汽轮机轴位移、胀差传感器的零位锁定

汽轮机轴位移、胀差传感器的零位锁定
一、前言
汽轮机监测系统（Turbine Supervisory Instrumentation）简称TSI，是一种可靠的能连续不断地测量汽轮机发电机转子和汽缸的机械工作参数的监控系统，可用于显示机组的运行状况，提供输出信号给记录仪；并在超过设定的运行极限时发出报警。

另外，还能提供使汽机自动停机以及用于故障诊断的测量。

在全球众多TSI设备的制造厂家中，美国本特利·内华达公司（Bently Nevada）在该领域的不断发展与创新以及其在旋转和往复式机械中保护和管理的丰富经验使其在汽轮机行业尤其是中国的汽轮机市场一直占有重要份额。

〔关键词〕汽轮机胀差轴位移零位锁定
在高参数，大容量汽轮发电机组中，轴位移和胀差是直接反映汽轮机动静间隙的两项最重要的技术参数，也是两项重要保护。

如果轴系机械安装零位和监测保护系统的电气零位不统一，会发生因胀差、位移监测系统传感器的零位锁定不当，使该系统在机组启动后，测量误差较大，甚至无法正常监测和投入保护的严重事故。

因此，机组的轴位移、胀差传感器的零位锁定是直接影响机组启动后，胀差、位移监测系统能否正确反映汽轮机组的动静间隙，从而可靠投入保护的一项重要工作。

1 胀差、位移监测系统的测量原理
胀差、位移监测系统都是利用电涡流传感器的输出电压与其被测金属表面的垂直距离在一定范围内成正比的关系，将位移信号转换成电压信号送至监测仪表，从而实现监测和保护的目的。

现以垞城电厂135 MW机组中N135-13.24/535/535型汽轮机组为例，对美国本特利内华达公司生产的3500-45斜坡式胀差和 3500/42轴位移监测系统的测量原理进行阐述(轴位移、胀差的测量探头采用本特利3300系列330703-00-05-10-02-00，11mm 及330851-02-000-030，25mm电涡流传感器)。

1.1 本特利3500-45斜坡式胀差监测系统工作原理
在机组正常运行中，胀差传感器固定在缸体上，而传感器的被测金属表面铸造在转子上，因此，汽缸和转子受热膨胀的相对差值称为“胀差”( 一般将转子的膨胀量大于汽缸的膨胀量产生的差值做为“正胀差”，反之为“负胀差”)。

根据“输出电压与被测金属表面距离成正比”的关系，该差值被电涡流传感器测得，并利用转子上被测表面加工的8°斜坡将传感器的测量范围进行放大，其换算关系为：
δ=L×Sin8°
式中δ：传感器与被测斜坡表面的垂直距离；L：胀差。

如果传感器的正常线性测量范围为4.00 mm(即δ＝4.00mm)，则对应被测胀差范围L为：
L=δ/Sin8°=4.00/Sin8°=28.74mm
由上式可知：胀差传感器利用被测表面8°的斜坡将其4.00 mm的正常线性测量范围扩展为28.74 mm的线性测量范围，从而满足了对0～20 mm的实际胀差范围的测量。

传感器将其与被测斜坡表面的垂直距离转换成直流电压信号送至前置放大器进行整形放大后，输出0～24V DC电压信号至3500-45斜坡式胀差监测器，分别将A、B传感器输入的信号进行叠加运算后进行胀差显示，并输出开关量信号送至保护回路进行报警和跳闸保护。

同时输出0～10V DC、1～5V DC或4～20 mA模拟量信号至DCS。

安装原理见图1。

(A、B：330851-02-000-030，25mm型电涡流传感器)
图1 传感器安装及信号传递原理图
1.2 本特利3500/42轴位移监测系统测量原理
由于本特利3500/42轴位移监测系统出厂设计为：当测量回路开路或机组的轴向位移达到报警或跳闸值时均会发出报警和跳闸信号，故一般采用2只传感器，分别送入两个3500/42轴位移监测器，将两个监测器的开关量信号输出相“与”后做为跳机保护条件较为可靠。

现以一只传感器为例说明其工作原理。

单只轴向位移传感器的工作原理与单只胀差传感器的工作原理一样。

都是利用电涡流传感器将其与被测表面的位移转换成电压信号送至前置放大器，经整形放大后，输出0～24V DC电压信号，送至3500/42监测器进行信号处理，输出开关量信号至汽轮机跳闸保护系统实现保护功能。

同时送出4～20 mA、0～10V DC、或1～5V DC 模拟量信号至DCS。

图2为信号传递原理图。

(1、2：为330703-00-05-10-02-00，11mm型电涡流传感器)
图2 轴位移信号传递原理图
2 胀差、位移监测系统传感器的零位锁定
2.1 胀差、位移监测系统传感器的零位锁定必须参考的因素
(1) 大轴推力瓦的间隙△值。

(2) 大轴位置(即大轴推力盘已靠在推力瓦的工作面或非工作面)。

(3) 胀差、位移监测器及传感器的校验数据。

现以N135-13.24/535/535型汽轮机组为例，分别介绍了3500-45胀差和3500/42轴位移监测保护系统的零位锁定。

已知：△＝0.36mm，胀差监测器量程为0～20 mm，轴位移监测器量程为+1.25 mm，大轴推力盘靠在工作面，位置如图3所示。

(1、2：轴位移传感器；A、B：胀差传感器)
图3 胀差、轴位移传感器安装示意图
2.2 3500-45斜坡式胀差传感器的零位锁定步骤
(1) 因3500-45监测器的设计量程为0～20 mm，而实际机组停运后会产生约0～2.50 mm的负胀差(此数据可以在汽轮机厂供调试说明书中查到)，因此，传感器安装零位对应监测器的显示为+2.50 mm。

由传感器的校验报告可知，此种型号的传感器安装基准电压为10V DC，按此电压将A、B传感器分别固定，此时，3500-45监测器应显示为+10.00 mm，然后利用千分表和可调拖架将A、B传感器同时向图3所示的胀差方向调整7.50 mm，此时监测器的显示应为+2.50 mm。

(2) 若大轴推力盘靠在工作面，等于将大轴从推力瓦的中间零位向机头推了1/2×△mm，应利用可调拖架将A、B传感器同时再向图3所示的胀差方向调整1/2×△mm后，将可调拖架锁定即可。

此时，A、B传感器的间隙δ1、δ2可按下式推算：
δ1=δAO+(1/2×△+7.50)×Sin8°
δ2=δBO-(1/2×△+7.50)×Sin8°
式中：δAO 、δBO为A、B传感器在安装基准电压10V DC安装时，传感器与其被测表面之间的间隙。

最终零位锁定后，应记录A、B传感器的输出电压。

此时，3500-45监测器应显示为+2.32 mm。

(3) 若推力盘靠在推力瓦的非工作面，则在完成第1步后，利用可调拖架将A、B传感器同时再向胀差的反方向(机头方向)调整1/2×△mm后，将可调拖架锁定即可。

此时，3500-45监测器应显示为+2.68 mm。

δ1、δ2可按下式推算：
δ1=δAO-(1/2×△-7.50)×Sin8°
δ2=δBO+(1/2×△-7.50)×Sin8°
2.3 3500/42轴位移监测系统的零位锁定
因2只轴位移传感器均无可调拖架，故以传感器的零位电压计算值锁定较为准确可靠。

已知：△=0.36mm，大轴推力盘靠在工作面，3500/42监测器量程为+1.25mm，传感器灵敏度F=4.00V/mm，零位安装电压VO=10.00V，则零位电压X的计算：
X=VO-F×1/2×△=10-4.00×1/2×0.36=9.28V
最终零位锁定后，3500/42监测器应显示为-0.18 mm。

注：若大轴推力盘靠在推力瓦非工作面，则X应按下式计算：
X=VO+F×1/2×△
最后，按照计算出的X值安装锁定传感器。

监测器应显示为+0.18mm。

3 现场安装调试中传感器零位锁定应注意的问题
(1) 未考虑推轴间隙，表计则会产生1/2×△mm的测量误差。

(2) 将1/2×△mm的推轴间隙调反，表计则会产生△mm的测量误差。

(3) 胀差监测系统的零位锁定时，未考虑2.50 mm的负向胀差余量，造成零位锁定错误。

在实际生产中，若出现上述问题，均会导致监测系统产生很大的测量误差，使保护系统不能正常投入。

因此，在实际胀差、位移监测系统的零位锁定中，应十分注意上述注意事项从而避免此类问题的发生。