TSI系統(tǒng)可靠性探討

郭志軍

神華陜西國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西榆林 719319

汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)儀表（Turbine Supervisory Instrument，TSI），是一種可連續(xù)監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸機(jī)械工作狀況的多路監(jiān)控儀表。它能連續(xù)地監(jiān)視機(jī)組在啟停和運(yùn)行過程中的各種機(jī)械參數(shù)值，為DAS、DCS、ETS等監(jiān)控系統(tǒng)提供信號(hào)，當(dāng)被測(cè)參數(shù)超過整定限值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，必要時(shí)提供自動(dòng)停機(jī)的保護(hù)信號(hào)。此外它還能提供故障診斷的各種測(cè)量數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)大型機(jī)組用得較多的TSI有三種，它們是美國本特利內(nèi)華達(dá)公司的3500系統(tǒng)，德國艾普公司的MMS6000系統(tǒng)和瑞士韋伯公司的VM600系統(tǒng)。此外，還有德國的申克、日本的新川公司的產(chǎn)品也有應(yīng)用。它們?yōu)橹鳈C(jī)和輔機(jī)提供了軸承振動(dòng)、偏心度、鍵相、軸向位移、缸脹、差脹、轉(zhuǎn)速、零轉(zhuǎn)速等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，在汽輪機(jī)的安全運(yùn)行中起到十分重要的作用。

1 TSI系統(tǒng)的應(yīng)用及可靠性分析

3500系統(tǒng)由美國本特利內(nèi)華達(dá)公司于1995年正式推出。該系統(tǒng)采用數(shù)字電路技術(shù)，是計(jì)算機(jī)化的智能監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，也是目前國際上較先進(jìn)的系統(tǒng)。它是在本特利公司1988年成功地推出3300監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)研制的，具有操作簡單、使用靈活、維護(hù)方便、系統(tǒng)易于集成、與DCS系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)或串行數(shù)字通信，提供操作人員更多的機(jī)械保護(hù)信息、歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、報(bào)警事件追憶、計(jì)算機(jī)編程組態(tài)，一種模塊可組態(tài)成多種功能等特點(diǎn)，滿足了汽輪機(jī)組機(jī)械保護(hù)的需求。本特利3500儀表作為汽輪機(jī)一項(xiàng)主要監(jiān)測(cè)儀表，參數(shù)顯示的準(zhǔn)確性直接影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，如果參數(shù)顯示不準(zhǔn)，控制信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組主保護(hù)的正常投入。這些問題在其它機(jī)組也頻繁發(fā)生，一直困擾著電廠的運(yùn)行人員和熱控檢修人員，并且在調(diào)試和試運(yùn)初期及生產(chǎn)期間因此造成模塊損壞，試運(yùn)期間儀表和保護(hù)不能更好投入，而機(jī)組一旦投運(yùn)，處理這些問題相對(duì)較難。在統(tǒng)計(jì)某電廠18次TSI參數(shù)異常變化過程中，其中由于屏蔽線接地不好、多點(diǎn)接地或其它干擾引起的卡件故障、示值擾動(dòng)出現(xiàn)問題最多，共統(tǒng)計(jì)次數(shù)的7次，占全部故障現(xiàn)象的39%，其次就是由于延伸電纜接頭松動(dòng)或其它原因引起的參數(shù)異常占2次，占全部故障現(xiàn)象的12%，其它統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)故障比較孤立，不代表普遍現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)故障分析

通過對(duì)大量TSI系統(tǒng)故障現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)析得出：導(dǎo)致3500監(jiān)測(cè)儀表異常的原因主要有以下兩個(gè)方面。

2.1 信號(hào)干擾

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，信號(hào)干擾是當(dāng)前3500監(jiān)測(cè)儀表顯示異常的主要原因，但如何才能解決這個(gè)問題，首先要知道干擾產(chǎn)生的來源和傳播途徑，只有屏蔽產(chǎn)生干擾設(shè)備或把干擾產(chǎn)生降到最低，切斷傳播途徑，增強(qiáng)設(shè)備的抗干擾性能，才能從根本上解決干擾問題。信號(hào)干擾主要分為以下3種：1）外部干擾：凡能在空間產(chǎn)生電磁場(chǎng)的電氣設(shè)備和輸電線路都能產(chǎn)生干擾。首先，電廠本身就是一個(gè)很強(qiáng)的交變電磁場(chǎng)，再加上380/220V及以上交流電的電磁干擾，在這樣的環(huán)境中電纜及控制設(shè)備必然會(huì)受到電容（靜電）耦合、電磁耦合等電磁干擾。再一個(gè)，電纜也是干擾的主要發(fā)生器，它向空間發(fā)射電磁信號(hào)；2）射頻干擾：指大功率的高頻發(fā)生裝置，比如凝泵變頻裝置，空冷變頻裝置，以及電氣裝置開、斷時(shí)產(chǎn)生的火花及電焊機(jī)產(chǎn)生的弧光等；3） 感應(yīng)干擾：指信號(hào)電纜經(jīng)過較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)時(shí)，耦合到信號(hào)回路中的干擾。

2.2 接頭、接線松動(dòng)，速度傳感器性能異常

根據(jù)我們機(jī)組日常維護(hù)過程中總結(jié)信號(hào)不穩(wěn)定的原因還有以下幾點(diǎn)：1）延伸電纜與前置器或電渦流探頭接頭松動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)；2）前置器接線銅線插入深度不夠，導(dǎo)致接線松動(dòng)信號(hào)波動(dòng)；3）一瓦振動(dòng)探頭經(jīng)常處于100℃左右的高溫，同時(shí)還要受到軸封漏氣的影響，使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)性能下降的情況導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng)。

3 提高系統(tǒng)使用可靠性的建議

汽輪發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，蒸汽參數(shù)越來越高，熱力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，需要監(jiān)視和保護(hù)的項(xiàng)目越來越多。現(xiàn)代大型汽輪機(jī)的金屬材料大部分在接近極限值的情況下工作，運(yùn)行中如產(chǎn)生接近極限值的熱應(yīng)力，就很容易造成汽輪機(jī)的損壞。同時(shí)大功率機(jī)組為了提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，級(jí)間間隙、軸封間隙等都選擇的很小。如果沒有按規(guī)定的要求進(jìn)行操作控制，很容易造成轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件問的相互摩擦，引起汽封磨損、葉片損壞、大軸彎曲、推力瓦燒毀等嚴(yán)重?fù)p壞事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為保證大功率機(jī)組的安全啟停和正常運(yùn)行，需要采取有效手段，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組本體的運(yùn)行狀況和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)。TSI系統(tǒng)中，邏輯報(bào)警信號(hào)是系統(tǒng)功能的重要構(gòu)成部分，保護(hù)邏輯報(bào)警信號(hào)是系統(tǒng)可靠性措施的核心目標(biāo)。邏輯報(bào)警信號(hào)的可靠能夠降低單點(diǎn)信號(hào)保護(hù)造成的系統(tǒng)誤動(dòng)情況發(fā)生率，對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行具有重要作用。要保證本特利監(jiān)測(cè)儀表正常工作必須做好以下幾點(diǎn)：

1）合理優(yōu)化電纜排列層，將動(dòng)力、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)電纜分層敷設(shè)，減少相互干擾。在電纜敷設(shè)的前期，就要嚴(yán)格控制信號(hào)電纜和控制電纜的合并，阻隔相互干擾。電纜橋架應(yīng)分為四層，分別為動(dòng)力、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)電纜。在敷設(shè)過程中跟蹤人員要全程跟蹤，確保所有3500系統(tǒng)的電纜都走在計(jì)算機(jī)電纜層。這樣，從電纜敷設(shè)上切斷相互干擾；

2）合理使用屏蔽電纜，屏蔽層達(dá)到正確、可靠的單點(diǎn)接地。（1）所有TSI系統(tǒng)的電纜為了防止電纜之間的互相干擾，每個(gè)信號(hào)都用自己的獨(dú)立三芯屏蔽電纜；（2）統(tǒng)一采用在盤側(cè)電纜一端接地法，即在電子設(shè)備間的TSI盤柜等為中心的單端接地，就地及其余盤電纜的另一端浮空。同時(shí)為了防止汽機(jī)前箱內(nèi)的信號(hào)線磨損接地，汽機(jī)軸向位移、零轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、健相全部信號(hào)的電纜全部懸空，并用白布帶綁好，對(duì)于容易碰磨損壞的地方，我們都用絕緣膠帶或白布帶進(jìn)行防護(hù)，確保信號(hào)的單點(diǎn)接地；（3）在電纜敷設(shè)和電纜橋架封堵過程中，嚴(yán)格要求施工工藝，防止劃壞電纜保護(hù)層造成屏蔽接地，確保屏蔽層“一點(diǎn)接地”；

3）做好電纜橋架的可靠接地。我們借鑒了其它電廠的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，主通道的每節(jié)橋架間用φ10mm的裸銅電纜鋼射釘鉚接的方式相連，每隔4m～6m與就近的鋼結(jié)構(gòu)用鋼射釘鉚焊接地，這樣可以有效地控制了電纜干擾的傳播和被干擾；

4）探頭和延伸電纜的接頭必須連接緊固，前置器接線要定期檢查?，F(xiàn)在電渦流探頭與延伸電纜的連接，接頭之間有互鎖裝置，只要在安裝時(shí)擰緊然后用絕緣膠布包好，這樣可防止振動(dòng)接頭松動(dòng)。但是還得利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)接線進(jìn)行檢查緊固。前置器的接線我們只要在停機(jī)間隙進(jìn)行拉動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)掉出來的接線重新插接，就會(huì)確保接線緊固。對(duì)于監(jiān)測(cè)器接線我們利用每次停機(jī)機(jī)會(huì)進(jìn)行緊線，但用力要適中，防止接線端子損壞。通過這些措施，有效的保證了這些信號(hào)的穩(wěn)定可靠；

5）有效改善#1瓦速度振動(dòng)傳感器的工作環(huán)境，比如改造高壓缸軸封進(jìn)汽回汽管道，讓管道位置降低，不要讓軸封管道與振動(dòng)探頭盒太近，這樣可防止振動(dòng)探頭溫度太高，損壞振動(dòng)探頭。如果暫時(shí)不能改善設(shè)備工作環(huán)境，可對(duì)#1瓦速度振動(dòng)傳感器利用停機(jī)檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行定期更換；

6）根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況合理優(yōu)化振動(dòng)跳機(jī)保護(hù)邏輯。比如為了防止保護(hù)誤動(dòng)，我們?cè)诮M態(tài)上是采用軸振（本瓦）振動(dòng)值超標(biāo)，并連鎖相鄰軸瓦振動(dòng)報(bào)警值后機(jī)組跳機(jī)，這樣可有效的減少了保護(hù)誤動(dòng)的情況的發(fā)生。

4 結(jié)論

3500系統(tǒng)是本特利內(nèi)華達(dá)公司提供的第一套能夠被組態(tài)為多種冗余級(jí)別的系統(tǒng)，從單一模塊到雙重電源，再到完全的TMR(三重模塊冗余)組態(tài)。TMR組態(tài)有三個(gè)相同的監(jiān)測(cè)器通道(或可選的傳感器)，采用三選二規(guī)則和專用繼電器實(shí)現(xiàn)相互表決，使3500系統(tǒng)在任何情況下都不允許因電子故障或人為錯(cuò)誤引起的電源、監(jiān)測(cè)器通道或傳感器發(fā)生誤動(dòng)作或拒動(dòng)作，大大提高系統(tǒng)的可靠性。汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中，TSI系統(tǒng)具有設(shè)備保護(hù)的重要作用，在實(shí)際工作中的重要性越來越明顯。而當(dāng)前環(huán)境下TSI系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性存在著一些問題，對(duì)系統(tǒng)正常使用影響很大，極大削弱TSI系統(tǒng)的實(shí)際效果。必須采取針對(duì)性措施，進(jìn)行有效管理與維護(hù)，才能保證TSI系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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