台山1000MW机组振动监视与保护系统可靠性分析

【摘要】本文介绍了瑞士Vibro-Meter的VM600机组振动监测系统在广东国华粤电台山发电有限公司1000mw机组中的应用实例，分析并总结了VM600机组振动监测系统在台山1000MW大型燃煤发电机组的安装、调试、运行及维护过程中的特点，通过对台山1000MW机组振动监视与保护系统长期应用过程中的可靠性研究和分析，探讨了VM600振动监测系统在大型火力发电机组生产应用中存在的不足，以及如何提高大型火力发电机组振动监视与保护系统可靠性的方法。

【关键词】1000MW;振动监视与保护;可靠性

引言

21世纪中国电力行业发展日新月异，大型汽轮机组逐渐成为主力机组的趋势不可阻挡。汽轮机TSI系统是一种可靠地连续监测汽轮机发电机转子和汽缸的机械运行参数的多路监控系统，该系统中存在的问题会严重影响机组安全稳定运行。由于大型火力发电机组单机发电功率大，机组事故跳闸造成的后果不可预知性较大，因此如何提高大型火电机组生产过程中TSI系统的可靠性成了更加重要的研究课题。

1.设备概况

1.1 系统简介

广东国华粤电台山发电有限公司二期工程为2台1000MW超超临界燃煤机组，该工程TSI系统使用的是瑞士Vibro-Meter公司生产的VM600型在线监测与保护系统。TSI探头通过延伸电缆将信号送到前置器后，转换成电压信号送到测量卡件上，进行相应的处理。台山二期1000MW机组设计每个轴承相对振动和绝对振动各2个测点，轴位移3个测点。

1.2 设备工作原理

瑞士VM600系统主要配备有两种工作原理类型的位移（振动）检测探头。一种为电涡流型，一种为压电式加速度振动传感器[1]。

电涡流探头通过其端部线圈与被测物体间的间隙变化来测量物体的振动和静位移。当线圈通以高频电流时，将产生高频电磁场，它在被测导体的表面层感应出一涡流，该涡流所形成的电磁场又穿过原线圈。这样，原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合系数的互感。只要能够将反映耦合系数的等效电感测到并显示出来，即可折算出传感器线圈与被测导体间的距离。

压电式加速度探头则是利用某些晶体材料的压电效应作为机电变换器而制成的加速度传感器。惯性质量运动时产生的惯性力作用在压电晶体上，压电晶体产生相应大小电荷。再通过转换装置将电荷信号转换成所需要的电压或电流信号。其工作原理如图1所示。

图1 加速度型传感器工作原理

1.3 机组保护装置动作原理

TSI系统本身不做保护逻辑，而是通过一次仪表采集的信号送至二次表处理后输出开关量和模拟量信号至DEH/ETS系统做跳机保护逻辑。TSI根据DEH要求送出以下信号：

（1）从模拟量输出端把轴承复合振动信号和盖振信号送DEH显示或作ETS轴承盖振动高跳闸;

（2）从开关量继电器分别送出各通道OK信号至DEH，参与ETS保护信号判断;

（3）从缓冲输出端把信号送至TDM系统，用于在线分析汽机各部分振动情况。

2.系统可靠性分析与优化

2.1 设备选型可靠性优化

台山二期1000MW汽轮机组通过优化选用瑞士Vibro-Meter公司的VM600监测系统，该系统主要特点有：

（a）各种测量只用一种卡件MPC4，减少了备件和维护量

（b）仪表上带数字就地显示，便于系统安全调试。

（c）轴位移和胀差可以反向处理和显示。

（d）可以设置为冗余电源，直流电源可以双电源供电。

（e）所有卡件可以热拔插。

（f）机器保护卡件MPC4在没有CPU模块或CPU模块出现故障时能正常工作。

（g）更换MPC4卡件时不需重新组态，数据自动从处理器模块下载。

（h）继电器模块从VM600框架后面安装，不占VM600插槽，有逻辑组态功能。

（i）系统自检功能和传感器故障自动识别。

（j）冗余以太网通讯和RS485/RS422/RS232

而与TSI配套使用共同组成机组跳闸保护系统的DEH控制系统更是有西门子公司生产的成熟控制系统设备。先进以及成熟的设备选型保障了设备本身的安全性能和可靠性能。

2.2 设计策略及优化

2.2.1 系统可靠性设计及优化

汽机TSI系统设计时考虑两路UPS供电，系统框架采用N+1冗余供电方式，1个电源模件故障不会对系统产生任何影响。系统设有掉电报警功能和通道不OK报警，大大提高了系统可靠性。在原设计基础上增加了一台柜顶散热风扇，增强控制柜散热效果。

VM600框架或卡件失电情况下，送至小机ETS的开关量保护信号会触发导致小机跳闸。为避免卡件故障、接线松动、接触不良等原因引起卡件失电，对卡件跳线重新进行设置，保证卡件失电情况下不发出跳闸指令。

电厂DEH与TSI的系统接口均没有设置TSI失电报警功能，TSI电源失去时不能及时监测。为此，在主机TSI柜和DCS柜间增加了一根柜间电缆，作为电源模块失电报警开关量信号给DCS画面进行监视。

2.2.2 控制逻辑可靠性设计及优化

主机TSI信号经过VM600处理后送出模拟量至DEH，汽机跳闸逻辑在DEH中实现，组态人员充分考虑和估计了TSI系统的各种异常工况（通道不OK、测量偏差等），在逻辑中适当加入闭锁和三选二逻辑判断功能。西门子DEH原振动跳机逻辑中当同一瓦的2个绝振探头同时故障，延时3s触发跳机保护。而VM600控制系统，在通道故障时，会延时10秒保持故障状态，这样当干扰信号导致通道故障时，即使干扰消失也不能及时复位故障信号，这样导致机组跳闸事件的发生。针对此情况，对保护逻辑进行了均取消“两个瓦振通道同时故障，延时3s跳机”条件的优化。

2.2.3 信号传输可靠性设计及优化

设计选用X3X1.0总屏加分屏电缆，在电缆屏蔽接地时考虑把总屏与分屏绝缘后分别接地。设计使用独立的DEH和TSI电缆桥架，机柜和绝振探头均采用浮空安装，确保单个信号单端接地[2]。

此外，优化了原通道分配设计方案，增加了信号传输过程中的可靠性。小机TSI轴位移信号通道分配设计存在缺陷，3个轴位移信号分配在同一块卡件上，这在一定程度上丧失了冗余功能，同时也违反25项反措。针对这一问题，对小机TSI通道进行了重新分配和改线，将3个轴位移信号分配到3块卡件上以降低误动风险。

3.运行中发现问题和改进措施

3.1 传感器安装质量问题

机组调试过程中出现过振动探头安装面反装、接线反接、接线端子无线鼻子、接线过紧造成端子隐形损坏等问题，此类隐患对测量结果虽不会造成明显影响，但采集信号会产生小幅波动和不稳定现象，因此，对于探头的安装要力求规范，免留下隐患。轴位移探头出现过偏差过大的问题，虽然可以采取信号采集模块中修正的方法，但当位移量发生变化时，偏差值会再次出现，因此安装时应尽量在探头侧进行调整[3]。

3.2 传感器高温工作环境影响

机组TSI框架设计偏挤，通风空间小，模块温度偏高，出现了卡件烧毁的问题，针对此问题在TSI控制柜电源模块上方加装了一台冷却通风风扇。系统中#2瓦处工作环境最为恶劣，由于靠近高压缸，温度高达110℃，长期运行必然对相对振动、绝对振动电缆、轴位移探头和电缆产生不利影响。针对此问题，在#2瓦处引进压缩空气对探头和电缆进行冷却，并主动缩短该处设备的使用寿命和校验周期。

3.3 传感器电缆浸油问题

由于毛细作用问题，绝对振动从轴承箱的引出线处容易出现浸油问题，由于浸油沿传感器电缆会一直污染到前置器接线端子处，容易造成前置器对地绝缘不良，或造成电缆接头污染，引起信号波动，针对此类问题，一方面采用在带有隔油塞的延伸电缆，另一方面在电缆最低处开孔，提前引流油，避免油渍污染探头接线端子。

3.4 采集信号干扰问题

振动信号的抗干扰问题是一直存在的较严重的影响TSI系统可靠性的问题，也是较难预防的问题。台山电厂运行过程中发现了干扰的几种类型，有雷击干扰，动力电缆干扰，发电机干扰、对讲机等通讯设备干扰等。

针对雷击干扰，台山电厂通过规范TSI和DEH系统控制柜接地技术来避免，调试过程中，对进入两个系统的信号电缆逐一进行接地线检查，对单独对两个系统的电源接地进行检查，信号线接地与电源线接地分开，信号线严格采用总屏加分屏的形式，并分别接地，接地线采用焊接工艺，确保系统接地系统准确可靠[4]。

针对动力电缆干扰问题，在TSI和DEH系统电缆设计时设计成单独的电缆桥架与动力电缆分开，在安装过程中避免与任何动力电缆的近距离靠近或交叉。

对于来自发电机的干扰，调试过程中采取自机头自发电机的电缆铺设方向，避免TSI系统信号电缆与发电机磁场线和励磁区域交叉，最大限度的减少两个系统信号电缆在发电机区域的电缆长度。

此外瑞士的VM600系统传感器设备对探头区域的通讯干扰异常敏感，而且，传感器至前置器的延伸电缆如被认为误碰，也会引起信号波动，为此，在可靠固定延伸电缆的同时，在信号采集接线盒处加装警示标示，提醒维护人员禁止挪动和踩踏电缆，禁止近距离使用对讲机和手机，取得了很好的效果。

4.结论

在机组运行过程中，确保机组振动监视预警与保护系统的动作准确可靠是保证大型特别是超大型机组安全的生死底线，本文通过分析广东国华粤电台山1000MW机组振动监视与保护系统的设计及应用优化实例，分类总结并系统探讨了如何提高TSI系统可靠性的方法，文中总结了已经实践的可行性建议和措施，对提高同类型大容量机组振动监视与保护系统的运行可靠性具有广泛的借鉴意义。

参考文献

[1]杨军波.台山电厂大机TSI探头安装指导.

[2]1000MW超超临界发电机组设计优化[J].电力勘测设计，2006，12，6.

[3]张应果，肖光华，吴铭治. VM600型TSI系统在1000MW机组上的应用及事故预控[J].神华科技.

[4]孙长生.火电厂热控系统防雷接地与抗干扰技术[J].中国电力.

作者简介：宋超（1985―），男，河南周口人，神华广东国华粤电台山发电有限公司助理工程师，主要研究方向：热工自动化装置控制与优化。