《汽轮机TSI系统详解》

        汽轮机安全监视系统（TSI）是一种集保护和检测功能于一身的永久监视系统，是大型旋转机械必不可少的保护系统。

       TSI可以对机组在起动、运行过程中的一些重要参数能可靠地进行监视和储存，它不仅能指示机组运行状态、记录输出信号、实现数值越限报警、出现危险信号时使机组自动停机，同时还能为故障诊断提供数据，因而广泛地应用于3MW～600MW的各种汽轮发电机组上。

一、汽轮机安全监视的内容

汽机应监视和保护的项目随蒸汽参数的升高而增多，且随机组不一而各有差异，一般有以下一些参数:

（1）轴向位移监视：连续监视推力盘到推力轴承的相对位置，以保证转子与静止部件间不发生摩擦，避免灾难性事故的发生。当轴向位移过大时，发出报警或停机信号。

（2）差胀监视：连续检测转子相对于汽缸上某基准点（通常为推力轴承）的膨胀量，一般采用电涡流探头进行测量，也可用线性差动位移变送器（LVDT）进行测量。

（3）缸胀监视：连续监测汽缸相对于基础上某一基准点（通常为滑销系统的绝对死点）的膨胀量。由于膨胀范围大，目前一般都采用LVDT进行缸胀监视。

（4）零转速监视：连续监测转子的零转速状态。当转速低于某规定值时，报警继电器动作，以便投入盘车装置。

（5）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停机信号。

（6）振动监视：监视主轴相对于轴承座的相对振动和轴承座的绝对振动。

（7）偏心度监视：连续监视偏心度的峰-峰值和瞬时值。转速为1～600r/min时，主轴每转一圈测量一次偏心度峰-峰值，此值与键相脉冲同步。当转速低于1r/min时，机组不再盘车而停机，这时瞬时偏心度仪表的读数应最小，这就是最佳转子停车位置。

（8）相位监视：采用相位计连续测量选定的输入振动信号的相位。输入信号取自键相信号和相对振动信号，经转换后供显示或记录。

（9）阀位指示：连续指示调速汽门的动作位置。

二、TSI系统监测的基本参数

1. 振动参数

它包括下述五个方面：

（1）振幅

可用来表示位移、速度或加速度，是一种强弱程度的标志。使用趋近式探头测量以获取振动振幅的精确数据。虽然机壳测量被尝试用于“高频”振动，需要着重指出的是机器功能失灵的绝大多数都发生在低频区（通常小于四倍的转速）。单项的高频测量仅占机器评估时间的一个小百分点。

（2）频率

振动的频率通常被表示为机器转速的倍数形式。这主要取决于机器转速在几倍频或几倍频情况下机器振动频率的趋向。机器振动频率可简单表示为1x、2x、3x、4x等等。

（3）相角

利用一个键相位移传感器，获取轴的相位参数信号。相位角为脉冲前沿到振动的第一个正向峰值之间的角度。当转子通过振动输入传感器时，其振动的第一个正向峰值是与转子的最高点相吻合的。通过确定这些至高点的位置，就能够确定转子平衡条件和不平衡偏差的位置。同时，相角对确定转子平衡谐振转数位置也很有价值。

（4）振动形式

是分析振动数据的关键。振动形式是指其自身的固有振动形式，可在示波器上显示出来。并可分别采用直角坐标图示或极坐标图示，以便帮助运行人员了解转子的运动情况与状态。此外，基本参数如振幅、频率和相位角都可从振动形式图象中确定。

（5）振动模式

监测机组的任何一对XY探头可提供转子在某特定位置的运动情况。再利用另一对探头监测机组不同位置，就能确定转子固有模型，以便帮助我们更准确地估算转子与静止部件间的轴向间隙，并估算出转轴的节点位置。

机壳监测和轴或转子的测量方法类似，同样可利用振幅、频率、相角，振动形式和模式等参数描绘。除了了解转子运转情况，掌握机壳状态对分析整个系统也是同等重要的。诸如结构件、管件的谐振，基础的松散或断裂及外振源位置都可利用机器非旋转件的测量确定。在对机器机械性能的综合分析里，机壳的监测是不可忽视的。

2. 位置测量

它包括下述五个方面：

（1）偏心位置

用于测量轴颈轴承处轴的稳态位置。该种测量是对轴承磨损和因预应力严重出现不对中的最佳指示标志。

（2）轴向位移

测量的是推力环到推力轴承的相对位置。测量的目的是为了保证转子与静止部件间不发生摩擦，以避免灾难性事故发生。

（3）低转速偏心

它指的是转子工作间歇时的弯曲量。此弯曲量可通过转子低转速转动时，前置器上直流峰值的缓慢变化显示。如果峰值在一个可接受的低水平范围变动，机器就可启动，不必担心密封损伤或因存在弯曲量而引起的摩擦或不平衡。

（4）胀差

指转子与机壳之间，由于热膨胀量不一致所引起的膨胀之差值。它的存在将使机组发生轴向摩擦、导致恶性事故。因此，为了保证胀差在—定范围之内，在机组末端与止推轴承间相对安装了一趋近式探头，用以监测转子与机壳的轴向间隙。

（5）机壳膨胀

机壳的膨胀测量是对于机组，提供基础与机壳相对胀差的数据。掌握了机壳的膨胀量和胀差就能够断定转子和机壳哪一个膨胀率高。如果机壳膨胀不当，“滑脚”可能被阻塞。

3. 其它参数

（1）速度

转子的速度的测量，长久以来已成为一项必须进行的标准程序。振动测量值与转速的相关性对最终分析机组性能十分重要。

（2）温度

现已愈来愈重视轴向和径向轴承的温度变化。工作过程的温度数据可提供不少有意义的信息，振动或位置测量值与温度信息的相关程度有助于我们对可能发生的机器失灵做出更明确的判断指示。

（3）相关

影响机器运转的温度、压力、流量和其它参数的相关程度对分析整个系统极为重要。利用相关性，可建立完善的预保养程序。

4. 早期轴断裂监测

大量的经验性试验和现场情况记录表明，在轴断裂的监测方面，最好的标志是观察转子一倍频或二倍频时振动向量的变化。可接受区域是指矢量所能允许的变化范围，具体描述可用最大、最小振幅边界和最大、最小相角边界。

—倍频和二倍频振动矢量的相关程度及低速旋转弯曲矢量，对于确定引起矢量变化的起因是很必要的。原因有可能是不对称轴裂造成，也不能排除由于负载、电源、蒸汽条件或其它运行参数的变动，引起了矢量变化。

 三、TSI的基本组成与工作原理

1、TSI的基本组成

无论是国产的TSI，还是进口的TSI；无论是由分立元件构成的TSI，还是由集成电路组成的TSI，或者是由微处理器芯片构成的TSI系统，从结构与组成的角度分析，它们均可以下三部分描绘：

传感器系统将机械量（如转速，轴位移，差胀，缸胀，振动和偏心等）转换成电参数（频率f，电感L，品质因素Q，阻抗Z等），传感器输出的电参数信号经过现场连线送到监测系统，由监测系统转换为测量参数进行显示、记录及相关的信息处理。

2、TSI的工作原理

目前应用广泛的传感器有：电涡流传感器，电感式速度传感器，电感式线性差动变压器和磁阻式测速传感器等等。对于应用得最多的电涡流传感器系统来说，它由探头、接长电缆和前置器组成。前置器具有一个电子线路，它可以产生一个低功率无线电频率信号（RF），这一RF信号，由延伸电缆送到探头端部里面的线圈上，在探头端部的周围都有这一RF信号。如果在这一信号的范围之内，没有导体材料，则释放到这一范围内的能量都会回到探头。如果有导体材料的表面接近于探头顶部，则RF信号在导体表面会形成小的电涡流。这一电涡流使得这一RF信号有能量损失。该损失大小是可以测量的。导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。传感器系统可以利用这一能量损失产生一个输出电压，该电压正比于所测间隙。

前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络及输出放大器等组成，检波器将高频信号解调成直流电压信号，此信号经低通滤波器将高频的残余波除去，再经直流放大器，线性补偿电路和输出放大处理后，在输出端得到与被测物体和传感器之间的实际距离成比例的电压信号。前置器（信号转换器）的额定输出电压为 -4~-20V（线性区）。

监测系统又称为框架，一个框架由三部分组成：电源、系统监测器和监测表。电源为装在框架内的监测表及相应的传感器提供规定的电源，电源总被放在框架的第一位置；系统检测器检验供电水平以确保系统正常运行，同时，它还具有控制系统“OK”的功能。“OK”（正常工作）表明系统的传感器及现场接线是在规定的水平上进行。系统检测器也控制报警点的设置和系统复位。系统检测器总被放在框架的第二位置；监测表不仅可以显示传感器系统是否正常运行，还可以指示传感器的测量值，并在越限时报警。