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羅代強(qiáng)（1982-）
男，貴州貴定人，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)闊峁ぷ詣?dòng)化。
摘 要：根據(jù)某電廠4×300MW機(jī)組汽輪機(jī)脹差信號(hào)顯示異常情況進(jìn)行分析，找出了原脹差信號(hào)安裝方式下存在的問(wèn)題，并對(duì)脹差信號(hào)的安裝和信號(hào)顯示方式進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)同類機(jī)組脹差的信號(hào)的安裝具有一定參考價(jià)值。
關(guān)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(zhuǎn)子與汽缸沿軸向膨脹之差值，稱為轉(zhuǎn)子與汽缸的相對(duì)膨脹差，簡(jiǎn)稱脹差。習(xí)慣上規(guī)定：當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向膨脹值大于汽缸的軸向膨脹值時(shí)，脹差為正；反之為負(fù)。一般發(fā)電機(jī)側(cè)為正，調(diào)速端為負(fù)。哈爾濱汽輪機(jī)廠300MW汽輪機(jī)脹差保護(hù)動(dòng)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(cè)量范圍0～20mm。測(cè)量不靈敏區(qū)1.5mm，電源電壓-24VDC，信號(hào)電壓-4~-20VDC，靈敏度0.8V/mm。配套飛利浦脹差測(cè)量模件MMS6210，軟件使用北京松源艾普科技（epro）有限公司的MMS6000監(jiān)控軟件。DCS系統(tǒng)為北京和利時(shí)有限公司的SmartPro系統(tǒng)。
2 存在的問(wèn)題
四號(hào)機(jī)組大修后首次啟機(jī)沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)前脹差信號(hào)1.08mm，隨著汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速升高脹差一直向負(fù)值增大，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至2300rpm時(shí)，脹差顯示-1.28mm，之后DCS畫(huà)面上脹差顯示突變至-7mm，汽輪機(jī)未跳閘（保護(hù)動(dòng)作值設(shè)置為小于-1.5mm動(dòng)作），運(yùn)行人員手動(dòng)打閘汽輪機(jī)，之后脹差由-7mm突變至-1.29mm然后緩慢向正值變化。
3 問(wèn)題分析
3.1 脹差探頭的特性
黔西電廠四臺(tái)機(jī)組脹差探頭皆為菲利浦MMS6000系列，型號(hào)為PR6426/CON011/916-200，供電電壓-4/-20V，靈敏度0.8V/mm，有效測(cè)量距離20mm。#4機(jī)組脹差探頭靜態(tài)校驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
V：脹差探頭在各個(gè)位移點(diǎn)生成的電壓，作位移轉(zhuǎn)換使用
mm：被測(cè)物端面與探頭端面的實(shí)際位移量
線性誤差：相同位移量探頭生成電壓的實(shí)際值
由表1可計(jì)算探頭在不同區(qū)段內(nèi)的靈敏度，
在0～2mm范圍內(nèi)，[-3.87-(-5.35)]÷2 = 0.74V/mm
在2～18mm范圍內(nèi)，[-5.35-(-18.07)]÷16 = 0.795V/mm
在18～20mm范圍內(nèi)，[-18.07-(-19.45)]÷2 = 0.69V/mm
可見(jiàn)在中間區(qū)域靈敏度非常接近廠家給出的靈敏度0.8，而在兩側(cè)則出現(xiàn)了明顯的偏差，也就是說(shuō)探頭在0～20mm的全行程內(nèi)存在線性誤差。
3.2 脹差探頭的安裝與監(jiān)測(cè)
（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(jiān)測(cè)。
脹差探頭測(cè)量所得的電壓送入分析卡件后轉(zhuǎn)換為位移量，經(jīng)過(guò)與設(shè)定值進(jìn)行比較后驅(qū)動(dòng)報(bào)警和跳閘保護(hù)，同時(shí)將位移量轉(zhuǎn)化為4～20mA電流信號(hào)送至DCS畫(huà)面顯示，在DCS系統(tǒng)設(shè)置中脹差的量程為-2～18mm。其中電壓信號(hào)進(jìn)入分析卡件后的轉(zhuǎn)換按照以下公式進(jìn)行：
（安裝電壓－測(cè)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(shí)間點(diǎn)接收到探頭電壓為-5V，默認(rèn)-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(shuō)轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離了探頭1.25mm，模件內(nèi)部默認(rèn)探頭按照理論線性工作，也就是在各個(gè)區(qū)段采用0.8的靈敏度，不考慮實(shí)際存在的線性誤差。
（3）目前探頭安裝位置的確定。
汽輪機(jī)運(yùn)行中缸體與轉(zhuǎn)子的膨脹存在正反方向的膨脹差，所以就要求探頭可以監(jiān)測(cè)正反兩個(gè)方向，負(fù)方向監(jiān)測(cè)距離要求大于1.5mm（即-1.5mm），正方向監(jiān)測(cè)距離大于16.45mm（即+16.45mm）。這樣在安裝前需要事先確認(rèn)探頭的間隙電壓，因?yàn)樘筋^的測(cè)量行程為20mm，如果將零位由-4V偏移到-5.6V，那么測(cè)量就由0～20mm改變?yōu)?2～18mm，可滿足測(cè)量需要。在轉(zhuǎn)子和缸體冷卻后，將轉(zhuǎn)子推至推力盤(pán)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(shù)寫(xiě)入脹差信號(hào)分析模件既可完成安裝，改造之前模件在出廠設(shè)置狀態(tài)下工作，即只接收-4～-20V的電壓信號(hào)，超過(guò)這個(gè)范圍即認(rèn)為探頭故障，此時(shí)會(huì)閉鎖對(duì)DCS系統(tǒng)的電流輸出（即不向DCS系統(tǒng)輸出電流，DCS系統(tǒng)接收到電流值就為0mA），同時(shí)在脹差保護(hù)中切除該探頭的測(cè)量信號(hào)。
圖2
3.3 問(wèn)題分析
第一，和利時(shí)DCS系統(tǒng)在接收到的4～20mA信號(hào)消失時(shí)，它會(huì)按照接收到0mA來(lái)顯示。在DCS設(shè)置脹差信號(hào)量程范圍為-2～18mm ，對(duì)應(yīng)的輸入電流為4～20mA，所以在電流信號(hào)消失時(shí)DCS按照電流為0顯示脹差值為-7mm，這與異常發(fā)生時(shí)的顯示值一致，這說(shuō)明當(dāng)時(shí)脹差卡件送到DCS的電流值為0mA，這就可以推論出當(dāng)時(shí)脹差卡件曾今閉鎖電流輸出。前邊已經(jīng)講過(guò)只有當(dāng)卡件接收到的脹差探頭送來(lái)的電壓值超限才會(huì)發(fā)生這種情況。經(jīng)過(guò)趨勢(shì)查找和分析，在汽輪機(jī)開(kāi)始沖轉(zhuǎn)時(shí)汽輪機(jī)缸溫270℃，脹差+1.03mm，從以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知汽輪機(jī)從零轉(zhuǎn)速升速到3000rpm，汽輪機(jī)脹差會(huì)往負(fù)方向收縮3.7mm左右，而此次汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前脹差只有+1.03，且沖轉(zhuǎn)時(shí)間較快，導(dǎo)致脹差變化較快，當(dāng)脹差信號(hào)往負(fù)方向快速變化的過(guò)程中脹差卡件還未來(lái)的及保護(hù)動(dòng)作跳汽輪機(jī)（脹差保護(hù)對(duì)實(shí)際測(cè)量信號(hào)變化速率有限制，如果信號(hào)變化速率太快，在超限閉鎖發(fā)生前保護(hù)是不會(huì)動(dòng)作的），脹差信號(hào)就已經(jīng)超限，也就是說(shuō)探頭測(cè)量電壓超出了模件中限定的-4V電壓，此時(shí)脹差模件停止了對(duì)DCS的電流輸出，同時(shí)屏蔽了該探頭的報(bào)警輸出以及脹差保護(hù)，之后在負(fù)脹差恢復(fù)到正常范圍時(shí)又輸出電流和報(bào)警。
第二，通過(guò)對(duì)脹差探頭靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析可以得出，在脹差測(cè)量區(qū)域的兩頭，探頭的線性出現(xiàn)了偏移。偏移的出現(xiàn)使得探頭的電壓和位移轉(zhuǎn)換出現(xiàn)變化，比如如果我們以-5.6V作為測(cè)量零點(diǎn)的情況下，當(dāng)脹差信號(hào)實(shí)際變化距離為-1mm時(shí)，我們假設(shè)此時(shí)脹差探頭存在線性誤差其靈敏度為0.7（該值是假設(shè)得到的），那么它生成的電壓應(yīng)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(rèn)的0.8mm/V的靈敏度進(jìn)行計(jì)算
[-5.6-（-4.9）] ÷0.8=-0.875mm
即模件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際距離的測(cè)量顯示為-0.875mm，這樣就存在0.125的誤差。這樣會(huì)造成保護(hù)的延遲動(dòng)作、誤動(dòng)作，對(duì)機(jī)組的安全構(gòu)成了威脅。
4 解決方案
（1）汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)嚴(yán)格安照《汽機(jī)運(yùn)行規(guī)程》執(zhí)行。應(yīng)充分暖機(jī)，脹差至少要大于+3.7mm。滿足沖轉(zhuǎn)條件后再進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。在暖缸未充分的情況下汽輪機(jī)可能會(huì)有不小的震動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致脹差探頭測(cè)量的數(shù)據(jù)在瞬間超出測(cè)量范圍，從而閉鎖報(bào)警以及保護(hù)動(dòng)作；
（2）脹差探頭的安裝電壓點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，必須為負(fù)向保護(hù)動(dòng)作值以及正向保護(hù)動(dòng)作值留出足夠的測(cè)量范圍，這樣在極端情況下才能保證脹差探頭的測(cè)量距離對(duì)汽輪機(jī)構(gòu)成有效地保護(hù)，避免因超出測(cè)量上下限從而閉鎖報(bào)警以及保護(hù)動(dòng)作；從校驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，-1.5mm時(shí)，測(cè)量電壓為-4.23V，非常接近閉鎖動(dòng)作電壓-4V，所以零位電壓應(yīng)選擇往正方向遷移到5.74V較好，但又不能太大，應(yīng)考慮到兼顧正方向保護(hù)值的問(wèn)題。每個(gè)廠應(yīng)根據(jù)具體情況確定安裝電壓。原則上測(cè)量范圍應(yīng)兼顧覆蓋兩端保護(hù)動(dòng)作值，并且盡量遠(yuǎn)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(cè)量方式是基于理論線性進(jìn)行，這樣必然導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際的偏差，可以通過(guò)啟用脹差模件中的線性修正功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。機(jī)組停運(yùn)后將探頭拆回校驗(yàn)并記錄校驗(yàn)數(shù)據(jù)，將所得電壓與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系一一寫(xiě)入模件，這樣當(dāng)模件接收到電壓信號(hào)后不再按照線性關(guān)系運(yùn)算，而是直接按照實(shí)際寫(xiě)入的參數(shù)完成一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，避免線性化誤差造成的計(jì)算誤差，這樣能提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。但由于探頭在長(zhǎng)期使用過(guò)程中受周圍振動(dòng)、溫度、油污等影響其線性尤其是測(cè)量范圍兩側(cè)的線性會(huì)發(fā)生變化，甚至測(cè)量范圍減小，所以應(yīng)定期校驗(yàn)探頭并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果更新寫(xiě)入模件的參數(shù)。如有條件能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際校驗(yàn)數(shù)據(jù)則效果更佳。
（4）校驗(yàn)探頭，校驗(yàn)需要注意兩點(diǎn)，一是探頭的端面圓周向外斜45°，必須被測(cè)量盤(pán)覆蓋，如果探頭位置在測(cè)量盤(pán)的邊上或者測(cè)量盤(pán)過(guò)小，會(huì)使得測(cè)量電壓值偏大而無(wú)法使用；二是面對(duì)不同材質(zhì)的測(cè)量盤(pán)，探頭在相同位移上產(chǎn)生的電壓值差別較大，所以只有與低壓缸轉(zhuǎn)子材質(zhì)完全相同的校驗(yàn)臺(tái)測(cè)量盤(pán)所采集的數(shù)據(jù)才可以直接輸入TSI卡件，否則將不能使用。低壓缸轉(zhuǎn)子材質(zhì)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(rèn)探頭的工作環(huán)境溫度低于此值。
（6）另外可以更換前置器型號(hào)為CON011/916-240(測(cè)量范圍0～24mm)來(lái)解決探頭線性范圍小不夠覆蓋正負(fù)方向動(dòng)作值的問(wèn)題。
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
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