干货|汽轮机TSI系统（4部分）

目录：1、详解汽轮机的TSI系统2、TSI探头的工作原理、安装注意事项3、汽轮机安全监视系统TSI4、汽轮发电机TSI装置安装与调试技术1、详解汽轮机的TSI系统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。下表列出了一些应监视与保护的项目。汽轮机组安全监视与保护项目一览表项目名称主要功能项目名称主要功能1转速显示、报警、保护、高值记忆、升速率13危急遮断器电指示报警、动作转速记忆2零转速联锁14转子热应力显示3轴承盖振动显示、报警、保护15油动机行程显示、报警4轴振动显示、报警、保护16同步器行程显示5扭转振动显示17高中压缸主汽门关闭信号6偏心度显示、越限闭锁18主油箱油位显示7轴向位移显示、报警、保护19润滑油压显示、联锁、报警保护8高压缸胀差显示、报警20高压缸上下壁温差显示、报警9中压缸胀差显示、报警21汽缸进水报警10低压缸胀差显示、报警22凝汽器真空显示、联锁、报警、保护11高压缸（左右）热膨胀显示、两侧胀差大于定值报警23发电机故障保护12中压缸（左右）热膨胀显示、两侧胀差大于定值报警24油开关跳闸联锁二、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，使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（后改为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，主要有两种类型：一种是仿本特利早期产品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计算机的后台式监测认断系统，该类系统多由科研院所开发，一般并接在进口TSI系统的信号缓冲输出上，作为进口TSI系统的补充部分，仅具有数据采集、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保护功能。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广泛，也是本特利公司最先进的TSI系统。本特利3500系列仪表在使用过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，安装后对细微偏差的可调整功能给调试、使用提供了很多方便。该系统具有以下主要技术特点：（1）单元模块化结构，安装于标准框架中，主要包括：电源模块、接口模块、键相模块、监测模块、通讯模块等。（2）各功能模块都有一颗单片微控制器（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、报警保护输出、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，最高通信速率115.2kbps。（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，大部分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。调试过程中，可以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监视系统软件主要有3个软件包：（1） 框架配置软件。主要包括框架配置、机架接口模件与主机端口测试实用程序、通信网关测试实用程序、框架配置教程、框架配置帮助等。（2） 数据采集DDE (动态数据交换) 服务器软件。主要包括数据采集DDE (动态数据交换) 服务器、软件配置实用程序、编辑元件实用程序、RIM (框架接口模件) 主机接口测试实用程序、数据采集显示教程。（3）操作员显示软件。主要包括监视器通道值的条形显示、机器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，该系统具有以下主要技术特点：（1）单元模块化结构，安装于19“标准框架中，主要包括：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，内置一颗单片微控制器（MCU），实现模块自检、数据采集、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采集数据。（4）系统中RS485总线最多连接31个模块/62个通道，数据通信速率最高为115.2kbps。（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，它具有以下主要技术特点：（1）单元模块式结构，主要包括：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、通讯/键相模块、继电器模块、电源模块等。（2）模块内置单片微处理器，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）通讯/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；数据通信速率最高为19.2kbps。（6）双重冗余电源模块。4. 国内的TSI产品我国涡流式保护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，从技术上逐步形成了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，但稳定性略差；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定性好的特点结合起来，提出了采用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种类型检测的优点，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。以涡流式传感器为主要检测元件所组成的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产品在安全性、可靠性、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采集的数据模式均不对外开放，无法被国内的各种诊断分析软件利用，TSI只起了基本的监视保护作用，浪费了系统资源；模块种类较多，导致备件品种繁多，成本高且供应周期较长；各功能模块与上位机之间的数据通信采用的较为落后的RS485总线，数据传输速率较低，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保护系统。国内厂家生产的TSI产品在价格上则有较大优势，如国外产品价格一般按每通道约合人民币20000～50000元，而国内产品约在5000～10000元之间。因此应根据具体情况合理地选用TSI产品。三、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。四、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。

TSI是汽轮机安全保护的重要系统，这里奉献给大家一组图片来进行学习。

4、 汽轮发电机TSI装置安装与调试技术1 引言汽轮机监视保护系统（TSI系统）特指汽轮发电机组的振动、轴向位移、涨差、转速、零转速、偏心键相、缸涨等热控参数监控的总称，在机组启停及正常运行中，实时监测汽轮机组各项参数，并提供报警、停机保护等功能，对汽轮机组的安全运行起着重要作用。TSI系统功能的好坏直接取决于就地一次元件的安装：涡流传感器及前置器。希望通过本文对TSI系统各类探头的测量原理，以及安装、校验的方法，对热控人员的调试和日常维护工作起到帮助作用。2 TSI系统的构成TSI系统主要构成为：旋转机械监视保护系统及其配套的现场测量探头。均采用模块化设计，可在其框架内安装不同种类及数量的模件，完成各种测量，并通过柜内的继电器回路完成保护信号的输出。汽机轴系上安装的探头主要分为以下几类：a）汽机各部分位移测量：转子的轴向位移、转子与汽缸的相对膨胀（fg括高压胀差和低压账差）、汽缸的热膨胀（绝对膨胀）、偏心；b）汽机轴状态测量：转子轴的振动（轴振）、轴承的振动（瓦振）、振动的相位角；c）汽机转速测量：转速、零转速。3 振动的测量与调试汽轮机主要通过旋转运动来实现能量转换而完成预定的功能，转子是汽轮机的核心部件。因此当汽机功率的增大和转速的不断提高，振动所产生的应力、摩擦、转轴过度弯曲等情况，会引起一系列事故的发生。因此，振动的测量与监视越来越显得重要。3.1 振动的测量原理对转子的振动，一般通过非接触的涡流传感器测量振动的位移量。此时测量的振动位移是转子轴表面相对于涡流传感器探头间的位置变化，因此又称作相对振动测量。有一个专用的测量路线实现电涡流位移测量：包括高频信号发生器和滤波电路等，这些电路均安装在前置器内（见图1）。图1 振动信号测量原理

对于轴承座或缸体的振动，可以通过接触式的惯性速度传感器测量振动的变化速度，或者通过接触式的压电加速度传感器测量振动变化的加速度。测量的振动变化速度和加速度都是相对于大地这一固定的参照系度量的，因此又称作绝对振动测量。一般来说，人们习惯于将测量的振动速度值和加速度值通过积分变换成位移量。3.2 振动探头的安装涡流传感器安装的一项重要工作是调整间隙电压，即调整传感器前端面与被测面表面的距离，使间隙处在线性范围之内，否则，在非线性段的灵敏度变化将带来测量上误差和波形失真。调整时需将传感器探头接到前置器上，给前置器提供一24V电源，然后松开探头紧固螺母，调整探头并测量前置器输出电压在传感器特性曲线线性中点附近，一般调整至间隙电压为-8V～-12V之间即可。4 位移的测量与调试轴在运行中，由于各种因素，诸如负荷、温度等的变化使轴在轴向有所移动。这样转子和定子之前有可能发生动静摩擦，所以需要传感器测量转子相对于定子轴向位置的变化，即：轴在轴向相对于止推轴承的间隙。所以就需要涡流探头探测这一间隙的变化，通过检测传感器输出信号的直流间隙电压，就可以确定推力盘在轴承中的相对位置。由于参数的重要性通常设计3-4个探头同时探测一个对象。5 位移的测量原理与安装轴向位移是指转子在轴向与推力轴承的位置或位移的变化；胀差是指汽缸与转子间发生的热膨胀的差值。轴承座和汽缸沿横销和纵销作横向和纵向膨胀，通过横销和纵销的两条直线的交点称为汽缸的死点。转子以推力盘为死点，沿轴向前后膨胀。胀差是机组启停和正常运行时必须监测的重要参量。对于目前的机组来说，利用涡流传感器除了能测量轴向振动外，根据间隙电压变化可以测量轴向位移及高、低压胀差的变化。由于轴向位移与高、低胀差存在正负方向，因此安装探头时一定要注意：a）如果转子轴向膨胀大于汽缸值，称为正胀差，反之称为负胀差。一般来说，在冷态启动过程中，主要表现为正胀差，在热态启动和停机过程中，主要表现为胀差往负向走。b）有些国产引进机组高压胀差的被测面有一定的角度，因此在冷态安装时，注意查阅安装资料，确认被测面的倾斜角度值，通过计算调整其初始值与轴向位移相同。c）在安装轴向位移探头之前，必须确定汽机的推力间隙，即K值；先推向工作面，再推向非工面，测出推力间隙（注意扣除瓦本身的位移），再推向工作面，此时将轴向位移值定为推力间隙值的一半。这就是“中间定零”的方式，即以K/2位置作为轴向位移的零点。靠近工作面为正，远离工作面为负。另外还有两种定零方式：在冷态时将转子的推力盘推向推力瓦的工作瓦块（发电机侧），并与工作面靠紧，此时将轴向位移定为零位；或是推向非工作面，靠紧定零位，具体选哪一种看厂家要求。d）如果轴向位移设计如上图（b）所示方式，那么相对于A、C探头来说，B、D探头内部组态中的“电压一距离”曲线必须进行取反，以保证在4个探头在初始安装时示值一样。6 转速的测量与调试目前大型火电机组汽轮机安装转速探头较多，DEH系统一般有独立的测量回路，用于机组的调速控制，而TSI系统的转速测量多用于电超速保护。6转速的测量与调试目前大型火电机组汽轮机安装转速探头较多，DEH系统一般有独立的测量回路，用于机组的调速控制，而 TSI系统的转速测量多用于电超速保护。一般情况下用磁感应传感器来测量机组的转速，就是利用侧速齿盘轮与测量探头之间的高、低电压的变化所形成的脉冲信号的数量，来获得实际的转速值。零转速是事先设定好的轴的旋转速度，当正在运行的机器需要停车时，机器的转速达到零转速的设置点，继电器触点的动作，使盘车的齿轮啮台，使轴可以持续慢速的旋转，以防止轴变得弯曲，来防止在开车的过程中因为轴的弯曲对机器产生损坏。测量链是由两个装在前箱的正对60°或者134°的齿盘的板件和传感器组成。汽机转速口的探头安装时可以利用塞尺来进行测量。转速的计算公式为：转速 =脉冲的频率（f）/齿的数量（z）×60（rpm7 绝对膨胀探头的安装汽轮机在开机的过程中因为受热导致其汽缸膨胀，如果膨胀不够均匀便会造成汽缸的翘起或变斜，这类变形会使基础与汽缸之间产生出巨大的应力，因此出现不对中的现象，而这种现象一般是由滑销系统的“卡涩”现象所引起的。将LVDT传感器的汽缸与铁芯连接，在膨胀时，铁芯便会运动，出现成比例的电信号，输入测量板件并进行线性处理，显示并输出（4～20）mA的信号。在安装的时候，在机组的冷态下应将2只热膨胀传感器紧紧的装在热膨胀支架上，零点应是传感器上的指针指示为示零位置。8 TSI系统探头现场安装、调试注意事项及解决方法8.1 探头安装中注意事项a）对应轴位移和涨差传感器的安装，应使探头的中心与有效被测面的中心对应或偏外一些。b）在探头安装时为防止机械损坏，应把探头引线与延伸电缆分开，不能握住传感器引线旋转，应用工具夹住探头上的扳手平台紧固，探头引线随之旋转。c）按要求紧固探头后，接好探头引线与延伸电缆接头，再捆扎好固定在箱体内，防止运行时损坏电缆。d）每个传感器对于被测面都要求垂直，最大偏移角度<1.0。8.2 调试过程中遇到问题及解决方法a）在振动出现异常时，注意油温变化、润滑油压，是不是汽轮发电机组的转动部分出现大轴弯曲或者动静摩擦，同时要注意发电机内部氢气温度的变化情况。b）在低压差涨探头和高压差涨探头安装完成后，发现低压差涨、高压差涨偏离零位时，应先去现场充分了解低压缸的加热情况，再分析出现不正常现象的原因：探头安装的不太牢靠出现大轴零位移动或松动现象，然后再针对问题及时采取相应的解决措施。c）当发现轴向的位移在增大，轴向位移值逐渐增至±0.89mm时，应检查蒸汽参数、凝汽器真空、负荷、密切的监视差涨变化、推力轴承金属温度并及时进行调整，应对进行表计检测，同时倾听机组是否出现异声，各轴承是否出现振动，注意低压缸的排气温度，主蒸汽及再热蒸汽的温度。9 结语TSI系统可以为机组系统的稳定运行提供重要的保障，我们要充分重视起TSI系统的安装调试工作，保证系统的正常运行。对TSI系统在安装与调试中遇到的问题进行深入的分析与研究，以求可以尽快排除故障，确保机组能够安全可靠的运行。