汽轮机监控与保护监测系统TSI.ppt

汽轮机监控与保护,汽轮发电机组监控保护,监视：汽轮机监测仪表系统TSI保护：危急遮断保护系统ETS,§1 概述,一、汽轮机安全监控的必要性二、汽轮机安全监控的意义三、汽轮机安全监控措施四、汽轮机安全监视的内容,一、汽轮机安全监控的必要性,(1)大容量机组系统复杂，监控范围大、项目繁多，操作也越益复杂，常规监视仪表已越来越不适应，为了避免操作人员的疏忽大意以致误操作，建立一种完善的、保证机组安全的新的监视体系已成为必要。 (2)汽轮机是一种大容量高速旋转的精密机械，任何意外都将引起不良的后果，必然对机组安全提出更高的要求。（防止意外） (3)高参数大容量机组价格昂贵，事故波及面大，对经济和社会的影响重大，一种有效的对机组的安全监视体系，对保证人身和设备的安全，减少负面影响，具有重要的意义。（保证经济性）,二、汽轮机安全监控的意义,对机组的运行状态进行连续、准确和可靠的在线监控，也是一种对机组安全的保护，它除了向控制系统发出控制和安全信息外，还可帮助操作人员及时掌握机组的运行信息，了解机组的安全、经济状态，避免事故的发生和加强科学管理；根据参数监控对机组进行在线诊断，为发展和丰富一种更为完善的智能监控专家系统，开辟了广阔的前景。这种技术的运用和发展，将使得设备的维修方式从传统的“事故维修”和“定期维修”过渡到现在的“预知性维修”，从而大大提高了设备的可利用率，减少停机维修时间，降低维修费用，同时也压缩了备件的库存量可以减少意外事故的发生和不必要的浪费、损耗，提高对机组设备的保护。,提出问题,如何对汽轮机进行监控保护呢？对汽轮机系统及其辅助设备的重要参数严密监视。参数越限，发出报警信号，当超过极限值，发出紧急停机信号，关闭主汽门，实现紧急停机。,三、汽轮机安全监控措施,广义上说汽轮机安全监控措施有以下几方面：通过TSI进行参数检测与监视，当参数达到报警值时发出报警信息，当参数达到危险值时送出保护信息给ETS。通过DEH对各种参数进行监视和控制，当超速或出现甩负荷以及负荷不平衡时，由OPC进行转速限制和保护。ETS则是当出现危急情况时实现汽轮机的紧急跳闸保护。此外还有机械超速保护和后备保护等。,四、 汽轮机安全监控的内容,大型汽轮机热工保护涉及的内容（1）汽轮机本体机械参数监控。 轴向位移，振动参数，胀差（2）汽轮机防进水保护。（3）汽轮机辅机保护（凝汽器真空、除氧器水位等）。 （4）汽轮机紧急跳闸保护。（ETS）,§2、汽轮机监测仪表系统TSI,TSI(Turbine Supervisory Instrument )系统即汽轮机轴系监测系统，是一种可靠的多通道监测仪表，能连续不断地测量汽轮机发电机组转子和汽缸的机械运行参数和相关参数，显示机器的运行状况，提供输出信号给信号显示、记录仪；并在超过设定的运行极限时发出报警，甚至使汽机自动停机以及提供可用于故障诊断的测量。,一、 TSI的作用,汽轮机监视仪表(turbine supervisory instru- ment，TSI)是为了保护汽轮机的安全而设计的监视装置，是汽轮机的重要组成 部分。 作用是对运行中的汽轮机的重要参数进行 有效而准确的监视，并将测量信号送至二次仪表和数 据采集系统，以供实时显示和打印记录，以及历史数据积累和运行状态分析;参数越限时，还可以发出信号供 报警和驱动保护系统。,二、汽轮机监测仪表的组成,从功能方面来看，TSI包括以下两大部分：汽轮机本体参数监视和故障分析和专家决策系统从结构方面来看，TSI包括以下三大部分：传感器、前置器、监视器（显示器）,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,1.传感器,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。,2.前置器,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。,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前置器,3.监测系统,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。,三、汽轮机本体参数监视内容,机械参数的监视各处温度的监视,包括,1 .对汽轮机本体机械参数的主要监视内容,轴 向位移;汽缸热膨胀;转子与汽缸的热膨胀差; 转速和零转速;轴承振动和轴振动;偏心度；相位,2. TSI对温度的监视,汽轮机组本体参数的检测尚有推力轴瓦金属温度，缸体、法兰螺栓等金属温度和发电机定子和绕组温度，轴承金属温度和润滑油温度等，这些监视均应在机组设计制造时 一并考虑配备。,四、故障分析和专家决策系统,对于大型汽轮机，一 般都配有汽轮机数据采集和故障分析计算机系统，它 利用专门的汽轮机故障分析软件和专家决策软件，对 采集到的参数进行分析和判断。 汽轮机故障分析软件通过实时、自动、连续地采 集和存储汽轮发电机轴系的振动振幅、相位等数据，提供 给操作员和工程师一个实时的轴系运行档案，包括表征 轴系是否正常运转的可接受区域图，以及轴系的轴心 轨迹图、颇谱图、波德图、级联图等多种形式的分析画 面和数据，用以支持轴系的早期故障诊断和预测维修。,续,专家决策软件是一个实时的专家系统，包括专 门用于汽轮机故障分析的知识库和相应的推理逻辑软件.它可以根据汽轮机监视系统采集到的数据来检查 汽轮机的运行状态，并根据知识库软件中存储的经验 数据对设备进行自动地故障诊断和机械信息管理，最 后给出带有严重程度的故障结果和推荐的改正措施.,关于专家系统,专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题，简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。,专家系统的基本结构如图所示，其中箭头方向为数据流动的方向。专家系统通常由人机交互界面、知识库、推理机、解释器、综合数据库、知识获取等6个部分构成。,知识库,知识库用来存放专家提供的知识和经验。人工智能中的知识表示形式大多数是以IFTHENOR ELSE的形式出现，就像BASIC等编程语言里的条件语句一样，IF后面跟的是条件（前件），THEN后面的是结论（后件），条件与结论均可以通过逻辑运算AND、OR、NOT进行复合。在这里，产生式规则的理解非常简单：如果前提条件得到满足，就产生相应的动作或结论。,其它组成部分作用,推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。人机界面是系统与用户进行交流时的界面。综合数据库专门用于存储推理过程中所需的原始数据、中间结果和最终结论，往往是作为暂时的存储区。解释器能够根据用户的提问，对结论、求解过程做出说明，因而使专家系统更具有人情味。 知识获取是专家系统知识库是否优越的关键，也是专家系统设计的“瓶颈”问题，通过知识获取，可以扩充和修改知识库中的内容，也可以实现自动学习功能。,五、TSI的产品,美国本特利3300系列、3500系列、7200系列：成本低 。德国爱普MMS6000系列：监测模块为双通道，内含振动分析功能，瑞士韦伯VM600系列：全数字化TSI系统，只用一种模块MPC4即可，减少备件及维护量。德国飞利浦公司 RMS700系列 ABB 的TSI (用CMM模件组成),ABB公司开发的TSI,近年来，ABB公司开发了多功能的四通道CMM状态监视模件，用它组成TSI汽轮机保护系统，统一集成在ABB的SYMPHONY系统中，去监测汽轮机轴系除转速外的各项参数，如轴承振动、大轴振动、偏心、串轴、胀差和绝对膨胀，并输出报警和停机信号。,关于CMM模件,CMM从其端子单元采集涡流传感器、加速度传感器、速度传感器、直流LVDT及声波传感器等工业标准传感器的现场信号。经过滤波，鉴别和计算后，通过模件扩展总线与BRC控制器实现通讯，使机组有关的状态参数送到统一的数据库中，这样不仅在DCS（或DEH）的操作员站上可提供机组的各种轴系参数，产生于与DCS时标同步的报警清单，还可借助贮存在上级计算机中的振动分析软件和专家系统生成多种振动分析报表，并完成汽轮机的故障诊断，在指导机组安全可靠运行的同时，预测机组的健康状况，为状态检修作准备。,§3 传感器系统,TSI系统主要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。各种智能测量板件接受相应传感器的电量信号后进行整形、计算、逻辑处理等以后，显示出精确、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。,传感器种类,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；速度传感器对盖振进行测量；线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量；差动式磁感应传感器来测量机组的转速。,一、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）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从010Hz）。,电涡流式传感器原理,它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理如下图示。,这是一种建立在涡流效应原理上的传感器。,1.结构原理与特性,如左图，当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。根据阻抗变化即可测量被测参数。,一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。,2.电涡流式传感器的复阻抗,利用涡流效应原理制造的传感器。,我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图5-16的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。,根据等效电路可列出电路方程组：,（5-12）,（5-13）,由式（5-12）和（5-13）可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。,3、电涡流传感器的类型,高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器,（1） 高频反射式电涡流传感器,a.高频反射式电涡流传感器的结构,由一个固定在框架上的扁平线圈组成。,为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。,b、高频反射式电涡流传感器的原理 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。,c.高频反射式电涡流传感器的应用(测距离） 这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。下图为某种型号的高频反射式电涡流传感器。,（2） 低频透射式电涡流传感器（测厚度）,4、 电涡流式传感器的应用,（a）测量位移,4、电涡流式传感器的应用,（b）测量振动,（c）测量转速,被测零件,涡流传感器,被测零件,涡流传感器,设测出脉冲频率为f（Hz），被测零件齿数为N，则轴的转速为：,（转/分）,（d）测量厚度,（e）测量温度,测出等效电感变化,测出谐振频率变化,. 零件计数,（f）其他测量,.连续油管的椭圆度测量,.无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,二、速度传感器,它的工作原理是基于一个惯性质量和移动壳体，传感器有一个永久磁铁，它被固定在传感器壳体上。,速度传感器工作原理,围绕着磁铁是一个惯性质量线圈，通过弹簧连在壳体上。测量时，将传感器刚性固定在被测物体上，随着被测物振动，磁铁运动，使其产生磁场运动。而线圈因固定在弹簧上，具有较大的惯性质量，即相对高频振动的物体，其是相对静止的。这样，线圈在磁场中作直线运动，产生感应电动势，其大小与线圈运动的线速度（即：机壳的速度）成正比。通过对感应电动势的检测，即能获得被测物体的线速度。,恒定磁通式磁电传感器结构原理图（a） 动圈式； (b) 动铁式,磁通式磁电传感器（测振动）,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，因而气隙中磁通也是恒定不变的。 其运动部件可以是线圈（动圈式），也可以是磁铁（动铁式），动圈式（图6-1（a）和动铁式（图6-1(b)）的工作原理是完全相同的。 当壳体随被测振动体一起振动时，由于弹簧较软，运动部件质量相对较大， 当振动频率足够高（远大于传感器固有频率）时，运动部件惯性很大，来不及随振动体一起振动， 近乎静止不动，振动能量几乎全被弹簧吸收，永久磁铁与线圈之间的相对运动速度接近于振动体振动速度，磁铁与线圈的相对运动切割磁力线，从而产生感应电势.,图6.2是变磁通式磁电传感器，用来测量旋转物体的角速度。（a)图为开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次， 线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。,1.永久磁铁 2.软铁 3.线圈 4.测量齿轮 5.被测旋转体,图6. 2 变磁通式磁电传感器结构原理图 (a) 开磁路,变磁通式磁电传感器（测速度）,三、LVDT传感器,其工作原理是利用电磁感应中的互感现象，实质上就是一个变压器，如图所示。,LVDT传感器原理,变压器上初级线圈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，当初级线圈W加上交变电压时，次级W1和W2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心位置有关。,差动变压器工作原理,当铁心位于正中，,当铁心左移，E2增大,当铁心右移，E2减小,因两个副边反向串联,四、差动式磁感应传感器,差动式磁感应传感器的工作原理是利用一个差动式敏感元件。该元件由一块永久性磁铁上的两个相互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）。,差动式磁感应传感器原理,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相互成直角（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衡而输出一电压。通过对这一电压测量，即能获得被测物（即触发体）与传感器探头间的间隙变化。,磁电式振动传感器,磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。,磁电式振动传感器的结构原理,图5-18 磁电式振动传感器的结构原理图1-壳体 2-永久磁铁 3-阻尼器 4-引线 5-芯杆 6-外壳 7-线圈 8-弹簧片,基本工作原理：,该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时永久磁铁、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。,振动监测,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。压电式加速度传感器具有高频响应以及动态响应特性好的特点。,压电式加速度传感器,基座,基座,压电片,质量块,m,压簧,壳体,压阻式加速度传感器,基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。,电容式加速度传感器 图示为差动式电容加速度传感器结构图。 它有两个固定极板（与壳体绝缘）, 中间有一用弹簧片支撑的质量块, 此质量块的两个端面经过磨平抛光后作为可动极板（与壳体电连接）。 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时, 质量块在惯性空间中相对静止, 而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化, 一个增加, 一个减小, 从而使C1、 C2产生大小相等, 符号相反的增量, 此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,§4 测点及传感器安装位置,1. 转速及零转速检测与超速保护2. 轴振动与轴承振动（盖或瓦振）3. 偏心4. 轴位移5.热膨胀与胀差6. 相位,1. 转速及零转速检测与超速保护,转速值显示是汽轮机组开车、停车以及稳定运行时的重要参数。转速的测量范围：05000rpm；转速报警值：3240rpm。零转速是预先设定的轴旋转速度，当运行的机器需停车时，机器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，来防止轴产生弯曲，以避免在接踵而来的开车中由于轴弯曲对机器造成损坏。零转速设定值：小于4rpm；,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，如上图所示当机器旋转时，齿盘的齿顶和齿底经过探头，探头将周期地改变输出信号，即脉冲信号，板件接收到此脉冲信号进行计数、显示，与设定值比较后，驱动继电器接点输出。,超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，因此测量装置采用“三取二”方式，如上图所示。由三只装于前箱、正对于60齿盘的涡流传感器和三块转速表组成，设定值为3300rpm。,测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，,2. 轴振动与轴承振动（盖或瓦振）,利用速度传感器测量机壳相对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：0100m。,2. 轴振动与轴承振动（盖或瓦振）,偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，如上图所示。一个用于偏心的测量，另一个是键相器的测量，它用在峰-峰信号调节电路上。键相探头观察轴上的一个键槽，当轴每转一转时，就产生一个脉冲电压，这个脉冲可用来控制计算峰-峰值。机组偏心的测量范围：0100m。报警值：大于原始值的30m。,3. 偏心,两个涡流探头测量转子的轴向变化，输出探头与被测法兰的间隙成正比的直流电压值，板件接受此电压值后，经过计算处理，显示出位移值。为避免误报警，停机逻辑输出为“与”逻辑。机组轴向位移的测量范围：-2+2mm。,4. 轴位移,把LVDT传感器的铁芯与汽缸连接，当膨胀时，铁芯运动，产生成比例的电信号，输入测量板件进行线性处理，显示输出420mA信号，即是测量缸胀时，传感器外壳固定在汽轮机基础上，而铁芯与汽缸相连。,5. 热膨胀与胀差,由于不可能在汽缸内安装涡流传感器，利用滑销系统，传感器被固定在轴承箱的平台上。即是测量胀差时，传感器外壳固定于汽缸上，而铁芯与转轴上的凸缘相连。,5. 热膨胀与胀差,当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就测出了振动的相位，也就可找出不平衡质量的位置，即转子高点的位置。,6. 振动相位,关于OK检测电路,一般每个监测器内都有OK检测电路，用于连续检测每个传感器及其相应的现场连线的完好性。,传感器输出的直流电压信号1，送到输入阻尼器2（电压跟随放大器），实现输入输出阻抗转换。其输出一路经阻尼器3向面板接线插座提供传感器的输出信号；另一路送到信号调整放大器4。信号调整放大器4将输出电压转换为0-10V，然后供指示仪表5指示缸胀，同时经驱动器6驱动外接记录仪表记录缸胀。指示仪表的零刻度对应0V，满刻度对应-10V。,OK检测电路的作用,监视器内设有OK电路，用于检验输入到监视器的传感器信号是否正常。当信号不正常时，OK电路发出一个“非OK”信号，该信号使监视器前仪表盘上的OK发光二极管熄灭，使信号盘上的系统状态“非OK”指示灯亮。,OK电路,a 跟随器 b c 比较器 d 非OK驱动器 e OK指示驱动电路,