TSI、ETS、盘车柜培训教材(终)(转课件).doc
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DEA
东方电气自动控制工程有限公司培训教材
汽轮机安全监视及保护系统
TurbineSupervisoryInstrumentSystemAnd
TurbineEmergencyTripSystem
第一版
中国东方电气集团
东方电气自动控制工程有限公司
内容提要
本教材是针对我公司生产的汽轮机安全监视及保护系统的培训而编写的，基本原理可用于135MW、200MW、300MW、600MW等机组，但各测点的测量范围、报警值、停机值以及TSI测点图，各型机组都有差异，具体内容在培训时由专业技术人员进行讲解。
详细内容可参阅“汽轮机启动运行说明书”。
本教材着重介绍安全监视及保护系统的原理、系统构成、功能、安装和调试等。
本书适用于电厂运行、维修人员学习使用，也适用于我公司经营、服务、管理、生产人员学习使用。
主编：
陈广斌主审：
尚小林徐正华
责任校对：
王炜责任编辑：
秦晴
前言
由于随着科学技术的不断发展，电能需求的日益增加，单机容量的不断扩大等原因，大型发电机组要求有更高的可靠性和自动化水平，否则它的事故将给电网造成巨大的损失。
因此，目前很多公司都在积极开发可靠性更高、操作更简便、更能适应DCS的发展需要的安全监视及保护系统。
东方电气自控公司（原东方汽轮机厂自控开发处）为适应大机组提高自动化水平的迫切要求，从上个世纪八十年代起就在借鉴国外先进系统的基础上设计生产了安全监视及保护系统，至今已有百余台投入商业运行，用户反映良好。
为了给安装、检修及运行人员提供安全监视及保护系统的基础知识，特编写此教材。
本教材仅供培训用，不能代替相关技术资料及图纸。
编者
二00二年十二月
目录
概述 1
第一章TSI介绍 2
第二章ETS介绍 20
第三章盘车控制装置介绍 23
第四章TSI现场安装及调试 27
第五章ETS现场安装及调试 31
第六章传感器现场安装注意事项 32
概述
概述
汽轮机安全监视及保护系统主要包括监视保护系统（TSI）、危急遮断系统（ETS）装置、自动盘车操作装置。
为了让电厂热工人员更深入的了解各装置的具体情况，首先必须知道我公司安全监视保护部分各图纸构成情况，以便于同设计院的图纸进行比对。
下面列出各图纸的名称供参考。
汽轮机安全监视装置
汽轮机危急遮断跳闸装置
自动盘车操作装置
汽轮机电气监视保护系统图
汽轮机电气监视保护系统图（轴系）
汽轮机电气监视保护系统图（油压真空）
汽轮机电气监视保护系统图（温度）
汽轮机电气监视保护系统图（辅机）
汽轮机电气监视保护系统图（ETS）
用户电器接口图
在以上列出的装置图纸中，已对机柜的数量、外形尺寸和安装尺寸、输入/输出端子排情况、详细的配置要求等都进行注明；在电气监视系统图中列出了主机、辅机、自控等专业的电气控制具体要求、逻辑关系和信号去向；在用户电器接口图中列出了就地各接线盒的位置及电气监视各系统中相关设备的接口参数、接线方式。
而设计院是根据以上所列各图进行相应图纸的转化。
对TSI装置、ETS装置及自动盘车控制柜，在我公司安装接线完毕后要进行严格地通电测试及功能检测，并把具体的数据填入相应的出厂证明书中，经质检合格后才能发往现场。
现场安装时可根据我公司出厂证明书对板件、传感器编号进行核对，并根据编号和参数进行对应安装。
－31－
第一章TSI介绍
第一章TSI介绍
1.1TSI的使用目的
由于随着科学技术的不断发展，电能需求的日益增加，单机容量的不断扩大等原因，大型发电机组要求有更高的可靠性和自动化水平，否则它的事故将给电网造成巨大的损失，因此，在大型机组中，监测和保护系统（TSI和ETS）是非常重要的。
它不仅可以提高劳动生产率和电能质量，还能降低发电成本，改善劳动条件，并为大型机组的安全、经济运行提供了可靠的保证。
TSI系统能连续地监测汽轮机的各种重要参数，例如：
可对转速、超速保护、偏心、轴振、盖（瓦）振、轴位移、胀差、热膨胀等参数进行监测，帮助运行人员判明机器故障，使得这些故障在引起严重损坏前能及时遮断汽轮发电机组，保证机组安全。
另外TSI监测信息提供了动平衡和在线诊断数据，维修人员可通过诊断数据的帮助，分析可能的机器故障，帮助提出机器预测维修方案，预测维修信息能推测出旋转机械的维修需要，使机器维修更有计划性，减少维修时间，其结果是减少了维修费用，提高了汽轮机组的可用率。
1.2TSI的主要原理及功能
因为TSI系统主要由传感器及智能板件组成。
首先应该知道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。
根据传感器的性能和测试对象的要求，利用电涡流传感器，对汽轮机组（纯电调）的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量，如BN公司的¯8mm、¯11mm、¯25mm、¯50mm传感器，epro公司的PR6423、PR6424、PR6426传感器；利用速度传感器对盖振进行测量，如BN公司9200传感器，epro公司PR9268传感器；利用线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量，如国产TD-2传感器，epro公司PR9350传感器。
另外，还可利用差动式磁感应传感器来测量机组的转速，如epro公司的PR9376传感器。
1.2.1电涡流传感器
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0～10Hz）。
电涡流传感器的变换原理简要介绍如下：
在传感器的端部有一线圈，线圈通以频率较高（一般为1MHz～2MHz）的交变电压（见图1-1），当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出一涡流ie，而ie所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感。
而耦合系数的大小又与二者之间的距离及导体的材料有关，当材料给定时，耦合系数K1与距离d有关，K=K1（d），当距离d增加，耦合减弱，K值减小，使等效电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间接测定d的变化。
图1-1涡流传感器原理简图
由于传感器反馈回的电感电压是有一定频率（载波频率）的调幅信号，需检波后，才能得到间隙随时间变化的电压波形。
即根据以上原理所述，为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量路线。
这一测量路线（称之为前置器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。
涡流传感器加上一测量线路（前置器），如框图1-2所示：
从前置器输出的电压Vd是正比于间隙d的电压，它可分两部分：
一为直流电压Vde，对应于平均间隙（或初始间隙），一为交流电压Vac，对应于振动间隙。
图1-2前置器原理简图
1.2.2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，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。
如图1-3所示。
图1-3速度传感器简图
1.2.3LVDT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1-4所示。
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。
图1-4LVDT原理简图
1.2.4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）。
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。
在TSI测量实际应用中，我们一般用该磁感应传感器测量机组转速，就是通过测量探头与测速齿盘轮间的高、低电压变化所形成脉冲信号的数量，来得到实际转速值。
1.2.5智能板件
各种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。
智能板件可对传感器联线和自身的运行情况进行检测，具有计算机通讯接口，可对测量范围和逻辑输出进行组态，具有缓冲传感器信号输出等功能。
对于重要的测量可进行冗余的配置，增强了可靠性。
1.3测点及传感器安装位置介绍
根据纯电调各机组的具体情况，测点配置及传感器安装位置见图1-5～图1-8所示，下面就各测点进行详细说明。
图1-5135MW汽轮机TSI测点图
图1-6200MW汽轮机TSI测点图
图1-7300MW汽轮机TSI测点图
图1-8600MW汽轮机TSI测点图
1.3.1 转速及零转速
机器转速的测量，长期以来已成为一项必须进行的标准程序，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，并且振动值与机器转速的相关性对最终分析机器性能十分重要。
例如：
在机器停车过程中，转速突然下降，会意味着机器内部存在着大面积的金属摩碰。
而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。
测量链由两只装于前箱正对60（或134）齿盘的传感器和板件组成，如图1-9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。
转速的测量范围：
0～5000rpm；零转速设定值：
小于4rpm；转速报警值：
3240rpm。
脉冲频率（f）
转速＝×60（rpm）
齿数（z）
图1-9转速及零转速测量示意图
1.3.2超速保护
对于蒸汽透平机组，超速是最危险的情况之一，如不加以控制，会造成机组重大的事故，导致飞车的危险。
最坏的超速情况之一是机组甩负荷时，造成转速飞升。
机组甩负荷时转速飞升小于108％额定转速，否则应自动打闸停机。
根据美国石油学会标准API612要求，超速保护应具有快速响应和错误冗余表决逻辑，因此本测量链采用“三取二”方式，如图1-10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。
与转速测量同样的原理，转速值＝（脉冲频率/齿数）×60。
各机组超速的测量范围：
0～5000rpm。
图1-10超速测量示意图
1.3.3轴振动
对旋转机械来说，衡量其全面的机械情况，转子径向振动振幅，是一个最基本的指标，很多机械故障，包括转子不平衡、不对中、轴承磨损、转子裂纹以及磨擦等都可以根据振动的测量进行探测。
转子是旋转机械的核心部件，旋转机械能否正常工作主要决定于转子能否正常运转。
当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支承在轴承座及机壳与基础上，构成了转子－支承系统。
一般情况下，油膜轴承具有较大的轴承间隙。
因此轴颈的相对振动比之轴承座的振动有显著的差别。
特别是当支撑系统（轴承座、箱体及基础等）的刚度相对来说比较硬时（或者说机械阻抗较大），轴振动可以比轴承座振动大几倍到几十倍，由此，大多数振动故障都直接与转子运动有关。
因此从转子运动中去监视和发现振动故障，比从轴承座或机壳的振动提取信息更为直接和有效。
所以，目前轴振的测量越来越重要，轴振动的测量对机器故障诊断是非常有用的。
例如，根据振动学原理，由X、Y方向振动合成可得到轴心轨迹。
在测量轴振时，常常把涡流探头装在轴承壳上，探头与轴承壳变为一体，因此所测结果是轴相对于轴承壳的振动。
由于轴在垂直方向与水平方向并没有必然的内在联系，亦即在垂直方向（Y方向）的振动已经很大，而在水平方向（X方向）的振动却可能是正常的，因此，在垂直与水平方向各装一个探头。
由于水平中分面对安装的影响，实际上两个探头安装保证相互垂直即可，如图1-11所示。
当传感器端部与转轴表面间隙变化时的传感器输出一交流信号给板件，板件计算出间隙变化（即振动）峰-峰（P-P）值。
机组轴振的测量范围：
0～400μm；报警值：
125μm；停机值：
250μm。
图1-11轴振测量示意图
1.3.4轴承振动（盖或瓦振）
在轴振动的测量中已说明了大轴的振动可以传递到轴承壳上，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1-12所示。
机组瓦振的测量范围：
0～100μm。
图1-12盖振的测量示意图
1.3.5偏心
转子的偏心位置，也叫做轴的径向位置，是指转子在轴承中的径向平均位置，在转轴没有内部和外部负荷的正常运转情况下，转轴会在油压阻尼作用下，在设计确定的位置浮动，然而一旦机器承受一定的外部或内部的预加负荷，轴承内的轴颈就会出现偏心，其大小是由偏心度峰-峰值来表示，即轴弯曲正方向与负方向的极值之差。
偏心的测量可用来作为轴承磨损，以及预加负荷状态（如不对中）的一种指示；转子偏心（在低转速时的弯曲）测量是在启动或停机过程中，必不可少的测量项目，它可使你能够看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。
偏心监测板接受两个涡流传感器信号输入，如图1-14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。
当然，键相信号也可用来指示振动的相位，如图1-13所示。
当知道了测振探头与键相探头的夹角时，就可找出不平衡质量的位置，即转子高点的位置。
这对轴的平衡是很重要的。
机组偏心的测量范围：
0～100μm。
报警值：
大于原始值的30μm。
图1-13振动相位测量示意图
图1-14偏心测量示意图
1.3.6轴位移
轴在运行中，由于各种因素，诸如载荷、温度等的变化会使轴在轴向有所移动。
这样转子和定子之间有可能发生动静磨擦，所以需用传感器测量转子相对于定子轴向位置的变化，即：
轴在轴向相对于止推轴承的间隙。
由于所采用的监测器可能把传感器的失效作为轴向位移故障而发出报警信号，由此可能引起机组误停机。
而根据API670标准要求，用两个探头同时探测一个对象，可以免发生误报警。
但要求两个探头的安装位置离轴上止推法兰的距离应<305mm，如果过大，由于热膨胀的影响，所测到的间隙，不能反映轴上法兰与止推轴承之间的间隙。
如图1-15所示，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。
图1-15轴位移测量示意图
1.3.7胀差
胀差是转子和汽缸之间的相对热增长，当热增长的差值超过允许间隙时，便可能产生磨擦。
在开机和停机过程中，由于转子与汽缸质量、热膨胀系数、热耗散系数的不同，转子的受热膨胀和汽缸的膨胀就不相同，实际上，转子的温度比汽缸温度上升得快，其热增长的差值如果超过允许的动静间隙公差，就会发生磨擦，从而可能造成事故。
所以监视胀差值的目的，就是在产生磨擦之前采取必要的措施来保证机组的安全。
我厂机组则规定转子膨胀大于汽缸膨胀为正方向，反之为负方向。
另外，胀差测量如果范围较大，已超过探头的线性范围时，则可采用斜面式测量和补偿式测量方式。
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，测量示意图见图1-16所示。
图1-16胀差测量示意图
1.3.8热膨胀
汽轮机在开机过程中由于受热使其汽缸膨胀，如果膨胀不均匀就会使汽缸变斜或翘起，这种变形会使汽缸与基础之间产生巨大的应力，由此带来不对中现象，而这种现象，通常是因为滑销系统“卡涩”所引起的。
知道了汽缸膨胀和胀差，就可以确定转子和汽缸的膨胀率。
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4～20mA信号，测量示意图见图1-17所示。
图1-17热膨胀测量示意图
1.4TSI监视器介绍
1.4.1Epro公司的MMS6000系统
MMS6000系统是一种智能系统，系统除了配备常规的电源模件UES815、19"机箱IMR011及通讯模件MMS6831以外，还有MMS6312、MMS6220、MMS6120、MMS6110、MMS6410等监视器。
这些监视器都是双通道的，每个通道均可单独使用。
每个通道均有独立的报警和相应的4～20mA和0～10V输出。
具有输出连到总线，可通过总线接口进行485或232通讯。
1.4.1.1MMS6312转速监视器
MMS6312可用来测转速、零转速及鉴相，当然还用来作超速板件。
可以输出鉴相信号、零转速信号、超速停机信号。
它使用的传感器为PR9376或PR6423。
1.4.1.2MMS6220偏心监视器
MMS6220可用来监测转子的径向位置，即偏心量。
使用的传感器为PR6423。
1.4.1.3MMS6210位移监视器
MMS6210可用来测转子的轴向位移，使用的传感器为PR6424，轴位移一般使用两个传感器、两个通道来监视。
MMS6210也可用来监测转子与汽缸的膨胀差值即胀差，使用的传感器为PR6426。
1.4.1.4MMS6120轴承振动监视器
MMS6120可用来监测轴承盖的振动，使用的传感器为PR9268。
1.4.1.5MMS6110轴振监视器
MMS6110可用来监测大轴的振动，每个点分X、Y两个方向，使用传感器为PR6423。
1.4.1.6MMS6410热膨胀监视器
MMS6410可用来监测汽缸的热膨胀，也即是绝对膨胀，采用的传感器为PR9350。
1.4.2BN公司的3500系统
3500系统除了配备常规的3500/15电源模件、3500/05框架、3500/92通讯网关、3500/20框架接口模块外，还有3500/42、3500/53、3500/50、3500/25、3500/32、3500/33、3500/45等监视器。
3500监视器所有的报警均在专用的继电器模件上来完成，它能提供4～20mA信号给用户，也能与DCS等进行通讯，可采用TCP/IP或ModBus协议通讯。
1.4.2.13500/42位移、速度、加速度监测器
3500/42可用来监测偏心、轴振，使用传感器为¯8mm，3500/42还可以用来测盖振，使用传感器为9200，它也可以采用¯11mm传感器来测轴位移。
该监测器为四通道。
1.4.2.23500/53超速保护系统
3500/53可以通过三个¯8mm传感器输入三路信号对超速进行三取二表决，输出停机信号。
1.4.2.33500/50转速模块
3500/50使用¯8mm传感器，可进行零转速及转速测量，为双通道模件。
1.4.2.43500/25鉴相模块
3500/25为半高、双通道模块，使用¯8mm涡流传感器。
该模件可为3500系统其它模件提供鉴相位信号。
1.4.2.53500/32、3500/33继电器模件
3500/32为四通道继电器模块，3500/33为16通道继电器模块。
也就是说该模块可为3500系统的其它模件提供报警用的继电器。
1.4.2.63500/45差胀/轴向位移监测器
3500/45可采用¯25mm和¯50mm涡流传感器对胀差进行测量,也可采用LVDT来进行壳胀的测量，为四通道监视器。
1.4.3国产仪表DF9032
DF9032是我公司自行研制开发专用于测量热膨胀的监视器，该监视器使用TD-2热膨胀传感器。
该监视器具有测量精度高、易于调试、易于维护、线性优良等特点，在125MW、135MW、200MW、300MW、600MW机组中大量使用。
第二章ETS介绍
第二章ETS介绍
ETS即汽轮机危急遮断系统，它接受来自TSI系统或汽轮发电机组其它系统来的报警或停机信号，进行逻辑处理，输出指示灯报警信号或汽轮机遮断信号。
为了使用方便、运行可靠，我们选用了双机PLC（可编程控制器）进行逻辑处理。
双机PLC同时工作，任一动作均可输出报警信号。
当任一台故障时，PLC发出本机故障报警信号，并自动切断其停机逻辑输出，而另外一台仍能正常工作。
该装置能与其它系统通讯，满足电厂自动化需求。
2.1装置简介
2.1.1ETS装置内部逻辑采用可编程控制器（PLC）实现，取代了传统的继电器逻辑，为了提高ETS装置的可靠性、安全性，采用了双PLC结构。
硬件配置如下：
CPU模块
输入模块
输出模块
PLC电源
外部电源
其它附件
2.1.2环境条件
工作温度：
0℃～60℃
储藏温度：
-40℃～85℃
相对湿度：
5%～95%（无凝露）
振动测试：
对于10～500Hz时为1g0.012英寸正峰间位移
工作时冲击：
对于11±1ms持续时间内允许30g最高加速度
不工作时冲击：
对于11±1ms持续时间内允许50g的最高加速度。
2.1.3硬件性能
控制电源：
交流220V，单相50Hz
输入响应时间：
约10ms
输出响应时间：
约10ms
系统MTBF>10000h
可用率≥99.9％。
2.2工作原理
2.2.1ETS装置的双机PLC同时工作。
从现场来的输入信号进入本装置后同时到A机和B机，经过内部逻辑自动处理后，给出相应的输出信号。
以“汽机超速”为例，当电超速停机信号输入本装置后，同时进入A机和B机进行处理，同时输出停机信号。
2.2.2任一机A（B）发生故障时，都会给出本机的报警信号，同时自动切断本机的停机输出接点，而由另一机正常工作。
双机工作停机逻辑见图2-1。
图2-1双机工作原理图
2.2.3该ETS装置设有双路电源切换回路，在某一电源出现故障时，自动切换到另一电源回路中继续工作，如果主副电源同时故障，则输出一交流电源失电报警信号。
2.2.4本装置严格按照用户要求的逻辑进行设计。
2.2.5本装置所有输入/输出及接线图和装置的控制逻辑图见相应的“汽轮机危急跳闸装置图”。
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