转载--TSI的位移检测

来源：热控圈

一、轴向位移检测：

高速旋转的汽轮机转子，除经受蒸汽作用的圆周力克服发电机阻力向外输出功率外，还要受到巨大的轴向推力。轴向推力大部分由通流部分各单元级前后压差产生，并随汽轮机工况的变化而变化。

推力轴承承受着转子的全部轴向推力，并保持转子的轴向位置，使汽机的转子和静子之间具有一定的轴向间隙，能够正常运行。在汽轮机运行过程中，由于负荷及参数的变化，有时作用在转子上的轴向力指向发电机，转子的推力盘靠向推力轴承的正向工作面瓦块；有时作用在转子上的轴向力指向汽轮机前端，转子的推力盘靠向推力轴承的非工作面瓦块。为保证转子的正常工作，工作面和非工作面的瓦块上与径向轴瓦一样都浇注有锡基的巴氏合金，巴氏合金的最小厚度约为1.5mm。

如果转子轴向推力增大，将使推力轴承过载，严重时可使油膜破坏，甚至造成巴氏合金熔化，由此产生过大的轴向位移，甚至可使通流部分的动静间隙消失，发生摩擦和碰撞，造成巨大的设备损坏事故。事实上，负荷的突变，汽机进水，通流部分结垢都可引起轴向推力增大；润滑油压骤降甚至断油都可引起瓦块巴氏合金的摩损，引起轴向位移增大。因此轴向位移已成为汽机运行中必不可少的保护项目和监控项目。

以转子推力盘在推力轴承工作面和非工作面瓦块的中间为轴向位移的起始零位。常用的转子轴向位移的限值规定为：

正向报警：＋0.9mm；

正向危险：＋1.0mm；

反向报警：－0.9mm；

反向危险：－1.0mm；

通常推力盘与工作面或非工作面之间留有约0.38~0.4mm的间隙。正常运行中，当推力轴承工作面处于工作状态时则可出现约＋0.1mm的轴向位移的显示，当推力轴承非工作面处于工作状态时则可出现约－0.1mm的轴向位移的显示。

作为轴向位移检测，用静态测量范围为±2mm的涡流探头（11mm探头）已经足够使用，其工作范围基本处在线性区域内。探头与被测面之间的间隙调整以前置器输出电压为－10V为准，就可使探头正常工作。

为了检测转子的轴向位移，需将测量探头（Sensor）固定在轴承座（Bearing Housing）上，以转轴（Shaft）上检测园盘的表面作为被测面。转轴的轴向移动，将改变探头与被测面之间的间隙，由此测量转轴的轴向移动。如图1所示：

图1 轴向位移的测量

对300MW/600MW汽轮机通常配置4个冗余的11mm涡流探头，其前置器输出与监测模件连接，监测模件将该信号转换后以与位移量成正比的4~20mA标准模拟电量输出，见下图。每二个传感器的“报警”以“或”逻辑组合，共输出二组“报警”的开关量；每二个传感器的“危险”以“与”逻辑组合，共输出二组“危险”的开关量，供保护系统停机使用。

图2是轴向位移探头与转子安装间隙调整示意图，安装间隙的调整以前置器输出-10V为准，从原理上来讲，安装间隙是（2+基础间隙）。基础间隙是探头非线性工作区的距离。

图2 轴向位移探头与转子安装间隙调整示意图

二、汽缸膨胀的检测

机组从冷态进入高温的带负荷状态，温度的变化必然会导致汽缸的膨胀。汽缸膨胀主要测量从汽缸的固定死点到离开死点最远自由端相对于基座的轴向尺寸伸长。对单缸单一死点的滑销系统，最远的自由端通常是前轴承座端面，滑销系统设计时已经考虑了前端轴承座可在轴向导向键上自由移动。汽缸膨胀的测量可显示出机组在启动、停机以及负荷、蒸汽温度变动时汽缸的膨胀量和收缩量。如果负荷，蒸汽状态，真空度等情况相似，则汽缸膨胀的数字应该大致相同。若汽缸膨胀时，机组的自由端在导向键上滑动受阻，可以从汽缸膨胀的数字上表现出来。一旦膨胀受阻，或汽缸左右侧热膨胀出现不均匀可能会导致汽缸的变形，发生动静部件摩擦的事故，由此威胁机组的安全运行。因此在运行中，加强对汽缸的热膨胀的监视，是非常有必要的。

大容量多缸汽轮机的轴向长度很长，因此运行中汽缸的热膨胀值往往会达到相当大的数值。如135MW机组在额定工况时高中压缸的热膨胀值接近于20mm，300MW机组在额定工况时高中压缸的热膨胀值可达25mm。

这一数字已经超过电涡流探头的测量范围，因此，监测汽缸膨胀的传感器一般都采用工作量程为±25mm以上的螺管式差动变压器作为传感器。将传感器固定在基座上，差动变压器的衔铁与汽缸固定，并跟随汽缸一起移动，就可测量汽缸的膨胀量。汽缸膨胀监控模件通过四芯屏蔽电缆向传感器提供24V直流电源，接受传感器输出的±10V信号，经过转换后就可以得到以0~50mm位移行程对应4~20mA模拟量的信号输出。

为同时观察汽缸左右两侧的膨胀量，可在左右两侧各设置一个传感器，也是一种常用的配置方式。

三、汽缸和转子膨胀差的检测

和汽缸热膨胀一样，转子也有热膨胀。在汽轮机启动，停机和工况变化时，转子和汽缸各自以自己的固定死点为起始点膨胀和收缩。汽缸膨胀和收缩的固定死点是纵向滑销和横向滑销的交点，其位置由汽轮机滑销系统设计决定。该死点相对于基座是固定的，称为绝对死点。转子膨胀和收缩的固定死点是推力轴承，但推力轴承跟随汽缸膨胀和收缩移动，因此转子的死点相对于基座是移动的，称为相对死点。汽缸膨胀带动推力轴承，而转子又以推力轴承作为死点膨胀，由此产生汽缸和转子的膨胀差。

由于转子和汽缸的质量，表面积以及结构各有不同，转子的质量比汽缸小，而被加热的表面积却比汽缸大，因此在加热和冷却的过程中，转子的温度升高和降低都比汽缸来得快，也就是说加热时转子的膨胀量大于汽缸，冷却时转子的收缩量同样大于汽缸。这种转子与汽缸相对膨胀的差值，称为差胀。差胀的变化可直接反映动静部件之间的轴向间隙大小。

当转子的膨胀大于汽缸时，定义为正差胀；当转子的膨胀小于汽缸时，定义为负差胀。

在汽轮机带负荷正常运行后，转子和汽缸的温度以及膨胀量逐渐趋于稳定，它们之间的膨胀差也会逐渐减小，最后达到某个稳定值。运行中正常的负荷变化速度，一般不会对差胀造成影响。只有在负荷急剧变化或主蒸汽温度不稳定时，才会产生额外的差胀的变化。

实际上，汽机的启动和停机正是转子和汽缸的加热和冷却的过程，升降转速或升降负荷过快，或低负荷停留时间过长，轴封蒸汽温度与转子温度不匹配都会对差胀造成影响。

过大的正差胀或过大的负差胀，会对使汽轮机的轴封和动静叶片间的轴向间隙发生变化，严重时会使它们的动静间隙消失，发生碰撞和摩擦，导致振动加剧，转子局部发热产生弯曲的严重后果。因此在机组启停和工况发生突化时应密切监视和控制差胀的变化，让其不超过差胀应有的限制值。

差胀的限制值与差胀的检测点有密切的关系，应通过转子和汽缸的温度场计算以及膨胀量计算来推算动静间隙出现“报警”或“危险”状态时，差胀检测点的限制值。

西屋机型300MW机组是双缸单死点的滑销系统，在双流低压缸的中点设置一个汽缸膨胀的绝对死点，低压缸推动推力高中压缸以及前轴承座向前膨胀。推力轴承位于高中压缸前端的前轴承座内，是转子膨胀的死点，它随着汽缸的膨胀而移动。在低压缸的发动机端的后轴承座设置一个差胀检测点，如图3

所示：

图3 300MW机组的轴向膨胀

根据温度场以及膨胀的计算，确定正差胀报警限制值是15.7mm，危险限制值是16.5mm；负差胀报警限制值是-0.8mm，危险限制值是-1.5mm。差胀的全量程范围为-2.5~+17.5mm；

对量程在12mm以下的差胀检测可使用25mm的涡流探头来检测。在量程超过12mm的差胀检测，有采用螺管式差动变压器作为传感器来检测，但衔铁位移与高速旋转的被测面之间的传递必须通过耐磨的接头连接。更多的则仍然使用涡流探头的无接触检测。问题是如何扩大涡流探头的有效的检测量程。

目前经常采用的有双涡流探头互补方式测量和斜面方式测量两种扩大涡流探头有效检测量程的方法：

采用双涡流探头互补安装方式，可使其测量范围扩大为单个探头检测范围的一倍。

二个涡流探头以互补方式安装，即A探头与被测面间隙增大时，B探头与被测面间隙减小；当一个探头的间隙超出其工作范围时，另一个探头进入工作范围。二个探头的安装位置以及它门的特性曲线如图4

所示：

图4 双探头的安装位置和特性曲线

随着差胀的增大，A探头的输出电压逐步增加，到达交叉电压时，由B探头接着工作。这种交叉互补的方式，将使检测的范围扩大。

将被测面改为斜面的做法也是扩大测量范围的有效方法，如图5所示：

图5 差胀的斜面测量法

探头的工作范围为d，能检测差胀的范围为S，S与d的关系为：

S＝d/sinα （5-5）

如果α＝15°，那么检测差胀的范围S将是探头工作范围的4倍。

虽然改被测面为斜面的做法能增加差胀检测的范围，但却加长了转子的轴向长度。

四、转子弯曲后偏心的检测以及键相的检测

汽轮机在启动，运行以及停机过程中，转子很可能出现弯曲。转子弯曲时，其重心将偏离运转中心，会引起转子旋转时激烈的振动。

运行中，转子弯曲的主要原因是由于汽缸变形，引起径向间隙变化，甚至消失，造成动静部件摩擦，发生振动-摩擦-加剧振动-加剧摩擦的恶性循环，致使局部受热造成转子的弯曲。

在机组启动或停机时，由于转子得不到均匀的加热或冷却，使转子上下产生过高的温差造成转子的弓弯。启动时过热或过冷的轴封蒸汽也常常是造成转子局部加热或冷却的主要原因；停机时没能及时投用盘车则是造成转子上下温差过大的重要因素。转子的弹性弯曲可以用加长盘车时间，减小上下温差，使其弯曲逐渐得到恢复，转子的永久性弯曲则是一件重大的设备事故。

为此，必须设置转子偏心的检测来鉴定转子的弯曲程度，尤其是在机组启动前，应了解转子偏心是否合格来确定是否能开始启动的操作。

转子偏心峰-峰值可用二个8mm涡流探头来检测，其中一个涡流探头用于检测转子的偏心信号，另一个涡流探头用于检测键相信号。键相信号的产生可用图6来说明：

图6 键相信号的检测

当转轴上有缺口或凸台时，每转一周，键相探头即能在探头对准缺口或凸台时，发出一突变的脉冲信号。此脉冲信号发生在键相探头安装位置，是监控模件处理转轴旋转一周要测量偏心峰-峰值所必需的时间限定范围，它也可作为测量振动相位角和振动频谱分析的主要辅助信号。

偏心涡流探头实际上是测量的是转轴与探头之间的间隙。间隙在转轴旋转一周时的变化，反映了转轴旋转时的偏心峰-峰值。

偏心监控模件接受偏心探头和键相探头信号后能输出转速小于600转/分时的偏心峰-峰值。偏心的峰-峰值满量程为500μm，对应的模拟量输出为4~20mA。

根据偏心涡流探头的安装位置以及转轴的安装扬度来决定合格的偏心值。西屋300MW，600MW机型设计时就确定了偏心检测的位置，并明确规定偏心峰-峰值的合格数值为76μm。因此偏心监控模件在检测到偏心峰-峰值大于76μm时，将输出一个开关量的报警信号，发出偏心过大，盘车不能停止，汽机暂停冲转的提示。