汽机平安监视系统TSI_讲课全面

TSI
第一节概述
汽轮机平安监视系统（TSI）是一种集爱惜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爱惜系统。

TSI能够对机组在起动、运行进程中的一些重要参数能靠得住地进行监视和贮存，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、显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，因此普遍地应用于3MW～600MW的各类汽轮发电机组上。

一、汽轮机平安监视的内容
汽机应监视和爱惜的项目随蒸汽参数的升高而增多，且随机组不一而各有不同，一样有以下一些参数：
（1）轴向位移监视：持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，幸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：持续检测转子相关于汽缸上某基准点（一样为推力轴承）的膨胀量，一样采纳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：持续监测汽缸相关于基础上某一基准点（一样为滑销系统的绝对死点）的膨胀量。

由于膨胀范围大，目前一样都采纳LVDT进行缸胀监视。

（4）零转速监视：持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：持续监测转子的转速。

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：监视主轴相关于轴承座的相对振动和轴承座的绝对振动。

（7）偏心度监视：持续监视偏心度的峰-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，机组再也不盘车而停机，这时瞬时偏心度仪表的读数应最小，这确实是最正确转子停车位置。

（8）相位监视：采纳相位计持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：持续指示调速汽门的动作位置。

下表列出了一些应监视与爱惜的项目。

汽轮机组安全监视与保护项目一览表
二、几种典型TSI简介
目前在中国市场上，有许多国内外厂家的TSI产品在机组上投入运行。

其中，200MW 以上机组的TSI系统几乎完全被国外产品垄断，这些系统的引进始于20世纪80年代，利用较多的产品有美国本特利（BN）公司的7200系列、3300系列、3500系列；德国菲利浦公司（后改成EPRO）的RMS700、EPRO MMS6000系列；日本新川公司的VM-3、VM-5系列等。

国产设备仅在一些小容量机组上应用，要紧有两种类型：一种是仿本特利初期产品7200或飞利浦RMS700的模拟分立式或组合式单元仪表，另一类是数采器加通用运算机的后台式监测认断系统，该类系统多由科研院所开发，一样并接在入口TSI系统的信号缓冲输出上，作为入口TSI系统的补充部份，仅具有数据搜集、波形显示、计算分析等后台功能，不具有TSI必需的标准输出和监视爱惜功能。

1. 本特利3500系统
本特利3500系统是目前我国大型机组上应用较为普遍，也是本特利公司最先进的TSI 系统。

本特利3500系列仪表在利用进程中以其实验室级别的精度，组态调整的灵活性, 模件、前置放大器、探头的可替换性，安装后对细微误差的可调整功能给调试、利用提供了很多方便。

该系统具有以下要紧技术特点：
（1）单元模块化结构，安装于标准框架中，要紧包括：电源模块、接口模块、键相模块、监测模块、通信模块等。

（2）各功能模块都有一颗单片微操纵器（MCU），用于实现各模块的智能化功能，如组态设置、自诊断、信号测试、报警爱惜输出、数据通信等。

（3）各模块间通过RS232/RS422/RS485总线和MODBUS协议进行数据通信，最高通信速度。

（4）可通过上位机的组态软件对各个模块进行组态设置，并下载到各个模块的非易失性存储器中。

（5）双重冗余供电电源模块。

（6）支持带电拔插功能。

本特利3500系统与本特利3300系统不同，它没有面板显示，其测量显示通过上位机显示或直接触发继电器模块输出，大部份内部设置都在软件中完成。

本特利3500系统具有多种通信方式。

调试进程中，能够用本特利公司提供的RS232通信接口直接与DCS系统连接，在DCS操作员站进行组态配置和参数显示。

另外还有相对振动、轴位移、胀差等参数通过4~20mA信号送到DEH系统进行显示。

3500监视系统软件要紧有3个软件包：
（1）框架配置软件。

要紧包括框架配置、机架接口模件与主机端口测试有效程序、通信网关测试有效程序、框架配置教程、框架配置帮忙等。

（2）数据搜集DDE (动态数据互换) 效劳器软件。

要紧包括数据搜集DDE (动态数据互换) 效劳器、软件配置有效程序、编辑元件有效程序、RIM (框架接口模件) 主机接口测试有效程序、数据搜集显示教程。

（3）操作员显示软件。

要紧包括监视器通道值的条形显示、机械链图和对应的数据值、趋势图、系统事件列表、现用的报警信号列表、报警信号列表。

2. EPRO MMS6000系统
MMS6000系统是EPRO公司最先进的数字化智能型TSI，该系统具有以下要紧技术特点：
（1）单元模块化结构，安装于19“标准框架中，要紧包括：轴振模块、轴承振动模块、轴位移/差胀模块、偏心模块、缸胀模块、通信接口模块等。

（2）各监测模块均为双通道，内置一颗单片微操纵器（MCU），实现模块自检、数据搜集、数据通信、监测报警等功能。

（3）通过RS232/RS485总线对模块进行软件组态设置和读取模块搜集数据。

（4）系统中RS485总线最多连接31个模块/62个通道，数据通信速度最高为。

（5）支持带电拔插功能。

（6）双重冗余电源模块。

3. 日本新川VM-5系统
VM-5系统TSI系统是日本新川公司的智能型数字式TSI系统，它具有以下要紧技术特点：
（1）单元模块式结构，要紧包括：轴振模块、瓦振模块、加速度模块、偏心模块、轴向位移模块、差胀模块、缸胀模块、转速模块、通信/键相模块、继电器模块、电源模块等。

（2）模块内置单片微处置器，具有自诊断功能（电源检查、传感器故障等）。

（3）面板上LCD显示功能，可显示测量值、报警值、间隙电压等。

（4）通过内部跳线和RS232/RS485接口设置模块工作方式和参数。

（5）通信/键相模块可通过RS232/RS485接口与上位机通信，其他模块无通信接口；数据通信速度最高为。

（6）双重冗余电源模块。

4. 国内的TSI产品
我国涡流式爱惜仪表的研制开发起步较晚，从1976年起，上海发电设备成套设计研究
所、航天部608所、清华大学等一批科研院所、大学开始从事这方面的研究工作，从技术上慢慢形成了2个系列，即以上海发电设备成套设计研究所为代表的调幅式涡流传感器和以清华大学为代表的调频式涡流传感器，这2个系列各具优缺点：调幅式传感器特点是线性特性好、线性范围大，但稳固性略差；而调频式传感器的特点恰恰相反。

从1984年开始，上海发电设备成套设计研究所对涡流式位移传感器进行了大量研究工作，把调幅式传感器的线性范围大和调频式传感器稳固性好的特点结合起来，提出了采纳调频调幅式的检测方式，比较圆满地综合了调频式和调幅式2种类型检测的优势，使得国产的涡流传感器上了一个新台阶，并已陆续投入工业运行，用户普遍反映良好。

以涡流式传感器为要紧检测元件所组成的RD 系列单件仪表已有400多套在全国投运。

由于制造工艺上的差距，外国公司的TSI产品在平安性、靠得住性、先进性、通用性等方面感觉上优于国内的TSI产品，但也存在不足，如TSI搜集的数据模式均不对外开放，无法被国内的各类诊断分析软件利用，TSI只起了大体的监视爱惜作用，浪费了系统资源；模块种类较多，致使备件品种繁多，本钱高且供给周期较长；各功能模块与上位机之间的数据通信采纳的较为掉队的RS485总线，数据传输速度较低，除本特利3500外，其余TSI的各模块之间难以组成网络化的监视爱惜系统。

国内厂家生产的TSI产品在价钱上那么有较大优势，如国外产品价钱一样按每通道约合人民币20000～50000元，而国内产品约在5000～10000元之间。

因此应依照具体情形合理地选用TSI产品。

四、TSI系统监测的大体参数
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。

利用趋近式探头测量以获取振动振幅的精准数据。

尽管机壳测量被尝试用于“高频”振动，需要着重指出的是机械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械评估时刻的一个小百分点。

（2）频率
振动的频率通常被表示为机械转速的倍数形式。

这要紧取决于机械转速在几倍频或几倍频情形下机械振动频率的趋向。

机械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。

通过确信这些至高点的位置，就能够够确信转子平稳条件和不平稳误差的位置。

同时，相角对确信转子平稳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。

并可别离采纳直角坐标图示或极坐标图示，以便帮忙运行人员了解转子的运动情形与状态。

另外，大体参数如振幅、频率和相位角都可从振动形式图象中确信。

（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形。

再利用另一对探头监测机组不同位置，就能够确信转子固有模型，以便帮忙咱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式类似，一样可利用振幅、频率、相角，振动形式和模式
等参数刻画。

除了解转子运转情形，把握机壳状态对分析整个系统也是一样重要的。

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械非旋转件的测量确信。

在对机械机械性能的综合分析里，机壳的监测是不可轻忽的。

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峻显现不对中的最正确指示标志。

（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，以幸免灾难性事故发生。

（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转变显示。

若是峰值在一个可同意的低水平范围变更，机械就可启动，没必要担忧密封损伤或因存在弯曲量而引发的摩擦或不平稳。

（4）胀差
指转子与机壳之间，由于热膨胀量不一致所引发的膨胀之差值。

它的存在将使机组发生轴向摩擦、致使恶性事故。

因此，为了保证胀差在—定范围之内，在机组结尾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
机壳的膨胀测量是关于机组，提供基础与机壳相对胀差的数据。

把握了机壳的膨胀量和胀差就能够够判定转子和机壳哪个膨胀率高。

若是机壳膨胀不妥，“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需进行的标准程序。

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转变。

工作进程的温度数据可提供很多成心义的信息，振动或位置测量值与温度信息的相关程度有助于咱们对可能发生的机械失灵做出更明确的判定指示。

（3）相关
阻碍机械运转的温度、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，可成立完善的预保养程序。

4. 初期轴断裂监测
大量的体会性实验和现场情形记录说明，在轴断裂的监测方面，最好的标志是观看转子一倍频或二倍频时振动向量的转变。

可同意区域是指矢量所能许诺的转变范围，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，关于确信引发矢量转变的起因是很必要的。

缘故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更，引发了矢量转变。

第二节TSI的大体组成与工作原理
一、TSI的大体组成
不管是国产的TSI，仍是入口的TSI；不管是由分立元件组成的TSI，仍是由集成电路组成的TSI，或是由微处置器芯片组成的TSI系统，从结构与组成的角度分析，它们都可由以下图所示的三部份刻画：
监测系统
TSI的结构原理图
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通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置。

二、TSI的工作原理
传感器和信号转换器框图
目前应用普遍的传感器有：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。

关于应用得最多的电涡流传感器系统来讲，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，它能够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。

若是在这一信号的范围之内，没有导体材料，那么释放到这一范围内的能量都会回到探头。

若是有导体材料的表面接近于探头顶部，那么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。

该损失大小是能够测量的。

导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。

传感器系统能够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置后，在输出端取得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，一个框架由三部份组成：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名置；系统检测器查验供电水平以确保系统正常运行，同时，它还具有操纵系统“OK”的功能。

“OK”（正常工作）说明系统的传感器及现场接线是在规定的水平上进行。

系统检测器也操纵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；监测表不仅能够显示传感器系统是不是正常运行，还能够指示传感器的测量值，并在越限时报警。

第三节传感器系统
TSI系统要紧由传感器及智能板件组成。

传感器是将机械振动量、位移、转速转换为电量的机电转换装置。

依照传感器的性能和测试对象的要求，可利用电涡流传感器，对汽轮机组的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量，如BN公司的8mm、11mm、25mm、50mm 传感器，EPRO公司的PR6423、PR6424、PR6426传感器；利用速度传感器对盖振进行测量，如BN公司的9200传感器，EPRO公司的PR9268传感器；利用线性可变差动变压器（L VDT）对热膨胀进行测量，如国产的TD-2传感器，EPRO公司的PR9350传感器。

另外，还可利用差动式磁感应传感器来测量机组的转速，如EPRO公司的PR9376传感器。

1. 电涡流传感器
电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙转变来测物体的振
（从0～10Hz）。

涡流传感器的简图如图19-4所示。

以频率较高（一样为1MHz～2MHz）
体的表面层感应出一涡流ie，而ie
合系数K1与距离d有关，K= K1（d）
合减弱，K1
感的转变，也就间接测定d的转变。

图19-4 涡流传感器原理简图由于传感器反馈回的电感电压是有必然频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能取得间隙随时刻转变的电压波形。

即依照以上原理所述，为实现电涡流位移测量，必需有一个专用的测量线路。

这一测量线路（称之为前置器）应包括具有必然频率的稳固的震荡器和一个检波电路等。

之前置器输出的电压V d是正比于间隙d的电压，它可分两部份：一为直流电压V de，对应于平均间隙（或初始间隙），一为交流电压V ac，对应于振动间隙。

2. 速度传感器
感器壳体上。

线速度。

如右图所示。

3. L VDT传感器
其工作原理是利用电磁感应中的互感现象，实质上确实是一个变压器，如图19-6所示。

变压器上低级线圈W和两个参数完全相同的次级线圈W1，W2组成，线圈中心扦入圆柱形铁心，次级线圈W1和W2反极性串联，当低级线圈W加上交变电压时，次级W1和W2别离产
差动式磁感应传感器的工作原理是利用一个差动式灵敏元件。

该元件由一块永久性磁铁上的两个彼此串联的磁敏半导体电阻组成（这两个半导体的材料及几何尺寸相同）。

在传感器电路中，这两个电阻组成一个差动电感电桥（如惠斯顿电桥）。

当磁铁或钢的触发体接近或远离传感器且彼此成直角（即传感器探头表面磁铁所产生的磁场与触发体边沿成直角）时，它干扰了传感器内部的磁场，使差动电感电桥失去平稳而输出一电压。

通过对这一电压测量，即能取得被测物（即触发体）与传感器探头间的间隙转变。

在TSI测量实际应用中，咱们一样用该磁感应传感器测量机组转速，确实是通过测量探头与测速齿盘轮间的高、低电压转变所形成脉冲信号的数量，来取得实际转速值。

5. 智能板件
各类测量板件同意相应传感器的电量信号后进行整形、计算、逻辑处置等以后，显示出精准、直观的监测数据和报警指示。

输出标准的模拟量信号和继电器接点。

智能板件可对传感器联线和自身的运行情形进行检测，具有运算机通信接口，可对测量范围和逻辑输出进行组态，具有缓冲传感器信号输出等功能。

关于重要的测量可进行冗余的配置，增强了靠得住性。

第四节测点及传感器安装位置
一、600MW机组TSI的测点布置
600MW机组的测点配置及传感器安装位置见图19-7所示。

二、传感器安装位置
图19-7 600M W 汽轮机T S I 测点图
1. 转速及零转速
机械转速的测量，长期以来已成为一项必需进行的标准程序，转速值显示是汽轮机组开车、停车和稳固运行时的重要参数，而且振动值与机械转速的相关性对最终分析机械性能十分重要。

例如：在机械停车进程中，转速突然下降，会意味着机械内部存在着大面积的金属摩碰。

而零转速是预先设定的轴旋转速度，当运行的机械需停车时，机械转速达到零转速设置点，继电器触点动作，使盘车齿轮啮合，使轴持续慢速旋转，来避免轴产生弯曲，以幸免在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机械造成损坏。

测量装置由两只装于前箱正对60（或134）齿盘的传感器和板件组成，如图19-8所示当机械旋转时，齿盘的齿顶和齿底通过探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，
图19-9 超速测量示用意
3. 轴振动
对旋转机械来讲，衡量其全面的机械情形，转子径向振动振幅，是一个最大体的指标，很多机械故障，包括转子不平稳、不对中、轴承磨损、转子裂纹和磨擦等都能够依照振动的测量进行探测。

转子是旋转机械的核心部件，旋转机械可否正常工作要紧决定于转子可否正常运转。

固然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，组成了转子－支承系统。

一样情形下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。

因此轴颈的相对振动比之轴承座的振动有显著的不同。

专门是当支撑系统（轴承座、箱体及基础等）的刚度相对来讲比较硬时（或说机械阻抗较大），轴振动能够比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大多数振动故障都直接与转子运动有关。

因此从转子运动中去监视和发觉振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和有效。

因此，目前轴振的测量愈来愈重要，轴振动的测量对机械故障诊断是超级有效的。

例如，依照振动学原理，由X、Y方向振动合成可取得轴心轨迹。

在测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变成
图19-11 盖振的测量示用意
在轴振动的测量中已说明了大轴的振动能够传递到轴承壳上，利用速度传感器测量机壳相关于自由空间的运动速度，板件把从传感器来的速度信号进行检波和积分，变成位移值，并计算出相应的峰-峰值位置信号如图19-11所示。

机组瓦振的测量范围：0～100μm。

5. 偏心
转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情形下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确信的位置浮动，但是一旦机械经受必然的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会显现偏心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与负方向的极值之差。

偏心的测量可用来作为轴承磨损，和预加负荷状态（如不对中）的一种指示；转子偏心（在低转速时的弯曲）测量是在启动或停机进程中，必不可少的测量项目，它可使你能够看到由于受热或重力所引发的轴弯曲的幅度。

偏心监测板同意两个涡流传感器信号输入，如图19-13所示。

一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调剂电路上。

键相探头观看轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，那个脉冲可用来操纵计算峰-峰值。