但在第二天联轴后，大轴向发电机方向移动，监测器指示其轴向间隙发生变化，#6机组的最大推力瓦间隙为36丝，轴不可能移动出这么大的距离，因此，对这一现象进行了认真的分析研究。
汽轮机在运转中，转子沿着主轴方向的串动，轴向位移，传感器与测量盘之间的间隙即为转子移动的距离。轴向位移传感器安装时需要注意零位确定、安装间隙确定和线性测量。
（1）安装传感器支架，在固定传感器支架时，一定要将传感器预装上去，移动支架，确保传感器平面与测量盘平行，若有角度，则会影响数据的可靠性。
（2）轴向位移传感器进行安装时，必须参考的因素是大轴的位置，大轴推力盘靠在推力瓦的工作面后者的是非工作面。轴向位移传感器需要计算出传感器的零位电压，以确定安装零位。以西柏坡电厂600MW机组轴向位移传感器为例进行说明：机组原来由哈尔滨汽轮机厂提供，现在改造后的汽轮机大轴由上海汽轮机厂提供，推力盘靠在推力瓦非工作面，使用本特利3300XL11mm轴向位移传感器，传感器灵敏度F为3.937V/mm，转子推至工作位，推力间隙D实测数据为0.42mm，其零点电压V0为-10V，其零位电压X的计算方法为：X=V0+F*（1/2）*D=10+3.937*（1/2）*0.42=-10.83V，此时模拟量输出值为0.21mm，转子转动后轴向位移回至0mm左右。
（3）传感器安装后要进行线性测量，架百分表，机务连轴退回原位后，记录数据绘制线性曲线观察动作方向和距离是否正确。
在汽机本体将机头的端盖拆下来后，轴向位移显示发生改变，所以这次轴向位移的变动和端盖有关系，经检查发现端盖上有一开孔，是为喷油嘴预留的，在端盖上找到一个机械摩擦产生的点，判断轴向位移发生偏移是由于端盖装反导致喷油嘴顶在端盖上，没有顶在预留孔上。端盖上的螺丝固定在缸壳上，轴向位移的支架安装在缸壳上，当端盖上紧螺丝时，喷油嘴为支点，把缸壳拉动变形，导致轴向位移支架移动。为了解决这个问题，汽机车间找修配加工了该端盖，在端盖中心铣出一个大圆，防止端盖装反顶住喷油嘴吃力，彻底解决了这个问题。
4.3 胀差发生偏差的故障分析
西柏坡电厂#2机组在大修中，TSI系统的胀差探头重新校验安装。机组并网后发现胀差指示值很大，接近跳闸值，比#2机组以往的指示值大3mm以上。经过对TSI系统测量回路检查，并对照大修中胀差探头的校验报告及胀差探头安装尺寸记录，根据TSI系统胀差监测特性，我们从下面5个方面来具体分析胀差测量值大的原因：
（1）实际胀差大根据#2机组6年内的胀差情况及#1、#3和#4机组的胀差情况，判断#2机组的实际胀差值不应像表计指示的那样大，另外由于机组的材质及尺寸没有改变，膨胀系数应是固定的。在相同温度下的膨胀量应该不变，所以实际胀差值与以前相比不会产生太大的差别，这样从理论上排除了机组实际胀差大的可能。
（2）监测器监测量程指示偏差监测器的量程范围是根据35mm探头确定的，线性斜率是0.787V/mm，从盘刻度中心（+7.5mm，对应A、B侧间隙电压均为11.8V）算起，向上达上满度+20mm，A侧电压应减小（20mm-7.5mm）× 0.787V/mm=9.8375V，即应为11.8-9.8375=1.9625V；同样从表盘刻度中心向下至下满度，B测电压应减小至1.9625V。
校验监测器，B侧加入>11.8V的电压，A侧减至1.4V时表指示+20mm，比计算出的满刻度电压小0.56V，如对于0.787V/mm灵敏度的理想探头来说，它会带来负偏差，即只能导致示值偏低，对应现在指示出的14mm左右的胀差值，有0.37mm的负偏差。
上述分析表明监测器的量程基本符合要求，存在的偏差不是影响指示偏大的原因。
并且另外校验了其他的备用35mm探头，性能基本和上表一致。探头灵敏度没有变化。
（3）零点位置错误如果在进行探头安装时，零点位置进行了很大量的正向迁移，这一错误的零点将在全量程范围内的任一点上都有同样大的正偏差，也就是说在开机前（机组处于常温下已很长时间，实际胀差为零），胀差表计不指示在零点上，而有一个很大的正胀差值，在这种情况下，不可能开机冲车，并且经核实在安装探头时，零位的确定是经过了反复调整的。
当然，如果高中压缸和低压缸在未连接前（联轴处未放置垫片）便安装了探头，同样会使零点偏向机头侧，使轴连接后会立即出现正偏差，经确定安装时间，探头安装绝对在联轴之后，零点位置不会出错。
（4）两探头安装距离过小或过大由补偿式监测器的测量原理得知，当被监测测量盘变化量超出第一个探头测量范围时，紧接着就进入第二个探头监测量程，其切换电压为11.8V。如果两探头安装距离过小，轴胀到使B侧间隙电压为11.8V时，A侧间隙电压也小于11.8V，也就是说有一段距离使A、B两侧电压均小于11.8V，这时两探头均对表计指示起作用，根据测算总作用量为两者作用量之和；相反，如果两探头安装距离过大，则有一段距离使A、B侧间隙电压均大于相交电压11.8V，此区域均在两个探头的测量范围之外，两探头对表计指示均不起作用。在此区域内任凭胀差变化，表计指示不变，即示值比实际胀差值小，此区域越大偏差越大。
使用备用探头，根据记录下来的胀差探头确定实际安装间隙电压：A侧15V、B侧6V，做了如下试验：
在表计上将现场探头解开，A侧加入15V电压，B侧加入6V电压，此时表计显示0.143mm，然后模拟轴胀向发电机方向的过程。测量数据如表1所示。
表中的理想变化量是指两探头正确安装时的指示值变化量。从表1可以看出，A、B侧未在11.8V左右相交，而是有一段区域A、B侧均小于相交电压。在表1中，表计示值变化量比理想的变化量大一倍，也就是说，如果两探头安装间隙过近，将导致示值偏大，此区域越大，偏差越大。
从以上5个方面的分析可以得出结论：探头安装距离偏小是使胀差值指示大的最主要原因。
由此也可以看出，探头的安装方法存在一定问题。在安装时，只根据以往的安装经验及拆探头时的间隙电压值定出A、B两个探头的间隙电压，而没有根据其相交电压来确定安装间隙。
由此，我们得出正确的安装方法，如图1和图2所示。
也可先安装B侧探头（因其间隙电压值小于11.8V），观察监测器指示，当监测器指示为0mm时，将B侧探头固定，记录下此时B侧探头间隙电压V1和间隙；再根据上一步骤得出的L值，定出A侧探头的位置，记录下A侧探头的间隙电压V2和间隙即可。
从这个结论得出的教训是，我们不能只根据经验工作，还要有科学依据和科学的方法。在今后的工作中，我们将继续总结经验教训，找出更加科学的方式方法来指导我们的工作。
5 结 论
总之，汽轮机监视和保护装置是实现汽轮机组运行自动化的基础，没有完善可靠的监视和保护装置，汽轮机的自启停无法实现。因此，汽轮机监视与保护装置越来越受到人们的重视，且已成为汽轮机的重要组成部分，并逐渐向更完善化的方向发展。
参考文献：
[1] 汽轮机轴系监测系统（西柏坡电厂#1、2#机组热控培训教材） [M].保定：华北电力大学.
[2] 汽轮机轴系监测系统（西柏坡电厂#3、4#机组热控培训教材） [M].太原：太原电力高等专科学校.
[3] 本特利3300监测器安装和操作手册（美国本特利公司）.
作者简介：刘国辉（1975-），男，工程师。从事热控专业的技术管理和火电厂热工设备的检修维护工作；胡剑波（1977-），男，高级技师，工程师，热控专业检修专责工程师，本科。从事热控专业的技术管理和火电厂热工设备的检修维护工作；董伟（1985-），男，工程师，本科。从事河北西柏坡发电有限责任公司热控检修工作。