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TSI的基本测量原理汽轮机监视保护仪表（TSI）特指汽轮发电机组的振动、轴向位移、胀差、转速、零转速、偏心键相、汽缸膨胀、油动机行程、阀位开度等热工参数监控仪表的总称，它包括传感器和监视器（二次表）两部分，如图1所示。这些参数有别于一般的热工参数，它们对汽轮发电机组的安全运行特别重要，所以发电厂把这几个参数单独放在一起，组成一个系统，称做为汽轮机监视保护仪表（TSI）系统，并由专门的班组来进行维护和管理。下面将主要介绍这些TSI参数的测量原理与实际测量方法。图1汽轮发电机监视保护仪表安装配置示意图一、 传感器TSI参数的测量主要依靠各种传感器，在汽轮发电机组上使用较多的传感器主要有：涡流式位移传感器、磁电式速度传感器、压电式加速度传感器、磁阻式速度传感器和线性可变差动变压式传感器。现将各种传感器的工作原理及其结构特点分别说明如下。1-1涡流式位移传感器在TSI系统中，大量地使用了涡流式位移传感器，它可以用于振动、轴向位移、胀差、转速、零转速、偏心、键相等参数的测量，在行业中有人甚至称汽轮机监视保护仪表为涡流式保护仪表，可见这类传感器在TSI仪表中的中重要性。而且涡流式位移传感器的技术难度最大与国际上的差距也最大。涡流式位移传感器的原理如图1-1所示。如果有一个很高的频率（一般取1MHz）的电流从振荡器流入传感器线圈中，那么传感器线圈就产生一个高频率振荡磁场，如果有一片金属接近这个磁场，那么在此金属的表面就会产生电涡流。电涡流的强度是随着传感器线圈与金属之间的距离的变化而变化的，这是因为这个距离影响了传感器线圈的阻抗，所以可以用测量阻抗的方法来实现距离的测量。涡流式位移传感器输出一个与距离成单值函数的直流电压信号。图 1-1 涡流式位移传感器1-2磁电式速度传感器如果有一导体作切割磁力线的运动，它会产生一个与它运动速度成比列的电动势，磁电式速度传感器就是按这个原理工作的。在图1-2-1中，弹簧片、线圈骨架和线圈组成了一个惯性质量系统。如果其固有频率很低（一般为10到20Hz），那么当机组的振动频率在这个惯性质量系统的固有频率之上时，线圈相对于大地是静止得，而传感器是刚性地固定在机壳上，所以磁铁与机组的振动是完全一样的，这样就相当于磁铁在线圈内运动，因而在线圈内产生与振动信号成比例的电压信号。然而，当机组振动的频率在这个惯性质量系统的固有频率附近时，线圈输出一个过渡过程的电压信号，如图1-2-2所示的a曲线，是由该图内 b曲线所示的由阻尼电阻和阻尼线圈所决定的特性来控制的曲线。但是在低频率时其相位特性变得很差。一般它的频率响应范围是10到1500Hz。图1-2-1磁电式速度传感器的结构 图1-2-2磁电式速度传感器在低频区的特性1-3压电式加速度传感器如果有一个外界的力作用在石英晶体或罗谢尔盐晶体（Rochelle）上，就会有一个与外界力成正比的电荷产生。这种现象就称之为压电效应，而晶体就称之为压电元件。如图1-3所示，如果有一个带有电极的压电元件的低端固定在壳体上，而其高端加一重块，发生振动时则元件就会反复向下压缩和向上拉伸，产生一个与振动加速度成正比的电荷。压电式加速度传感器就是利用该原理制成的。电荷产生在两个电极之间并且要用一根低噪声的电缆和一个电荷放大器，但是这种形式的传感器是很容易被从电缆中来的噪声所影响。因此在工业上应用一般就采用一个带有电荷放大器的双线制系统，用恒流源供电给传感器输出一个电压值，其一般频率响应范围为2Hz到10KHz.图1-3 压电式加速度传感器的工作原理压电式速度传感器的工作原理实际上和压电式加速度传感器相同，只不过它多了一个装在内部的积分电路将输入信号转变成与运动速度成正比的电压信号。此外内部的积分电路甚至还在低频区能除去外界的噪声干扰，并产生一个无噪声干扰的信号。常见的压电式加速度传感器有CA-700系列，压电式速度传感器有CV-86等等。1-4磁阻式速度传感器如图1-4所示，在传感器内有一个永久性磁铁，在其周围形成一个磁场，当被检测齿轮旋转时，切割磁力线，这样检测线圈就产生感应电动势E。其数值E=BLV式中：B磁场强度 L检测线圈长度 V被测齿轮盘转速图1-4 磁阻式速度传感器的工作原理示意图对于某一成品的传感器而言，B，L为常数，输出电动势与被测量齿轮盘的转速有关，而且E是一个交变信号，其输出频率与旋转机械的转速成正比，所以只要测出传感器的输出信号频率就可以测量出旋转机械的机器转速。1- 5线性可变差动变压式传感器（LVDT） 如图1-5-1所示，当一个铁芯在螺杆型的线圈内移动时，A与B之间的阻抗和B与C之间的阻抗产生变化。当A和C之间供给恒定的电压时，由于这些阻抗的变化是与铁芯的移动位置成比例，即电压与铁芯的移动成比例，这样就会在VAB和VBC之间发生变化，见图1-5-2。 图1-5-1 LS LVDT的结构示意图 图1-5-2 LS LVDT的输出特性二、 TSI参数汽轮机监视保护仪表（TSI）参数特指汽轮发电机组的振动（包括轴承绝对振动、轴对瓦相对振动和轴的绝对振动）、轴向位移、胀差、转速、零转速、偏心、键相、汽缸膨胀、油动机行程、阀位开度等参数。2-1振动参数汽轮发电机组的主要构成部件是转子、支撑它的轴承以及机器壳体等部分组成，转速范围一般为每分钟几千转。由于转子、轴承、壳体、基础等部分的机构、加工及安装情况，在高速旋转时肯定会产生振动问题，过大的振动往往是引起机器破坏的主要原因，所以汽轮发电机组的振动参数是衡量一台汽轮发电机组运行好坏的主要参数。而且振动是一个矢量，所以一般用振幅和相位角来描述振动参数的大小和方向。汽轮机监视保护仪表共涉及到三种振动，即轴承绝对振动、轴对瓦相对振动以及轴的绝对振动。轴承绝对振动是由磁电式速度传感器或压电式加速度传感器获取振动信号并由二次仪表进行处理后得到振动值加以描述，用V瓦地来表示。轴对瓦的相对振动是由涡流式位移传感器来获取振动信号，并由二次仪表进行处理来得到振动的峰-峰值加以描述，用V轴瓦来表示。轴的绝对振动是由复合式传感器来获取振动信号，并有二次仪表进行处理后得到振动的峰-峰值加以描述，用V轴地来表示。复合式传感器实际上是由磁电式或压电式传感器和涡流式位移传感器组合在一起组成。结构的示意图如图2-1-1所示。由磁电式速度传感器得到V瓦地，由涡流式位移传感器得到V轴瓦，把二个振动信号进行矢量运算可得到V轴地，即：V轴地=V瓦地+V轴瓦 如图2-1-2所示： 图2-1-1 绝对振动测量传感器结构示意图 图2-1-2 绝对振动测量示意图在现实使用中，许多人所说的轴振动实际上是指轴对瓦的相对振动，其测量一般采用两个电涡流传感器，分别测量X轴与Y轴方向的振动分量，其具体安装方式如下图2-1-3和图2-1-4所示。 图2-1-3轴振动垂直水平安装方式 图2-1-4 轴振动45安装方式振动测量的关键技术在于频响、固有频率、积分电路和检测电路的精度以及矢量叠加问题。频响：振动是矢量，因此仪表最好能对振动信号进行不失真地，没有相移地处理以便让后续装置（如振动分析系统、故障诊断系统等）进行处理，在振动仪表中一般都加有低通滤波器电路，低通滤波器电路从一般原则来说，最好不要使用，因为一方面会降低仪表的可靠性，另一方面，可能会滤掉有用的信号，并引入相位和振幅的误差，但是在TSI仪表中，振动监视仪表中采用低通滤波电路是完全有必要的，其一可以滤去现场传输过程中的干扰信号，提高信噪比，其二有助于克服传感器的缺点，所以在仪表中，选用合适的低通滤波器，选择合理的滤波参数至关重要。固有频率：磁电式速度传感器在结构上采用了机械二阶阻尼系统，这样会存在一个固有频率f0，综合考虑传感器的寿命和测量性能，一般选用固有频率为f0=10到14Hz，而这个频率正好是接近机组的一个共振频率区，如果仪表对这个频率范围的线路处理不当，会引起仪表相当大的误差。甚至测量失效，所以对这些问题需要特别谨慎对待。积分与检测电路：目前由于机组容量的不断增大，为了确保机组的安全运行，对机组本身振动控制得相当严格。机组的振动幅度相当小，而磁电式速度传感器所检测的是振动的速度值，为了得到振动的位移值，所以仪表需要对振动信号进行积分和检波，而对这些线路的处理不当会产生较大的测量误差。过去国产的振动表，就是由于积分电路处理不当，用户普遍反映小信号时误差太大。矢量叠加：由于磁电式速度传感器在结构上采用机械的二阶阻尼系统，使振动信号产生相移，而且相移的大小与机组工况、传感器结构、阻尼系数等多种因素有关，所以给矢量相加带来不少麻烦，采用一般的相移回路很难达到预期效果，所以一定要采用“双二阶相位补偿网络”从而能较好地补偿低频段的移相问题，确保轴振动测量的精度。这是一个难度非常大的技术，国内许多专家经过了多年的摸索，取得了一定的研究成果，但其结果还没有达到令人满意的效果。2-2轴向位移参数汽轮机转子的止推轴承是保证机组在运行过程中的轴向串动在某一控制的范围之内，以避免机组转子和定子之间产生轴向碰磨，确保机组运行安全。轴向位移就是监视止推环对止推轴承的相对位置，是TSI仪表的核心参数之一，因为高速旋转中的汽轮机如果产生主轴串动，转子和定子之间会产生剧烈的碰撞，严重时会造成机组毁坏。轴向位移测量属于静态测量，受现场安装位置的限制，一般不可能安装探头直径大的涡流传感器，所以对涡流传感器提出了非常高的要求。对轴向位移主要处理的关键技术在于测量方向的确定，探头安装位置对测量的影响和采用补偿型（即在前置放大器内加入补偿电路）涡流传感器以增加测量范围。尤其是采用补偿以争取用小探头实现大量程测量精度问题是相当关键的。在实际测量中，根据API670标准要求采用双通道测量，以免发生误报警，如图2-2-1所示。图2-2-12-3胀差参数对于汽轮发电机组，来自锅炉的高温高压蒸汽送入汽轮机的缸体，在机组的启停过程中，由于缸体和转子的受热变化，缸体和转子都会产生热膨胀，所以机组在启停过程中，缸体和转子必须以同样的比率受热膨胀，如果缸体与转子受热膨胀的比率不同，就可能发生轴向碰磨（即动静碰磨）而使机器受到损害，胀差保护仪表就是监视机组的缸体和转子之间因受热膨胀而发生的相对膨胀差。当膨胀的值超过机组设计的极限值，则机组应该进行盘车，使胀差值控制在某一受控范围之内，同时胀差也能及时发现因转子或缸体因膨胀受阻不畅，避免造成机组动静碰磨而产生事故。胀差测量也属于静态测量，受现场安装位置的限制，一般不可能安装探头直径大的涡流传感器。胀差测量在传感器选型，安装方向确定和迁零等方面与轴向位移测量基本相同。但是由于胀差的测量范围一般都比较大，所以我们往往采用补偿型或斜面型安装来满足利用小探头实现大量程的胀差测量。补偿型测量往往通过两个以补偿方式安装（如图2-3-1）的趋近式探头测量胀差，较为典型的方法是在一个轴环的两侧各安装一个探头或用两个探头监测两个轴环。在热膨胀过程中，当被监测轴环移动超出第一个探头测量范围时，紧接着就进入第二个探头的监测量程。因此，这种补偿方式仅多用一个探头就可将系统的量程提高一倍。图2-3-1补偿型安装斜面型测量将两个趋近式探头垂直安装在被测斜面上，具体安装方式如图2-3-2所示。斜面角度可由用户现场编程，从0到45，内部处理电路获取输入量后，计算斜面的修正系数，显示真正的胀差量。图2-3-2三种安装方式的斜面型安装斜面型测量的斜面修正系数计算原理如下：假设被测轴水平位移量为X,垂直位移量为Y ；传感器探头1测得的位移变化量为d1，输出电压变化量为U1，灵敏度为S1 ，（V/mm），传感器探头2测得的位移变化量为d2，灵敏度为S2 ；斜面的倾斜角为。（1） 选用安装方式1时，d1= XSin-YCos d2=-XSin-YCos，则d1 -d2= 2XSin，可推得X= (d1-d2)/2Sin= (U1 /S1-U2 /S2)/2Sin。（2） 选用安装方式2时，d1=XSin-YCos，d2=-XSin+YCos，则d1 +d2= 2XSin，可推得X= (d1+d2)/2Sin = (U1 /S1+U2 /S2)/2Sin。（3） 选用安装方式3时，d1=XSin-YCos，d2=-Y，则d1- d2Cos= XSin，可推得X= (d1- d2Cos)/Sin = (U1 /S1-U2 Cos /S2)/Sin=（U1 /S1） Csc-（U2 /S2） Ctg。从以上可以得出轴水平位移量X的值，也就是真正的胀差量。2-4转速和零转速参数旋转机械的转速指示和超速保护是机器的重要参数之一，每台旋转机械都有一个设计的额定转速，对中国的汽轮发电机组设计的额定转速为3000转/分，一般转速超过额定转速110%即3300转/分时，超速保护仪表需要发出报警信号，而当转速超过113%，即3390转/分时，超速保护仪表需发出跳机信号，关闭主汽门，强迫机组停下来，以确保机组的安全。零转速保护则是检测低转速信号（即零转速），当机组从正常转速停下来时，主蒸汽供气减少最后全部关闭，在汽轮机内部转子的温度场分布不一样，此时如果强行停机，会造成转子的永久性弯曲，所以一般在机组启停时，均需用盘车装置对转子进行盘车，以保证转子的温度场均匀布置，然后再让机组完全停下来。零转速信号就是检测当机组到达某设计低转速时发出信号并触发自动盘车装置，特别在当超速保护仪表的超速跳机动作，机组自动停下来时，让零转速监视器自动触发机组的盘车装置。在此时零转速监视器显得尤为重要。转速和零转速属于动态测量。转速测量一般使用磁阻式速度传感器，稳定可靠以及高性价比是其主要优点，但在零转速测量时，磁阻式速度传感器由于被其测量原理所限制，输出信号太小，信噪比变小，所以不能采用，只能采用涡流式传感器来测量零转速。转速测量时，所选用的一般监视器系统根据API670标准，其触点的响应时间应该小于100ms，但是对于汽轮发电机组特别是大型旋转机械，如600MW、1000MW的发电机组,100ms的响应时间偏大，在这种情况下，应该选用日本新川公司生产的MP系列旋转机械保护系统，其响应时间小于30ms，完全能满足要求。2-5偏心参数偏心是对轴颈轴承中，转子稳态位置的测量。在转子没有内部和外部负荷的正常运转情况下，大多数机械机构的转子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预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏心，这种偏心是测量轴承磨损，重预负荷状态（例如不对中）的一种指示。另外在机组启停过程中，转子的温度场分布是不一样的，由于材料的热变形，使转子产生弯曲，同样也会使转子偏离中心位置，偏心保护装置就是监视上述二种情况所产生的偏心度的综合参数，应该控制在某一个正常数据范围之内。偏心测量属于动态测量，汽轮发电机组现在一般都采用低速盘车，一般为3.0转/分，即周期为20秒，所以一定要解决好其中的峰值保持技术和同步跟踪技术等关键技术。偏心的监测需要两个传感器信号输入，一个是趋近式探头，它用于偏心的测量，另一个是键相器探头，它用在峰-峰值信号保持电路上，以确保转子每转一周的峰-峰测量值。早期的B.N公司生产的7200系列监视器，其偏心测量就备有键相和模拟鉴相两种选型供用户选择。模拟键相实际上是使用一个内部振荡器，设置成模拟盘车转速的值以代替键相信号，但此种测量不能严格保证每转一周的偏心测量值。由于此种测量方式可省去一个键相传感器，节约成本，尤其对于老机组改造，在老机组上没有键相位置的情况下，有一定的使用价值。但是现在机组上大部分都有键相位置，所以现在的TSI生产厂家已基本上不使用模拟键相器的设计方案了。2-6键相参数我们已经叙述了振动信号是一个矢量，可用振动的振幅和相位角来描述，有了振动的相位角就能确定转子的平衡状态及残余不平衡量的位置。精确地相角测量对确定转子的平衡中心位置及分析汽轮机的故障是非常重要的，准确测量出整个机组各轴承上的转子振幅和相位角，为机组的运行状态及时地提供了重要信息，有助于分析下面的问题：发生了什么事情？在什么地方发生了问题？如何发生的？准确测量转子的相位角其可靠方法就是键相法，键相实际上就是一个标记，感受固定在轴上的一个标志（键或键槽）并使转子每转一次发出一个脉冲，作为相位测量的参考基准，相位角被定义为从键相位脉冲到振动的第一正向峰值之间的角度值。键相信号是试验人员在机组大修完成后进行动态平衡测试时必不可少的依据，所以大型机组一般都需安装键相器。键相测量属于动态测量，往往在轴上开一键槽，当轴每转一转时，就能产生一个脉冲电压。但是由于机组在起停过程中轴会上抬或下降，会导致阀值电平跑出传感器输出波形之外，从而无法输出脉冲电压，这就要求处理好其中的阀值电平自动跟踪技术。2-7汽轮缸膨胀，油动机行程，阀位等参数在机组启、停过程中，汽缸因受热膨胀，以及机组升降速控制系统需控制油动机行程，阀位开度等，所以要对这些参数进行指示、控制。这些参数的测量都是静态测量，而且要求测量的量程都比较大，所以一般采用技术比较成熟的大量程LVDT传感器来测量这些参数。TSI的发展趋势一、 TSI的发展过程在50年以前，由于机组的容量比较小，汽轮机组的监视仪表也较简单，一般仅监视轴承座的瓦振和利用山字型电磁式传感器来监视一下机组的轴承振动、轴向位移、胀差等即可，但山字型电磁式位移传感器存在着线性差，安装调试麻烦等缺点，美国BN.公司在60年代发明了非接触式的电涡流位移传感器，使TSI产品在技术上向前迈了一大步，为大型汽轮机组的安全运行提供了有力的技术支持。由于涡流式位移传感器具有线性范围大，精度和灵敏度高，频响宽，抗干扰能力强和温度特性好，安装调试方便，检测值不受油污、蒸汽等非金属介质影响等优点，所以以涡流式位移传感器为主要传感器组成的TSI产品一投入商业运行，立即受到广大用户的普遍欢迎，特别是涡流式位移传感器采用了非接触式的测量方式，彻底解决了大机组旋转主轴的相对振动测量问题，解决了以前只能用速度传感器测量轴承座振动而难以获取机械振动可靠信息的困难，以及用接触式触轴速度传感器来测量轴振动时很难解决的机械磨损的问题。另外涡流式位移传感器直接测量的是振动的振幅，所以更直接地反映用户所最关心的振动振幅，避免了用速度传感器测量振动必须将速度信号通过积分电路转换成振幅信号所造成的误差，从而提高了了系统的测量精度。利用涡流式位移传感器还可以方便地测量转速的相位角，为大型旋转机械振动谱分析，校动平衡等提供了必不可少的参数，总之，涡流式位移传感器的发展，解决了许多技术上的难题，为正确可靠安全监视保护大型汽轮机组提供了检测手段，为计算机数据采集，事故追忆，故障诊断等技术的发展提供了有力的保障，我院从76年起从事涡流式位移传感器及配套仪表的研究开发工作，取得了一定的成绩，特别从83年列入国家六五攻关项目后在资金人力上有了较大的保证。76年研究开发了基于模拟电路为主的第一代SPI系列汽轮机保护仪表，87年研究开发出基于数模混合电路为主的第二代8000系列汽轮机保护仪表装置，之后马上研究开发出基于单片机技术的主从分布式第三代9000系列汽轮机保护仪表装置，并于1989年投入商业运行，随后又进行完善化及增加与通用微机的通讯接口开发使其系列化，通用性，多功能。二、 汽轮机监测保护仪表