汽輪機軸向位移和脹差傳感器安裝探討

繆水寶

（蕪湖發電有限責任公司，安徽 蕪湖 241009）

0 引言

在高參數、大容量汽輪發電機組中，軸向位移和脹差是直接反映汽輪機動靜間隙的兩個最重要的技術參數，也是兩項重要保護。目前，由于許多機組的軸系機械安裝零位和監測保護系統的電氣零位不統一，經常發生檢修后的機組因脹差、軸向位移監測系統傳感器的零位鎖定不當，導致該系統在機組啟動后，測量誤差較大，甚至無法正常監測和投入保護的情況，只能停機處理。檢修后機組軸向位移大小與脹差傳感器的安裝正確與否直接影響機組的正常運行［1］。

汽輪機監測儀表系統（Turbine Supervisory Instrumentation，TSI）是一種連續監測汽輪發電機組轉子和汽缸機械工作參數的監控系統，能連續、準確、可靠地監視機組在啟動、運行和停機過程中的重要參數變化，為記錄表提供輸出信號，并在被測參數超出預置的運行極限時發出報警信號，必要時采取自動停機保護。此外，還能提供用于故障診斷的各種測量數據［2］。其中TSI監測的重要參數就包括對軸向位移和脹差測量、監視，其工作原理是利用渦流傳感器將其與被測表面的位移轉換成電壓信號送至前置放大器，經整形放大后，輸出0～24 V DC電壓信號，送至TSI卡件進行信號處理。輸出開關量信號至汽輪機緊急停機系統（Emergency Trip System，ETS）實現保護功能，同時送出4～20 mA模擬量信號至汽輪機數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）；通道故障、報警等開關量信號至分散控制系統（Distributed Control System，DCS）進行畫面顯示以及光字牌報警。

1 汽輪機軸向位移

1.1 汽輪機軸向位移測量系統

軸向位移電渦流傳感器位于汽輪機中間軸承箱右側，兩只軸向位移傳感器安裝于2號與3號軸承箱的側面，固定在同一支架上，探頭朝向汽輪機方向安裝，測量系統如圖1所示。軸向位移檢測推力軸承與汽缸的相對位移，在機組運行過程中，要使動靜部件之間保持一定的軸向間隙及油膜，避免汽輪機轉動部件和靜止部件之間發生摩擦和碰撞［3］。

圖1 脹差/軸向位移測量分布

軸向位移監測采用了兩只傳感器，對應于-2～+2 mm軸向位移測量范圍，型號為MMS6000 PR6424/010-040。

1.2 汽輪機軸向位移安裝調試

汽輪機軸向位移傳感器安裝如圖2所示。通過旋轉調整架手輪確保測量范圍，并鎖緊調整架上的鎖緊螺栓。松開①②固定螺栓，可以旋轉調整架手輪使軸向位移探頭遠離或靠近汽機轉子凸緣，確保軸向位移在測量線性范圍。根據校驗報告確定探頭安裝間隙電壓，在前置器輸出為-12 V處定位零位。

1）軸向位移方向的確定。探頭靠近推力盤為正，遠離推力盤為負。即當汽輪機大軸向發電機方向移動為正，向機頭方向移動為負。

2）現場軸向位移傳感器安裝在支架上的位置從左到右依次為軸向位移1、軸向位移2。定位時應先固定好軸向位移傳感器1，測量前置器輸出直流電壓為-12 V，然后定軸向位移2，測量兩個軸向位移前置器輸出電壓都是-12 V，最后將兩個軸向位移鎖緊螺栓固定。

3）旋轉調整架手輪至軸向位移報警值和危險值（見表1），檢查MMS6210軸向位移監視器、ETS系統畫面報警和汽機光字牌畫面報警正常。

4）最終定位：移動旋轉調整架手輪使前置器輸出電壓為-12 V，DEH畫面顯示0 mm。將鎖緊螺栓固定。

圖2 汽輪機軸向位移傳感器安裝

表1 汽輪機軸向位移/脹差定值 mm

2 給水泵汽輪機軸向位移

2.1 給水泵汽輪機軸向位移

每臺給水泵汽輪機設計有2套軸向位移測量系統，均安裝于前軸承箱內，如圖3所示。小汽輪機軸向位移報警值和危險值分別為±0.56 mm和±0.8 mm。2個信號中任一信號達到危險值跳閘給水泵汽輪機。

圖3 給水泵汽輪機軸向位移測量

2.2 給水泵汽輪機軸向位移安裝調試

小汽輪機軸位移監測的方向規定軸系由前箱側向小汽輪機側竄動視為正方向。

參考檢修后傳感器校驗報告，PR6423/004-010電渦流傳感器零位電壓V0、靈敏度K以及量程見表2。

表2 PR6423/004-010電渦流傳感器參數

軸向位移傳感器安裝時，以小汽輪機轉子推力盤與正、負推力瓦總間隙的中間值為0點來定位即“軸系的機械零位”。

安裝前將A/B兩臺小汽輪機推力盤推向推力瓦的非工作瓦塊（小汽輪機側），并與非工作面靠緊，即將軸系機械零位向小汽輪機側推了δ/2。其中，A、B小汽輪機推力間隙δ分別為0.40 mm和0.39 mm。因此，小汽輪機軸向位移傳感器安裝時，應將推力間隙予以考慮，否則會產生δ/2的測量誤差。即：實際的傳感器安裝電壓V=V0±K·δ。其中，K為線性靈敏度，V0為零位電壓。

最終兩臺給水泵汽輪機軸向位移監測系統安裝調試完成后，DCS畫面顯示數據為0.2 mm左右，即將機械零位向正方向移了δ/2。

3 脹差監測系統

在機組正常運行中，脹差傳感器固定在缸體上，而傳感器的被測金屬表面鑄造在轉子上即測量盤上。汽缸和轉子受熱膨脹的相對差值稱為“脹差”，大型火電機組脹差有高中壓缸脹差 、低壓缸脹差。當汽輪機減負荷或停機時，轉子和汽缸分別以各自的死點為基準膨脹或收縮。由于轉子溫度較汽缸低，轉子的軸向膨脹值比汽缸膨脹值小，兩者的膨脹差為負值，又稱為負脹差。由此可知，凡轉子軸向膨脹值大于汽缸膨脹值時，稱為正脹差，反之，稱為負脹差［4］。

一般來說，在冷態啟動過程中，主要表現為正脹差，在熱態啟動和停機過程中，主要表現為脹差往負向走［5］。高壓缸脹差探頭位于汽輪機前箱左側，低壓缸脹差位于6號瓦與7號瓦中間。

高中壓缸脹差監測采用1只傳感器，對應于-7.5～+12.5 mm脹差測量范圍。

低壓缸脹差監測采用2只傳感器，對應于-9～+31 mm脹差測量范圍。

3.1 補償式脹差測量原理

如果脹差測量范圍較大，已超過探頭的線性范圍，可采用斜面式測量和補償式測量方式。由于低壓缸脹差的測量范圍較大（0～40 mm），機組低缸脹差測量時采用補償式測量方法。在軸端推力盤的兩端各安裝一支探頭，在熱膨脹過程中，當被監測推力盤的移動超出第1個探頭的測量范圍時，緊接著進入第2 個探頭監測范圍［6］，見圖 4（a）。兩個探頭輸出信號經過前置器至MMS6210卡件合成為脹差信號［7］。

3.2 脹差傳感器安裝調試

機組停機時，用千斤頂將汽輪機轉子頂向一側，使轉子的推力盤緊靠推力瓦塊非工作面或頂向發電機側緊靠工作面。

圖4 低壓缸脹差安裝

用筆記本電腦連接MMS6210監測器進行組態時，channelOutput選項的子項“Inver Measuring Range”不選，當被測面遠離A探頭時脹差增大。如圖4（b）所示，通過旋轉調整架手輪確保測量范圍，并鎖緊調整架上的鎖緊螺栓。松開①②固定螺栓，可以旋轉調整架手輪使脹差探頭遠離或靠近汽機轉子凸緣，確保脹差在測量線性范圍。

低壓缸脹差采用補償式測量原理，即由2個探頭合成進行脹差測量。現場低壓缸脹差探頭A安裝靠汽輪機側、低壓缸脹差探頭B安裝靠近發電機側。定位時分別固定好低壓缸脹差探頭A和B，移動探頭支架，測量低壓缸脹差A和B前置器輸出電壓均為-20 V，此時轉子上的被測面處于支架中間位置，最后將2個脹差鎖緊螺栓固定好。

如圖4（b）所示，使支架連同探頭一起向右（發電機側）移動11 mm，零位間隙即調停。

旋轉調整架手輪至低壓缸脹差報警值和危險值，檢查MMS6210低壓缸脹差監視器、ETS系統畫面報警和汽機光字牌畫面報警正常。正向報警值和危險值由于調整架移動范圍所限，現場無法進行全行程模擬，故沒有進行模擬試驗。

最終定位：移動旋轉調整架手輪使DEH畫面顯示0 mm，將鎖緊螺栓固定好。

4 異常問題分析及處理

4.1 給水泵汽輪機運行中出現的問題及處理

4.1.1 延伸電纜中間接頭問題及處理

2號機A給水泵汽輪機軸向位移1點發生突變，隨即進行就地前置器和轉接頭檢查，當確定前置器無異常后，對轉接頭進行重新包扎處理，處理后正常。

2號機組A給水泵汽輪機機軸向位移2點顯示不準，檢查歷史趨勢另外一點顯示正常且振動、推力軸承溫度均正常，未發現明顯異常，判斷該測點本身存在問題，開工作票退軸向位移保護，檢查延伸電纜接頭，對其進行清洗、重新包扎后恢復正常。因此，機組每次檢修后重新安裝時，探頭電纜與延伸電纜之間的接插件連接好后，應用耐油熱縮套管封裝，使之與外部鎧裝電纜絕緣，禁止采用絕緣膠布等易腐材料進行封裝，否則會影響傳感器的阻抗，致使測量誤差增大。探頭安裝時為防止機械損壞，應把探頭引線與延伸電纜分開，并用工具夾住探頭上的扳手平臺緊固，探頭引線隨之旋轉，禁止握住傳感器引線旋轉。電渦流傳感器探頭組成如圖5所示。

圖5 電渦流傳感器探頭組成

4.1.2 電纜引線問題及處理

1號機組給水泵汽輪機在檢修期間，安裝探頭時進行線性范圍模擬試驗時，測量前置器電壓超出正常范圍，后檢查發現傳感器引線處有破損影響了測量精度，見圖5（a）。由于給水泵汽輪機電渦流傳感器引線為無鎧裝，且隨著機組檢修次數的增多，探頭拆裝次數也因此增加，縮短了探頭的壽命。因此在安裝探頭時，引線必須要隨著探頭旋轉，否則引線受力后容易破損。更換一套校驗好的新傳感器后前置器電壓恢復正常。

4.1.3 機組等級檢修后脹差/軸向位移異常處理

1號機A檢修后汽輪機高中壓缸脹差、低壓缸脹差相對檢修前異常；汽輪機軸向位移比機組檢修前絕對值偏大。

高中壓缸脹差檢修后由+0.55 mm變為-1.20 mm是由于高中壓缸返廠處理，在高中壓內缸外壁加裝汽封裝置后，減少了高排的蒸汽對高中壓內缸外壁的冷卻，由此汽缸夾層溫度變高，相應的高中壓外缸溫度升高，從而汽缸絕對膨脹值增加（由檢修前膨脹值23 mm變為檢修后膨脹值28 mm）。高中壓缸脹差滿負荷設計值為-2.5 mm，機組報警值為≤-5.3 mm或≥10.50 mm，故高中壓缸脹差-1.20 mm是機組正常運行狀態。

關于低壓缸脹差由檢修前的14.47 mm變為檢修后的13.06 mm，分析為低壓缸的滑銷系統修后保持了良好的膨脹性、脹差縮小，機組運行的安全性提高。

軸向位移的零位確定為把轉子（軸系）向發電機側推足。檢修中轉子軸系定位時，發生嚴重過推，而檢修人員在未能及時發現這一現象的情況下，通知熱工人員轉子已推到零位。熱工人員據此調整軸向位移測量裝置值，機組啟動運行時發現轉子前竄（軸向位移A：-0.84 mm、軸向位移 B：-0.82 mm）。依據軸向位移測量系統的工作原理證明轉子軸系前移，推力盤靠向機頭側。軸向位移數據已接近報警值。此數值包含軸系轉子推向發電機側的過推量以及推力間隙量，實際運行中推力盤靠向定位推力瓦塊，造成汽輪機軸向位移負值較大［8］。結合實際運行經驗，該軸向位移數據滿足機組運行要求。

處理措施與建議。機組在高負荷變動下運行，加強對軸向位移的監視；機組下次檢修或停運期間軸系重新定零位并重新對軸向位移傳感器進行安裝調整。

5 結語

通過對汽輪機兩項重要監測參數軸向位移、脹差傳感器安裝方面的探討，對機組運行當中存在的一些問題進行了分析并采取相應的對策，對設計當中存在的一些問題提出了相應的建議和應采取的措施，以確保機組安全穩定運行。在以后的實際運行中以及機組等級檢修中繼續加強現場問題的總結，避免由于熱工測量裝置異常導致機組出現誤動或拒動。