汽輪機脹差、軸位如何定零位？
汽輪機脹差、軸位如何定零位？
汽輪機監測係統（Turbine Supervisory Instrumentation）簡稱TSI，是一種可靠的能連續不斷地測量汽輪機發電機轉子和汽缸的機械工作參數的監控係統，可用於顯示機組的運行狀況，提供輸出信號給記錄儀；並在超過設定的運行極限時發出報警。另外，還能提供使汽機自動停機以及用於故障診斷的測量。在全球眾多TSI設備的製造廠家中，美國本特利·內華達公司（Bently Nevada）在該領域的不斷發展與創新以及其在旋轉和往複式機械中保護和管理的豐富經驗使其在汽輪機行業尤其是中國的汽輪機市場一直占有重要份額。
在高參數，大容量汽輪發電機組中，軸位移和脹差是直接反映汽輪機動靜間隙的兩項最重要的技術參數，也是兩項重要保護。如果軸係機械安裝零位和監測保護係統的電氣零位不統一，會發生因脹差、位移監測係統傳感器的零位鎖定不當，使該係統在機組啟動後，測量誤差較大，甚至無法正常監測和投入保護的嚴重事故。因此，機組的軸位移、脹差傳感器的零位鎖定是直接影響機組啟動後，脹差、位移監測係統能否正確反映汽輪機組的動靜間隙，從而可靠投入保護的一項重要工作。
1脹差、位移監測係統的測量原理
脹差、位移監測係統都是利用電渦流傳感器的輸出電壓與其被測金屬表麵的垂直距離在一定範圍內成正比的關係，將位移信號轉換成電壓信號送至監測儀表，從而實現監測和保護的目的。現以垞城電廠135MW機組中N135-13.24/535/535型汽輪機組為例，對美國本特利內華達公司生產的3500-45斜坡式脹差和3500/42軸位移監測係統的測量原理進行闡述(軸位移、脹差的測量探頭采用本特利3300係列330703-00-05-10-02-00，11mm及330851-02-000-030，25mm電渦流傳感器)。
1.1本特利3500-45斜坡式脹差監測係統工作原理
在機組正常運行中，脹差傳感器固定在缸體上，而傳感器的被測金屬表麵鑄造在轉子上，因此，汽缸和轉子受熱膨脹的相對差值稱為“脹差”(一般將轉子的膨脹量大於汽缸的膨脹量產生的差值做為“正脹差”，反之為“負脹差”)。根據“輸出電壓與被測金屬表麵距離成正比”的關係，該差值被電渦流傳感器測得，並利用轉子上被測表麵加工的8°斜坡將傳感器的測量範圍進行放大，其換算關係為：
δ=L×Sin8°
式中δ：傳感器與被測斜坡表麵的垂直距離；L：脹差。
如果傳感器的正常線性測量範圍為4.00mm(即δ＝4.00mm)，則對應被測脹差範圍L為：
L=δ/Sin8°=4.00/Sin8°=28.74mm
由上式可知：脹差傳感器利用被測表麵8°的斜坡將其4.00mm的正常線性測量範圍擴展為28.74mm的線性測量範圍，從而滿足了對0～20mm的實際脹差範圍的測量。傳感器將其與被測斜坡表麵的垂直距離轉換成直流電壓信號送至前置放大器進行整形放大後，輸出0～24VDC電壓信號至3500-45斜坡式脹差監測器，分別將A、B傳感器輸入的信號進行疊加運算後進行脹差顯示，並輸出開關量信號送至保護回路進行報警和跳閘保護。同時輸出0～10VDC、1～5VDC或4～20mA模擬量信號至DCS。安裝原理見圖1。
(A、B：330851-02-000-030，25mm型電渦流傳感器)
圖1傳感器安裝及信號傳遞原理圖
1.2本特利3500/42軸位移監測係統測量原理
由於本特利3500/42軸位移監測係統出廠設計為：當測量回路開路或機組的軸向位移達到報警或跳閘值時均會發出報警和跳閘信號，故一般采用2隻傳感器，分別送入兩個3500/42軸位移監測器，將兩個監測器的開關量信號輸出相“與”後做為跳機保護條件較為可靠。現以一隻傳感器為例說明其工作原理。單隻軸向位移傳感器的工作原理與單隻脹差傳感器的工作原理一樣。都是利用電渦流傳感器將其與被測表麵的位移轉換成電壓信號送至前置放大器，經整形放大後，輸出0～24VDC電壓信號，送至3500/42監測器進行信號處理，輸出開關量信號至汽輪機跳閘保護係統實現保護功能。同時送出4～20mA、0～10VDC、或1～5VDC模擬量信號至DCS。圖2為信號傳遞原理圖。
(1、2：為330703-00-05-10-02-00，11mm型電渦流傳感器)
圖2軸位移信號傳遞原理圖
2脹差、位移監測係統傳感器的零位鎖定
2.1脹差、位移監測係統傳感器的零位鎖定必須參考的因素
(1)大軸推力瓦的間隙△值。
(2)大軸位置(即大軸推力盤已靠在推力瓦的工作麵或非工作麵)。
(3)脹差、位移監測器及傳感器的校驗數據。
現以N135-13.24/535/535型汽輪機組為例，分別介紹了3500-45脹差和3500/42軸位移監測保護係統的零位鎖定。
已知：△＝0.36mm，脹差監測器量程為0～20mm，軸位移監測器量程為+1.25mm，大軸推力盤靠在工作麵，位置如圖3所示。
(1、2：軸位移傳感器；A、B：脹差傳感器)
圖3脹差、軸位移傳感器安裝示意圖
2.2 3500-45斜坡式脹差傳感器的零位鎖定步驟
(1)因3500-45監測器的設計量程為0～20mm，而實際機組停運後會產生約0～2.50mm的負脹差(此數據可以在汽輪機廠供調試說明書中查到)，因此，傳感器安裝零位對應監測器的顯示為+2.50mm。由傳感器的校驗報告可知，此種型號的傳感器安裝基準電壓為10VDC，按此電壓將A、B傳感器分別固定，此時，3500-45監測器應顯示為+10.00mm，然後利用千分表和可調拖架將A、B傳感器同時向圖3所示的脹差方向調整7.50mm，此時監測器的顯示應為+2.50mm。
(2)若大軸推力盤靠在工作麵，等於將大軸從推力瓦的中間零位向機頭推了1/2×△mm，應利用可調拖架將A、B傳感器同時再向圖3所示的脹差方向調整1/2×△mm後，將可調拖架鎖定即可。此時，A、B傳感器的間隙δ1、δ2可按下式推算：
δ1=δAO+(1/2×△+7.50)×Sin8°
δ2=δBO-(1/2×△+7.50)×Sin8°
式中：δAO 、δBO為A、B傳感器在安裝基準電壓10VDC安裝時，傳感器與其被測表麵之間的間隙。最終零位鎖定後，應記錄A、B傳感器的輸出電壓。此時，3500-45監測器應顯示為+2.32mm。
(3)若推力盤靠在推力瓦的非工作麵，則在完成第1步後，利用可調拖架將A、B傳感器同時再向脹差的反方向(機頭方向)調整1/2×△mm後，將可調拖架鎖定即可。此時，3500-45監測器應顯示為+2.68mm。δ1、δ2可按下式推算：
δ1=δAO-(1/2×△-7.50)×Sin8°
δ2=δBO+(1/2×△-7.50)×Sin8°
2.3 3500/42軸位移監測係統的零位鎖定
因2隻軸位移傳感器均無可調拖架，故以傳感器的零位電壓計算值鎖定較為準確可靠。已知：△=0.36mm，大軸推力盤靠在工作麵，3500/42監測器量程為+1.25mm，傳感器靈敏度F=4.00V/mm，零位安裝電壓VO=10.00V，則零位電壓X的計算：
X=VO-F×1/2×△=10-4.00×1/2×0.36=9.28V
最終零位鎖定後，3500/42監測器應顯示為-0.18mm。
注：若大軸推力盤靠在推力瓦非工作麵，則X應按下式計算：
X=VO+F×1/2×△
最後，按照計算出的X值安裝鎖定傳感器。監測器應顯示為+0.18mm。
3現場安裝調試中傳感器零位鎖定應注意的問題
(1)未考慮推軸間隙，表計則會產生1/2×△mm的測量誤差。
(2)將1/2×△mm的推軸間隙調反，表計則會產生△mm的測量誤差。
(3)脹差監測係統的零位鎖定時，未考慮2.50mm的負向脹差餘量，造成零位鎖定錯誤。
在實際生產中，若出現上述問題，均會導致監測係統產生很大的測量誤差，使保護係統不能正常投入。因此，在實際脹差、位移監測係統的零位鎖定中，應十分注意上述注意事項從而避免此類問題的發生。