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   羅代強（1982-）

    男，貴州貴定人，本科，助理工程師，主要研究方向為熱工自動化。



    摘  要：根據某電廠4×300MW機組汽輪機脹差信號顯示異常情況進行分析，找出了原脹差信號安裝方式下存在的問題，并對脹差信號的安裝和信號顯示方式進行了改進。對同類機組脹差的信號的安裝具有一定參考價值。

    關鍵詞：脹差；安裝零位；安裝電壓；線性修正

    Abstract: Based on analysis of anomaly signals of the 300MW steam turbine differential expansion, this paper identifies the problem from the traditional installation of differential expansion signal. Some improvements to its installation and its display style are therefore proposed, which has the reference value to other installation of differential expansion signal.

    Key words: differential expansion; installation of zero; installation voltage; linearity correction

   1 前言

    轉子與汽缸沿軸向膨脹之差值，稱為轉子與汽缸的相對膨脹差，簡稱脹差。習慣上規定：當轉子軸向膨脹值大于汽缸的軸向膨脹值時，脹差為正；反之為負。一般發電機側為正，調速端為負。哈爾濱汽輪機廠300MW汽輪機脹差保護動作值為-1.5mm/+16.45mm。這里使用的脹差探頭是飛利浦epro的PR6426/CON011/916-200探頭，測量范圍0～20mm。測量不靈敏區1.5mm，電源電壓-24VDC，信號電壓-4~-20VDC，靈敏度0.8V/mm。配套飛利浦脹差測量模件MMS6210，軟件使用北京松源艾普科技（epro）有限公司的MMS6000監控軟件。DCS系統為北京和利時有限公司的SmartPro系統。

    2 存在的問題

    四號機組大修后首次啟機沖轉，沖轉前脹差信號1.08mm，隨著汽輪機的轉速升高脹差一直向負值增大，汽輪機轉速升至2300rpm時，脹差顯示-1.28mm，之后DCS畫面上脹差顯示突變至-7mm，汽輪機未跳閘（保護動作值設置為小于-1.5mm動作），運行人員手動打閘汽輪機，之后脹差由-7mm突變至-1.29mm然后緩慢向正值變化。

    3 問題分析

    3.1 脹差探頭的特性

    黔西電廠四臺機組脹差探頭皆為菲利浦MMS6000系列，型號為PR6426/CON011/916-200，供電電壓-4/-20V，靈敏度0.8V/mm，有效測量距離20mm。#4機組脹差探頭靜態校驗數據如表1所示。
        
 
   
    V：脹差探頭在各個位移點生成的電壓，作位移轉換使用

    mm：被測物端面與探頭端面的實際位移量

    線性誤差：相同位移量探頭生成電壓的實際值

    由表1可計算探頭在不同區段內的靈敏度，

    在0～2mm范圍內，[-3.87-(-5.35)]÷2 = 0.74V/mm

    在2～18mm范圍內，[-5.35-(-18.07)]÷16 = 0.795V/mm

    在18～20mm范圍內，[-18.07-(-19.45)]÷2 = 0.69V/mm

    可見在中間區域靈敏度非常接近廠家給出的靈敏度0.8，而在兩側則出現了明顯的偏差，也就是說探頭在0～20mm的全行程內存在線性誤差。

    3.2 脹差探頭的安裝與監測

    （1）探頭的安裝位置如圖1所示。
              

                                 圖1   探頭的安裝位置圖

    （2）改造前脹差探頭的監測。

    脹差探頭測量所得的電壓送入分析卡件后轉換為位移量，經過與設定值進行比較后驅動報警和跳閘保護，同時將位移量轉化為4～20mA電流信號送至DCS畫面顯示，在DCS系統設置中脹差的量程為-2～18mm。其中電壓信號進入分析卡件后的轉換按照以下公式進行：

      （安裝電壓－測量電壓）÷靈敏度=位移量

    注：安裝電壓也叫零位電壓。

    如果模件某一時間點接收到探頭電壓為-5V，默認-4V為安裝電壓的情況下，那么位移量為

        [-4-(-5)] ÷0.8=1.25mm
 
    也就是說轉子遠離了探頭1.25mm，模件內部默認探頭按照理論線性工作，也就是在各個區段采用0.8的靈敏度，不考慮實際存在的線性誤差。

    （3）目前探頭安裝位置的確定。

     汽輪機運行中缸體與轉子的膨脹存在正反方向的膨脹差，所以就要求探頭可以監測正反兩個方向，負方向監測距離要求大于1.5mm（即-1.5mm），正方向監測距離大于16.45mm（即+16.45mm）。這樣在安裝前需要事先確認探頭的間隙電壓，因為探頭的測量行程為20mm，如果將零位由-4V偏移到-5.6V，那么測量就由0～20mm改變為-2～18mm，可滿足測量需要。在轉子和缸體冷卻后，將轉子推至推力盤工作面，將脹差探頭安裝在間隙-5.6V位置，如圖2所示。最后將以上參數寫入脹差信號分析模件既可完成安裝，改造之前模件在出廠設置狀態下工作，即只接收-4～-20V的電壓信號，超過這個范圍即認為探頭故障，此時會閉鎖對DCS系統的電流輸出（即不向DCS系統輸出電流，DCS系統接收到電流值就為0mA），同時在脹差保護中切除該探頭的測量信號。 

             
                                       圖2

    3.3 問題分析

    第一，和利時DCS系統在接收到的4～20mA信號消失時，它會按照接收到0mA來顯示。在DCS設置脹差信號量程范圍為-2～18mm ，對應的輸入電流為4～20mA，所以在電流信號消失時DCS按照電流為0顯示脹差值為-7mm，這與異常發生時的顯示值一致，這說明當時脹差卡件送到DCS的電流值為0mA，這就可以推論出當時脹差卡件曾今閉鎖電流輸出。前邊已經講過只有當卡件接收到的脹差探頭送來的電壓值超限才會發生這種情況。經過趨勢查找和分析，在汽輪機開始沖轉時汽輪機缸溫270℃，脹差+1.03mm，從以往試驗數據可知汽輪機從零轉速升速到3000rpm，汽輪機脹差會往負方向收縮3.7mm左右，而此次汽輪機沖轉前脹差只有+1.03，且沖轉時間較快，導致脹差變化較快，當脹差信號往負方向快速變化的過程中脹差卡件還未來的及保護動作跳汽輪機（脹差保護對實際測量信號變化速率有限制，如果信號變化速率太快，在超限閉鎖發生前保護是不會動作的），脹差信號就已經超限，也就是說探頭測量電壓超出了模件中限定的-4V電壓，此時脹差模件停止了對DCS的電流輸出，同時屏蔽了該探頭的報警輸出以及脹差保護，之后在負脹差恢復到正常范圍時又輸出電流和報警。

    第二，通過對脹差探頭靜態測量數據的分析可以得出，在脹差測量區域的兩頭，探頭的線性出現了偏移。偏移的出現使得探頭的電壓和位移轉換出現變化，比如如果我們以-5.6V作為測量零點的情況下，當脹差信號實際變化距離為-1mm時，我們假設此時脹差探頭存在線性誤差其靈敏度為0.7（該值是假設得到的），那么它生成的電壓應該為：

     [（-5.6）- V]÷0.7=-1mm  V=-4.9V

    那么模件接收到-4.9V后按照默認的0.8mm/V的靈敏度進行計算

    [-5.6-（-4.9）] ÷0.8=-0.875mm

    即模件對現場實際距離的測量顯示為-0.875mm，這樣就存在0.125的誤差。這樣會造成保護的延遲動作、誤動作，對機組的安全構成了威脅。

    4 解決方案

    （1）汽輪機沖轉嚴格安照《汽機運行規程》執行。應充分暖機，脹差至少要大于+3.7mm。滿足沖轉條件后再進行沖轉。在暖缸未充分的情況下汽輪機可能會有不小的震動，會導致脹差探頭測量的數據在瞬間超出測量范圍，從而閉鎖報警以及保護動作；

    （2）脹差探頭的安裝電壓點應進行適當的選擇，必須為負向保護動作值以及正向保護動作值留出足夠的測量范圍，這樣在極端情況下才能保證脹差探頭的測量距離對汽輪機構成有效地保護，避免因超出測量上下限從而閉鎖報警以及保護動作；從校驗數據可知，-1.5mm時，測量電壓為-4.23V，非常接近閉鎖動作電壓-4V，所以零位電壓應選擇往正方向遷移到5.74V較好，但又不能太大，應考慮到兼顧正方向保護值的問題。每個廠應根據具體情況確定安裝電壓。原則上測量范圍應兼顧覆蓋兩端保護動作值，并且盡量遠離閉鎖電壓值。

    （3）由于脹差探頭全行程上存在線性誤差，而目前的測量方式是基于理論線性進行，這樣必然導致測量值與實際的偏差，可以通過啟用脹差模件中的線性修正功能來解決這個問題。機組停運后將探頭拆回校驗并記錄校驗數據，將所得電壓與位移的對應關系一一寫入模件，這樣當模件接收到電壓信號后不再按照線性關系運算，而是直接按照實際寫入的參數完成一一對應轉換，避免線性化誤差造成的計算誤差，這樣能提高測量的準確性。但由于探頭在長期使用過程中受周圍振動、溫度、油污等影響其線性尤其是測量范圍兩側的線性會發生變化，甚至測量范圍減小，所以應定期校驗探頭并根據校驗結果更新寫入模件的參數。如有條件能在現場實際校驗數據則效果更佳。

    （4）校驗探頭，校驗需要注意兩點，一是探頭的端面圓周向外斜45°，必須被測量盤覆蓋，如果探頭位置在測量盤的邊上或者測量盤過小，會使得測量電壓值偏大而無法使用；二是面對不同材質的測量盤，探頭在相同位移上產生的電壓值差別較大，所以只有與低壓缸轉子材質完全相同的校驗臺測量盤所采集的數據才可以直接輸入TSI卡件，否則將不能使用。低壓缸轉子材質30Cr2Ni4MoV。

    （5）TSI探頭和延伸電纜正常工作允許的最大溫度為180℃，檢查確認探頭的工作環境溫度低于此值。

    （6）另外可以更換前置器型號為CON011/916-240(測量范圍0～24mm)來解決探頭線性范圍小不夠覆蓋正負方向動作值的問題。



                                                              ——轉自《自動化博覽》