旋轉泵軸監測系統反轉監測技術探討

吳煒新

（中核運行秦山三廠，海鹽314300）

旋轉泵軸監測系統既能為旋轉設備的運行狀態提供較為準確的評價，又能為旋轉設備的故障診斷和預防性維修提供有效依據，其工作是否正常直接影響著旋轉設備的故障診斷結果和機組運行的穩定性。為了保證旋轉設備的運行穩定性，對重要的旋轉泵設置在線泵軸監測系統，根據泵軸監測系統設備特點、運行環境，確定合理的設備管理措施。

秦山三廠泵軸監測系統主要用于監測以下旋轉設備：凝結水泵、主給水泵和輔助給水泵、廠用原水泵、再循環冷卻水泵。該系統主要對泵軸振動及反轉進行實時在線監測及連鎖控制，因為當泵組從正常的工作方式停泵時，在停泵的瞬間泵中會產生局部真空，極容易引起泵軸反轉而導致水倒灌，產生異常狀況，因此需要對泵組的反轉狀態進行監測［1－3］。

筆者針對泵軸的轉速與反轉實時在線監測進行分析。

1 反轉監測原理

反轉監測系統由渦流傳感器（渦流探頭，延伸電纜、前置器）和反轉監視器組成，見圖1。

圖1 反轉監測系統

1．1 渦流傳感器的測量原理

渦流傳感器探頭內部是根據渦流效應原理工作的一個測量線圈。線圈由高頻振蕩器供電，產生一個高頻磁場。當測量線圈的磁力線從傳感器外殼表面向外輻射時，傳感器對面的金屬被測件（齒輪盤）表面上感應出電渦流，其大小與被測件和測量線圈之間的間隙有關，當此間隙減小時，被測件上的感應電流增大，測量線圈的電感量減小，因而使振蕩器的振幅減小；即傳感器與被測件之間的相對位置的變化，導致振蕩器的振幅隨之相應變化，這樣便可使位移的變化轉換成相應振蕩幅度的調制信號。對此信號進行一定的處理和測量，即可測得位移的變化。

渦流式位移傳感器的輸入（d）-輸出（u）特性曲線見圖2。

圖2 渦流式位移傳感器的輸入-輸出特性曲線

從圖2可見：傳感器從d1開始到d4為線性輸出范圍，線性輸出的電壓為－2～－20V。

傳感器的線性范圍與傳感器探頭直徑有關。

當旋轉泵軸轉動時，渦流傳感器的輸出波形見圖3。

圖3 渦流傳感器的輸出波形

1．2 反轉監視器的工作原理

轉速測量及反轉監視器的工作原理見圖4。

圖4 轉速測量及反轉監視器的工作原理圖

從傳感器來的輸入波形，通過施密特觸發器進行波形整形，將輸入波形整形成標準的方波信號；另一路信號與輸入信號經整形后的方波輸出，同時送入波形比較器進行反轉測量。波形比較器實際上是一個D型觸發器，其原理圖和特征見圖5。

圖5 D型觸發器原理圖和特征表

當泵軸以順時針方向旋轉時，測速齒輪總是先經過探頭1，然后經過探頭2。輸入到D觸發器輸入端的波形圖見圖6。D觸發器是一種上升沿觸發器，根據圖5的特征表和圖6的輸入1、輸入2的波形時序，在輸入2（接入CP端）處于上升沿時，輸入1（接入D端）總是處于高電平“1”狀態，所以輸出端Q輸出高電平“1”。

圖6 旋轉軸順時針旋轉時的波形

當泵軸以逆時針方向旋轉時，先經過探頭2，然后經過探頭1，輸入到D觸發器輸入端的波形圖見圖7。從圖7中看出：在輸入2（接入CP端）處于上升沿時，輸入1（接入D端）總是處于低電平“0”狀態，所以輸出端Q輸出低電平“0”，這樣就實現了泵軸的反轉測量。

圖7 旋轉軸逆時針旋轉時的波形

2 傳感器的安裝和選型要求

2．1 探頭安裝角θs的確定

為了實現反轉測量，要求D觸發器的二路輸入信號為正交信號，即二路方波信號的相位差為90°（是兩個輸入傳感器的電氣信號的相位差為90°，而不是兩個傳感器的物理安裝位置為90°，電氣信號的相位差和探頭的物理安裝位置相位差是兩個完全不同的概念）。圖8為探頭安裝位置圖，兩個探頭安裝的物理位置夾角θs與測速盤的齒數有關。為了確保二路輸入信號的電氣信號的相位差為90°，兩個探頭之間的夾角θs與測速盤齒數z按如下公式計算：

式中：n＝0，1，2，3……，為轉軸轉過的圈數；z為齒數。一般情況下90°≤θs≤270°，夾角θs的允許誤差為±30／z。

圖8 探頭安裝位置圖

表1為齒數與探頭安裝夾角θs的關系表。

表1 齒數z與兩探頭夾角θs的關系表

從表1可以看出：如果泵軸齒數越多，夾角的可選方式就越多，但是對安裝夾角θs的要求也越高，即對齒輪盤的加工精度要求也越高，例如：泵軸上被測齒輪盤的齒數為3，探頭1與探頭2之間的安裝夾角為150°（或270°），且夾角誤差應該在±10°之內。

2．2 傳感器的選型要求

泵軸從正常轉速到反轉的過程中，肯定要經過轉速“零”的過程，反轉監視器本質上就是監測泵軸過“零”過程中的狀態，并發出報警信號供運行人員監控旋轉泵狀態；所以選用的傳感器一定不能使用在泵軸轉速測量中經常使用的磁阻式轉速傳感器。這是因為磁阻式轉速傳感器的測量原理是切割磁力線的方式，其基本公式為：

式中：E為感應電動勢，V；n為感應線圈匝數；ΔΦ／Δt為磁通量的變化率。

從式（2）可以看出：傳感器產生的電動勢E與傳感器線圈的匝數，以及磁通量的變化率有關。由于傳感器的線圈匝數為常數，因此E僅僅與磁通量的變化率有關，而磁通量的變化率正比于泵軸齒輪盤的轉速，所以當泵軸轉速接近于零時，傳感器的輸出電壓也接近于零。由于線路上還存在噪聲，因此此時整個測量系統的信噪比很差，誤差很大，根本無法測量。一般情況下，對于測速齒輪（模數≥2）盤的測速系統中，只有在泵軸轉速大于20r／min時，測速系統才能穩定、可靠地測量，所以這類傳感器不能用于反轉監視之用。

另外，光電傳感器是接受光線反射來檢測轉速的，由于泵軸的軸承有潤滑油等存在，測速的可靠性較差。

目前工程上泵軸轉速測量還經常采用磁敏式轉速傳感器，此類傳感器的供電電源是正電供電。反轉監視器屬于旋轉機械監視保護儀表（TSI）的一個子系統，應該符合TSI系統的設計規范。我國的TSI儀表設計規范采用的是API670標準第三版，API670標準規定了所有的TSI儀表的傳感器供電電源為－18～－24V，所以在此場合采用磁敏式測速傳感器不符合這一標準，不宜采用。

電渦流式位移傳感器是API670標準推薦的傳感器，符合API670標準。從圖2電渦流傳感器的靜態特性中可以看出：此類傳感器可作為靜態位移測量，傳感器的電壓輸出幅值僅與探頭和被測面的相對位置有關，而與泵軸的轉速大小無關。從圖3電渦流傳感器輸出波形中可以看出：泵軸的轉速僅僅影響到波形的頻率。所以選擇電渦流傳感器作為監測泵軸反轉的傳感器是非常合適的。

3 結語

旋轉泵軸反轉監測保護是一個非常重要的保護儀表，此儀表已在中核秦山三廠的多臺泵上使用多年，效果非常好，確保了機組安全、穩定和可靠運行。

［1］中華人民共和國國家經濟貿易委員會．DL／T 1012—2006火力發電廠汽輪機監視和保護系統驗收測試規程［S］．北京：中國電力出版社，2006．

［2］程衛國，楊明，陸文華．汽輪機超速保護的可靠性探討［J］．發電設備，1998，12（2）：38－41．

［3］嚴可國，魏克嚴，李植，等．大型旋轉機械監測保護故障診斷系統［M］．北京：電力電子科技出版社，1994．