摘要：介绍邯峰电厂汽轮机的特点、tsi（汽轮机监测仪表）系统的测点布置、vibm-meter传感器性能及其处理模件特点，分析邯峰电厂tsi系统测量参数的处理流程及西门子设计汽轮机轴系监测系统的思路。
近几年，新建和在建的山西阳城电厂（6x350mw）、河北邯峰电厂（2x660mw）均采用德国西门子公司制造的汽轮机，与这些汽轮机配套的汽轮机监测仪表（tsl）采用瑞士vibro—meter公司的测量传感器及处理模件。本文就vibro—meter特点、性能，结合邯峰电厂汽轮机轴系监测的特点及西门子公司设计大型汽轮机轴系监测系统思路进行分析。
1邯峰电厂汽轮机特点及轴系监测的测点布置
邯峰电厂采用西门子公司生产的hmn系列汽轮机（660mw／16．089mpa／538℃／538℃）．是一个四轴四缸纯凝汽式汽轮机。汽轮机转子设计成单轴承系统，即在每2个汽缸之间，只有1个轴承，这种布置方式使基础变形对轴承应力、轴颈上的弯曲应力和稳定运行的影响zui小。在高压转子前后各有一轴承座，前轴承座内设一径向轴承，后轴承座内设一联合径向推力轴承。2个低压缸转子采用二轴三支承方法支承。郎峰电厂轴系监测系统的测点布置见图1。
2viuibro—meter传感器性能
汽轮机组需要采用各种各样的传感器来发现和确认汽轮机组的危险和不经济的运行状态。这些传感器应具很高的灵敏度，既能用于汽轮机在线监视保护（测量信息可靠），又能用于汽轮机故障诊断（测量信息完整）。表l列出东方汽轮机厂300mw机组采用的本特利3300系列传感器及西门子660mw机组采用的vibro-meter系列传感器的类型和性能。本特利电涡流探头和延伸电缆长度有5m和9m2种规格；vibro—meter电涡流探头和延伸电缆长度有5m和10m2种规格。
从表可看出，vibro-meter系列电涡流传感器
在精度和灵敏度（相同的测量距离）方面高于本特利3300系列。另外，西门子采用vibro-meter的压电加速度传感器测量轴承座振动，比本特利采用9200惯性速度传感器有更高的频率响应范围和可靠性；采用vibro-meter带检测杆的电涡流传感器aell9测量机壳膨胀，也比线性差动变压器lvdt更为和可靠。
3vibro-meter处理模件特点
本特利3300tsi系统采用交流供电（190~250vac50-60hz、运行温度0-65℃、输出电压的稳定性为+0％，-2．5％）；框架中配有系统监测器，实现对框架中任一处理模件的报警点设置和“ok”状态的监视；每一处理模件前面板均有测量信号液晶棒图显示、ok状态显示灯、监视信号状态指示灯（报警／危险／旁路）及显示选择按键（显示报警／危险设定值）、输出原始测量信号的bnc同轴电缆接头；每—处理模件后接线端子除测量信号输入端外，均有远传记录信号输出、报警继电器状态输出；处理模件采用程序接合器，用短接块实现选择参数或功能设定。
vibro-metertsi系统采用直接供电（14-70vdc、运行温度-25~+70℃、输出电压的稳定性为±0．6％）；框架中无系统监测器；每一处理模件前面板没有测量信号液晶棒图显示、监视信号状态指示灯及显示选择按键，仅有ok状态显示灯及输出原始测量信号的bnc同轴电缆接头；后接线端子除测量信号输入端、远传记录信号输出端外，没有报警继电器状态输出，但测量结果有多种选择输出，如轴承座振动处理模件uvc752可选择“未滤波／滤波／加速度／速度／位移／直流／交流”等信号输出，轴振动处理模件uvv696可选择“振动/间隙／大值”等信号输出，此外，后接线端子还有灯测试控制端、检验控制端、校验信号输入端和“ok状态”晶体管输出端（经继电器驱动板输出继电器接点信号，送往dcs）；处理模件采用焊桥实现选择参数或功能设定。
vibro-metertsi系统有一个独立的电平检测和显示处理模件pld772，所有处理模件的测量信号可通过通道选择模件abb007在pld772上实现液晶棒图显示和发光二级管数字显示。
每一机架均有16个位置，电源模件占2个位置，一般置于左侧1、2位置；其它模件均占1个位置，可按需要在机架中任意位置固定；每一机架上均有一控制板，控制板上有“灯测试”开关“报警复位”开关和“电源运行”指示灯。
同一机架中具有灯测试功能的处理模件、显示模件pld772的灯测试控制端均并连，接至机架控制板的“灯测试开关”上，实现同一机架指示灯的同步测试。
同一机架中的轴承座振动处理模件uvc752、轴振处理模件uvv696、偏心处理模件uvv750的所有校验信号输入端并接在一起，与校验模件acm215的校验信号输出端相连；上述处理模件的所有校验控制端并接在一起，与校验模件acm215的“检验／运行”控制端相连。“校验”时，此信号使继电器驱动板的继电器带电，一方面送往dcs进行“校验”指示，使处理模件置为“校验”工作状态；另—方面将acm215的校验信号（幅值可调）送入上述处理模件的校验信号输入端实现同一机架中的上述处理模件的实时校验。
校验模件acm215仅能提供正弦波校验信号，不能提供方波校验信号，所以机架中的键相处理模件uvl682不能通过acm215校验；也因为acm215提供的正弦波校验信号不含直流成分，所以象机壳膨胀处理模件uvv768、转子膨胀处理模件uvv755、轴向位移处理模件uvv694这些对电涡流传感器输出的直流成分进行处理的模件，均将校验信号输入端接地，闭锁实时校验。
18路输入/输出保护子模件siop270可双向使用，具有高频滤波（过滤电磁干扰和射频干扰）和电压限制的作用，其中1路的电路图如图2所示。所有输入信号均通过siop270进入所有的处理模件和跟踪滤波模件tfm677，除继电器输出接点外，其它输出信号全部通过siop270输出。
4邯峰电厂tsi系统测量参数的处理流程
4．1轴的相对振动和偏心
由于大多数汽轮机的振动问题来源于轴或转子系统，且轴在水平方向的振动和垂直方向的振动并没有必然，所以大型汽轮机组无一例外地采用2个相互垂直（x／y）的电涡流探头加键相信号进行轴的相对振动监测，从而得到该截面的轴心轨迹和轴的平均位置图，据此对机械故障进行诊断。邯峰电厂660mw汽轮机共8个轴承，有8对测轴相对振动（x／y）的电涡流传感器，安装支架固定在每—轴承座上，轴的相对振动（x／y）正常值小于50μm。
轴偏心是低转速（小于600r／min）下，转子在轴承中的径向平均位置，通过偏心测量可发现由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。偏心测量信号取自8个轴的相对振动（x）传感器的输出，它的正常值一般为轴振正常值的2倍。
西门子公司认为，所有位于电子设备间的vibro-metertsi系统的处理模件没有必要象本特利3300tsi系统一样，每一处理模件均有测量信号液晶棒图显示，一方面，因为所有测量结果在集控室均有显示；另一方面，每一机架设置一个显示模件pld772，通过12路通道选择模件*可实现所有处理模件就地检查和校验显示。
测量输出和交流输出的均是滤波的交流电压输出（10v对应300μm），但这2个信号输出端不同、处理路径不同、处理过程相同，测量输出端的交流信号经内部带通滤波（10hz~1khz）后，到测量输出端，交流输出端的交流信号经外部带通滤波（10hz-1khz）后，到交流输出端。相同的测量信号经不同路径进行相同处理，分别送dcs进行相关性判断，会得到更为sk靠的测量结果。
4．2轴向位移
轴向位移反映推力轴承和推力环的相对距离，合理的轴向位移保证转子和汽缸的动、静间隙，避免汽轮机内部转动部件和静止部件的碰磨。由于轴向位移超限后，危害巨大，所以大型汽轮机组均将轴向位移作为停机保护监视参数，东方汽轮机厂（300mw）机组采用2个本特利3300系列14mm电涡流传感器，实现轴向位移的报警（或）和停机保护（与）。而西门子（350mw、660mw）机组均采用3个tq453电涡流传感器，实现轴向位移的报警（或）停机保护（“三取二”）。从可靠性和防误动角度看，“三取二”逻辑比“二取二”逻辑应用效果好。
为保证轴向位移测量信号的准确性，西门子公司采用相互独立的3个轴向位移处理模件uvv694，每一uvv694模件单独供电，单独处理1路测量信号，每1路的处理结果有2路输出，分别关往dcs，避免l路输出传输通道故障后，不能及时有效地实施停机保护。
4．3胀差和汽缸膨胀
胀差即机壳和转子之间的相对膨胀差，如果超限，就可能产生轴向摩擦而使汽轮机受到损害。另外，汽轮机组启、停时，如果汽缸膨胀不均匀，就会使汽缸变斜或翘起，使汽缸与基础之间产生巨大应力，由此带来的不对中现象会引起严重后果，所以在汽轮机运行过程中，应对胀差和汽缸膨胀加以监视。
东方汽轮机厂（300mw）机组采用安装支架固定在汽缸上的本特利3300系列25／50mm电涡流传感器直接测量机壳和转子胀差，采用固定在基础止的线性差动变压器lvdt实现汽缸膨胀测量。
邯峰电厂汽轮机高压外缸是圆筒型的，并具有*旋转对称的形状，在所有截面上壁厚相同。高压内缸也同样具有*旋转对称的形状，筒型高压外缸和内缸的密封采用预拉紧的“u”型密封环和“l”型密封环。预拉紧“u”型密封环借助于蒸汽压力，作用在轴向密封面。“l”型密封环允许内缸轴向热膨胀。高压内缸固定在筒型外缸内侧的水平面和垂直面上，随着温度升高，内缸在径向和轴向任何方面都可从死点开始膨胀，并始终保持与转子同心。
中压汽缸采用具有水平中分面的双壳结构，在内上缸的中分面上设计有4个猫爪，在外下缸中分面上设计有支承座，内缸通过猫爪放在外缸的支承座上。螺纹凸肩有足够的间隙，允许内缸在水平结合面上所有方向自由膨胀，垂直方向从支承结合面开始膨胀，保证了在支承面上内缸与转子同心。外下缸上的凸肩与一个调整垫一起插入内下缸相应的凹槽内，为内缸在垂直面上提供一个对中系统。
低压汽缸由2个双流缸组成，外缸是焊接而成，内缸是铸造而成。每一焊接型外缸由圆筒型的上半部分、2个侧墙和1个内部刚性连接系统组成。内缸是水平中分面，单壳铸造结构。考虑到内缸热膨胀，内缸中的导叶体和导叶环可自由移动，并保持对中。每个内缸有4个铸造在其上的支承臂，支承臂支承在轴承座的水平支架上，水平支架设计在汽轮机中心线以下，通过前墙到ⅱ号低压缸。te型支承臂用螺杆固定在i号低压缸上，这种固定方法通过前轴承座导杆，保证内缸轴向固定。内缸导向夹紧装置通过导向杆的臂，紧紧固定在基础上，固定键和滑块，保证内缸正确对中。
综上所述，西门子公司生产的汽轮机通过合理的设计，保证汽轮机启、停运行过程中汽缸膨胀的均匀性。鉴于此，邯峰电厂未在汽轮机汽缸两侧布置汽缸膨胀测量传感器，检查汽轮机的对中情况。
邯峰电厂采用的胀差测量方法是先分别测量出汽缸膨胀和转子膨胀后，再在dcs中计算其胀差。在高、低压缸侧布置的1个带检测杆的50mm电涡流传感器aell9测量汽缸膨胀，在高压转子侧采用1个大量程电涡流传感器u22／dt测量高压转子膨胀，在低压转子侧采用2个电涡流传感器，利用单斜坡原理测量低压转子膨胀。
低压转子膨胀范围为-5mm~+55mm=60mm水平位移，而tq403电涡流传感器的线性测量范围为12mm，为此采用单斜坡原理扩大tq403电涡流传感器测量水平位移范围。
如图3所示，探头1是一个辅助探头，用于区分转子的径向位移和轴向膨胀。正常情况下，探头1与转子的相对距离不变，探头2的输出反映转子的轴向膨胀，当转子存在径向位移时，探头1、2与转子的相对距离同时增减。
4．4轴承座振动
郎峰电厂汽轮机为具有重型转子的660mw大型汽轮机，一方面，重型转子系统的振动会更忠实地传递到轴承座；另一方面，对于采用混凝土和“低谐振”钢结构类型的基础，正确设计和施工的钢结构基础在汽轮机处于额定转速时，具有与混凝土基础相同的动刚度。但在启动和停机过程中，结构的共振会使轴承座产生很大的振动，危及汽轮机安全运行，这说明具有重型转子的660mw大型汽轮机轴承座的振动在汽轮相正常运行和异常运行时，有着明显不同。
对于大型旋转机械，振动频率越高，其相应的振动位移的幅值也越小，而其振动加速度幅值仍有一定的量级，此时用速度传感器或电涡流传感器测量振动，显得灵敏度不够，而加速度传感器在这种情况下对振动测量具有很大的灵敏度。
压电加速度计ca201具有灵敏度高（100pc／g）、频率响应范围大（0．5-4．5khz）、动态测量范围大（0．0001-200g峰值），传感器本身质量很小且坚固，没有移动部件，不会退化或磨损，可靠性高和寿命长的特点，适合高速旋转机械的轴承座及壳体振动的加速度测量。为此，邯峰电厂tsi系统在汽轮机每一轴承座上均安装2个加速度传感器cy021和cy022（同方向），实现轴承座振动的报警（或）和停机保护（与）。
由于不同的振动方向，振动特性具有不等效性，所以实现轴承座振动测量的2个压电加速度计的测振灵敏度轴（x／x'）应*相同，只有这样采用轴承座振动实施汽轮机的停机保护才具有很高的可靠性。
双通道轴承座振动处理模件uvc752可通过内部的焊桥选择“未滤波／滤波／加速度／速度／位移／直流／交流”。等信号输出，滤波或未滤波的选择是通过焊桥连通与否决定测量信号是否经过内部带通滤波（10hz~lkhz）环节，加速度／速度／位移的选择是通过焊桥连通与否决定测量信号是否经过内部速度积分器、位移积分器的运算，直流／交流的选择是通过焊桥连能与否决定测量信号是否经过内部整流器的整流。
5西门子公司没计汽轮机轴系监测系统思路
本特利3300tsi系统的设计强调通用性、独立性；采用市电（220vac）供电、每一处理模件均有测量参数显示、报警继电器输出；对于东方汽轮机厂300mw机组，偏心测量采用独立的测量探头及处理模件实现，可测量和指示在高中压缸和低压缸之间的轴偏心；胀差测量采用安装支架固定在汽缸上的电涡流探头直接测量；轴向位移的停机保护采用一个双通道处理模件，对2路测量信号进行“二取二”与逻辑处理，使误动的可能性zui小；汽轮机的超速保护采用1个独立的处理模件，对3路测量信号进行“三取二”逻辑处理，实施有效的停机保护；本特利3300tsi系统不需要其它系统帮助，就可独立完成汽轮机的监视保护任务。
西门子公司采用vibro-meter传感器和处理模件设计的邯峰电厂660mw机组tsi系统，是以大型汽轮机均采用dcs为前提，更多地考虑了测量参数的准确、可靠性和停机保护动作的抗误动、抗拒动性，将tsi系统仅作为测量仪表，测量参数的进一步处理由dcs完成。
西门子公司tsi系统采用dcs稳定可靠的直流电源为其供电，处理模件用焊桥代替短接块实现选择参数或功能的设定，可实现轴承振动、轴振动、偏心处理模件的实时校验，采用高精度和高灵敏度的测量传感器和功能简单的处理模件，在dcs中进行相关判断（—个测量信号不同路径作相同的处理，处理结果具有相关性）和的处理，这样可得到更为准确、可靠的测量结果。
tsi系统偏心测量信号取自轴振探头的输出，可测量和指示轴系任一端和2设备间的轴偏心；测量胀差时，由于汽轮机汽缸结构的特殊性，不能直接测量，只能先分别测量出汽缸膨胀和转子膨胀后，再在dcs中计算其胀差。
与其它300mw、600mw汽轮机组相比，西门子660mw汽轮机增加了轴承座振动作为停机保护参数，选用可靠的压电加速度计，采取“二取二”逻辑策略，有效保证汽轮机安全运行并使误动的可能性zui小。
轴向位移的停机保护采用3个独立的处理模件，每—处理模件有2路相同的测量信号（这2信号为“或”的关系）输出，对3个独立处理模件输出的3路测量信号进行“三取二”逻辑处理，保证了汽轮机轴系监测系统保护动作的有效性。
超速保护有6个测速探头，3个一组，先对每组的3路测量信号进行“三取二”逻辑处理，然后对2组处理结果进行“或”运算，实施有效的停机保护。
西门子对其汽轮机的机械设计、制造水平有相当的信心，通过特殊的设计、制造技术，解决了660mw汽轮机启停过程中由于汽缸膨胀不均匀造成的不对中问题，避免了此情况下的汽轮机运行调整，这一做法对汽轮机设计制造技术是一个很好思路。