馬仁婷

（中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗研究院，河南鄭州 450000）

0 引言

旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)，通過連續(xù)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械本體和軸系的機械工作參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、振動、脹差、熱膨脹、軸向位移等）幫助運行人員判別大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)，并在被測參數(shù)超出預(yù)設(shè)值時發(fā)出報警及停運信號，在必要時還可提供用于故障診斷的數(shù)據(jù)[1]。在火力發(fā)電廠中，TSI（Turbine Supervisory Instrumentation，汽輪機安全監(jiān)測）系統(tǒng)用于監(jiān)測汽輪發(fā)電機組軸系機械量參數(shù)，為汽輪機的安全運行提供保障。通常，一些大型旋轉(zhuǎn)輔機設(shè)備（如給水泵汽輪機、引風機汽輪機、風機及水泵等）也配置有機械量監(jiān)測系統(tǒng)。為降低設(shè)備投資成本、實現(xiàn)運行過程節(jié)能經(jīng)濟，單輔機配置更多地應(yīng)用于火電機組，這對于旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)的測量準確性及可靠性要求更高。

1 硬件故障

旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的硬件組成主要是兩部分，分別是傳感器（部分需配置轉(zhuǎn)換器）和監(jiān)測裝置，前者直接感受被測機械量并轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號電纜傳輸至監(jiān)測裝置；后者則對傳感器送出的信號進行連續(xù)監(jiān)測，并對信號進行計算處理、判斷，同時輸出模擬量信號、開關(guān)量信號和數(shù)字信號。一般來說，旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)的硬件故障主要是傳感器故障和監(jiān)測裝置故障。

1.1 傳感器故障

1.1.1 故障類型

傳感器的故障類型主要有3 種，分別是元件損壞、選型與要求不符、安裝不當。

（1）元件損壞通常是電子元件老化所致。據(jù)某發(fā)電公司2015—2021 年的火電機組非停案例統(tǒng)計，因旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)硬件模件故障導(dǎo)致非停事故的共6 起，其中4 起與電子元件的老化相關(guān)。因為電子產(chǎn)品理論使用壽命年限為10 年左右，運行時間超過10 年后硬件產(chǎn)品故障率會逐漸升高。

（2）傳感器選型與運行參數(shù)、現(xiàn)場情況要求不符，會造成測量異常。例如，某火電廠大修中更換差脹探頭，機組運行后差脹信號異常偏大，經(jīng)咨詢設(shè)備廠家，發(fā)現(xiàn)傳感器的量程范圍與差脹測量要求的量程不符；某火電機組在小汽輪機沖轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)速快速變化時轉(zhuǎn)速測量值不同，轉(zhuǎn)速偏差大于100 r/min，造成給水泵跳閘，因3 個轉(zhuǎn)速信號由不同廠家不同型號的傳感器采集，判斷測量偏差是由于傳感器靈敏度差異造成[2]。

（3）用于旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測的傳感器大多數(shù)為非接觸式，安裝不當極易產(chǎn)生附加誤差甚至造成傳感器機械損壞。例如，某火電機組1 號軸承顯示值偏高且有波動，檢查發(fā)現(xiàn)軸振傳感器固定支架太短，導(dǎo)致傳感器與側(cè)面金屬壁距離過近，造成傳感器磁場受到側(cè)面金屬壁的影響使測量值偏大[2]；某機組啟動后給水泵汽輪機振動值顯示為0 μm，檢查后發(fā)現(xiàn)傳感器直徑2～4 倍的范圍內(nèi)有其他金屬體，判斷振動傳感器不能直接看到探頭的安裝情況，只能依靠安裝間隙電壓來判斷，而這一電壓被誤認為是傳感器到軸承的間隙電壓，致使測量值異常。此外，支架設(shè)計不合理、剛性差也會使非接觸式傳感器的測量產(chǎn)生附加誤差，電渦流式探頭在安裝時應(yīng)避免探頭附近有其他導(dǎo)電介質(zhì)。

1.1.2 預(yù)防傳感器故障的有效措施

（1）運行時間超過10 年的傳感器應(yīng)完善設(shè)備臺賬，強化設(shè)備劣化趨勢的分析工作，制定相應(yīng)的檢修技改計劃，同時制定對應(yīng)的巡檢及測試措施、做好事故預(yù)想，避免設(shè)備故障后事故擴大。

（2）應(yīng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)機械的運行參數(shù)、系統(tǒng)測量精度要求和現(xiàn)場情況，選取技術(shù)先進、成熟、可靠性高的傳感器。對于多點保護的測量信號，應(yīng)選用廠家相同、量程相同、靈敏度相同的傳感器。

（3）傳感器支架剛性應(yīng)符合要求，以避免支架自振造成的附加測量誤差。同時，安裝的支架能保證傳感器的安裝間隙和垂直度都能符合廠家要求。

（4）電渦流式傳感器端部的被測面應(yīng)光滑、均勻，傳感器直徑2～4 倍的范圍內(nèi)不應(yīng)有凹槽、凸臺等不均勻的部分。被測面應(yīng)能覆蓋傳感器直徑，被測面的范圍宜大于傳感器直徑的2 倍。

1.2 監(jiān)測裝置故障

監(jiān)測裝置一般由機架、電源模塊、處理器、輸入/輸出設(shè)備、通信設(shè)備、顯示設(shè)備、機柜等組成，對傳感器和轉(zhuǎn)換器送出的信號進行連續(xù)監(jiān)測并對信號進行計算處理、判斷，同時輸出模擬量信號、開關(guān)量信號和數(shù)字信號。硬件配置不符合冗余性、分散性要求及系統(tǒng)功能存在缺陷等，是監(jiān)測裝置故障的主要原因。

原則上參與火電機組保護的測點需要完全獨立配置，即參與同一保護項目的冗余測點應(yīng)卡件、背板框架均分散布置。但實際上大多數(shù)的旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)機柜僅配置一或二層框架，3個測點冗余的保護項目（超速、軸向位移）無法實現(xiàn)框架獨立配置。另外，振動測點數(shù)量較多，一般達不到“一測點配置一塊卡件”的要求。因此，某一卡件或背板故障將會有保護誤動風險。如果電源模件故障，所有測點均會測量失效，事故影響范圍更大。

某火電機組單汽泵配置，在運行過程中小汽輪機軸位移1#、2#、3#同時壞點，觸發(fā)小汽輪機軸位移保護，小汽輪機跳閘。調(diào)閱相關(guān)歷史曲線，發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生時同背板上所有測點均壞質(zhì)量且持續(xù)16 s 后恢復(fù)正常。因測點故障時間與卡件啟動自檢時間相同，判斷因背板故障致使該背板上所有卡件自啟動。該監(jiān)測裝置的硬件配置存在保護誤動風險，參與重要保護的測量卡件布置在同一背板模塊，無法將故障風險分散。

某火電機組在運行過程中TSI 系統(tǒng)畫面中部分參數(shù)指示異常，1 r/min 后觸發(fā)低壓差脹大保護，機組跳閘。事故原因為1#、2#瓦振卡件中二極管短路造成瞬間電流過大，致使TSI 系統(tǒng)柜的24 V DC 電源模塊過載保護動作，電源故障持續(xù)2 s 后恢復(fù)，在電源故障時低壓脹差卡件因受到?jīng)_擊損壞，導(dǎo)致停機信號誤發(fā)。該監(jiān)測裝置硬件通道間的故障隔離功能存在缺陷。

預(yù)防監(jiān)測裝置故障的有效技術(shù)措施有：

（1）卡件及通道配置應(yīng)符合火力發(fā)電廠熱工保護安全冗余配置基本原則，確保其分散性和冗余性。對于多點保護的測量信號，應(yīng)分配到不同模件上，并列運行的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的監(jiān)測卡件不應(yīng)布置在同一個機架內(nèi)。

（2）電源配置應(yīng)為冗余配置，應(yīng)能夠接受電廠提供的兩路獨立電源，任何一路電源失去，系統(tǒng)監(jiān)測和保護功能不能喪失。應(yīng)配備雙路電源模件，以實現(xiàn)裝置內(nèi)直流側(cè)無擾切換。

（3）調(diào)試階段應(yīng)對監(jiān)測裝置功能進行全面測試。監(jiān)測裝置應(yīng)至少滿足以下功能：①電源切換過程中，整個監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)正常工作，輸入及輸出信號不應(yīng)中斷和變位；②任何單個傳感器、轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測卡件故障或損壞不影響其他設(shè)備的正常工作，監(jiān)測卡件任一通道故障或損壞不影響卡件上其他通道的正常工作；③監(jiān)測卡件應(yīng)能帶電在線插拔和更換而不損壞，且不影響其他卡件和系統(tǒng)的正常工作，卡件帶電插拔時應(yīng)具備保持現(xiàn)場測量值不變的功能；④具有信號斷線判斷功能，且具備斷線時報警輸出功能和閉鎖保護輸出功能。

2 環(huán)境影響

旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)相關(guān)裝置在火力發(fā)電廠中就地安裝環(huán)境較差，易受現(xiàn)場振動、溫濕度及電磁環(huán)境干擾，造成測量可靠性下降、裝置故障率升高。

2.1 電磁干擾

旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器輸出的信號大多為毫伏級，極易受電磁干擾從而影響信號測量及計算。而火力發(fā)電廠中電磁干擾的干擾源較為復(fù)雜，如無線電波、電火花、過電壓、大容量設(shè)備啟停、電氣設(shè)備事故接地、雷擊等，這些干擾通常是偶發(fā)性的，后續(xù)不易驗證復(fù)現(xiàn)。

例如，某火電機組8Y 軸振經(jīng)常出現(xiàn)壞質(zhì)量，其他軸振參數(shù)均正常，經(jīng)檢查判斷8Y 軸振測點安裝于低壓缸與發(fā)電機勵磁側(cè)，受勵磁干擾風險較大；某機組運行期間有一轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)跳變，汽機實際上3000 r/min 時最低顯示只有2000 r/min 左右，檢查信號電纜后發(fā)現(xiàn)信號線是一根多芯電纜，電纜上有多組信號，信號間存在電磁干擾風險。

預(yù)防電磁干擾可從消除干擾源、隔斷干擾通道及削弱接收回路對干擾信號的靈敏度3 個途徑進行預(yù)防[3]，具體措施如下。

（1）現(xiàn)場傳感器、接線盒等區(qū)域禁止使用無線電通訊設(shè)備，嚴禁磁性物體接近一次測量元件。

（2）電纜選型、屏蔽層處理應(yīng)合理規(guī)范。安裝傳感器信號宜采用無分屏的屏蔽電纜，線芯數(shù)量與傳感器信號匹配，不宜設(shè)置備用芯，屏蔽層現(xiàn)場側(cè)應(yīng)浮空，應(yīng)在機柜側(cè)接入屏蔽端子。

（3）系統(tǒng)機柜與底座、相鄰系統(tǒng)機柜應(yīng)絕緣安裝。安裝時，機柜與安裝底座、相鄰機柜間應(yīng)墊絕緣膠皮，固定機柜用地腳螺絲與底座或相鄰機柜間應(yīng)有膠皮絕緣。

（4）系統(tǒng)接地方式應(yīng)規(guī)范可靠。系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有獨立的安全地、屏蔽地及相應(yīng)接地銅排，可采用中心接地匯流排的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的單點接地。定期進行接地電阻測試，接地電阻應(yīng)滿足規(guī)程要求。

2.2 其他外部干擾

火力發(fā)電廠大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備運行的環(huán)境常伴隨著高溫、蒸汽，當環(huán)境指標超出裝置廠家要求時，測量回路發(fā)生異常的風險會升高甚至加速設(shè)備老化。此外，測點安裝連接部件（支架、套管、螺母等）、電纜受振動影響也會造成測點安裝位置偏移、接線松動及電源故障等隱患。

某機組正常運行1Y 振動測量回路故障，檢查發(fā)現(xiàn)1#瓦軸承處軸封漏汽量比較大，探頭附近的溫度超過184 ℃，傳感器環(huán)境溫度過高。另外，泄漏的蒸汽順著1Y 振動探頭金屬軟管里面漏到延伸電纜的地方，有蒸汽在管內(nèi)凝結(jié)成水，造成延伸電纜絕緣下降，最終導(dǎo)致故障。

某機組運行時，TSI 系統(tǒng)觸發(fā)“軸向位移大”保護，機組跳閘?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)是由兩路跳閘信號發(fā)出，汽輪機軸向位移模擬量顯示異常，測點因超量程下限判斷為壞質(zhì)量。檢查軸向位移信號電纜，發(fā)現(xiàn)電纜相間絕緣電阻、對地電阻均為零，沿電纜查找發(fā)現(xiàn)兩根軸向位移信號電纜均出現(xiàn)軟化粘連現(xiàn)象，判斷事故原因為電纜受壓、過熱，引起信號電纜絕緣損壞甚至短路。

處理此類故障的有效技術(shù)措施主要有4 個：

（1）檢修期間應(yīng)緊固各測點的套筒、螺母，在條件允許的情況下應(yīng)重新安裝偏離標準間隙電壓較大的測點。

（2）傳感器延伸電纜應(yīng)盡可能獨立走線，固定和走向應(yīng)不存在磨損的隱患且全程避開高溫區(qū)域。延伸電纜應(yīng)采用銅線或漆包線進行捆扎固定，以防浸油扎帶脆化。

（3）加強日常巡檢，保證設(shè)備運行安全、通風正常，定期對高溫區(qū)域進行測溫檢查，一旦出現(xiàn)信號擾動要做全面檢查。

（4）將緊固接線端子、更換老化的接線端子、電源切換試驗、電纜絕緣檢查等工作列入檢修常規(guī)項目。

3 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性直接影響火電機組大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的安全運行，本文通過事故案例從硬件故障、環(huán)境影響兩大方面對旋轉(zhuǎn)機械監(jiān)測系統(tǒng)存在的風險隱患進行分析，并且針對共性問題給出了合理的技術(shù)措施，為電廠檢修維護人員提供參考。