罗代强（1982-）

    男，贵州贵定人，本科，助理工程师，主要研究方向为热工自动化。



    摘  要：根据某电厂4×300MW机组汽轮机胀差信号显示异常情况进行分析，找出了原胀差信号安装方式下存在的问题，并对胀差信号的安装和信号显示方式进行了改进。对同类机组胀差的信号的安装具有一定参考价值。

    关键词：胀差；安装零位；安装电压；线性修正

    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

    转子与汽缸沿轴向膨胀之差值，称为转子与汽缸的相对膨胀差，简称胀差。习惯上规定：当转子轴向膨胀值大于汽缸的轴向膨胀值时，胀差为正；反之为负。一般发电机侧为正，调速端为负。哈尔滨汽轮机厂300MW汽轮机胀差保护动作值为-1.5mm/+16.45mm。这里使用的胀差探头是飞利浦epro的PR6426/CON011/916-200探头，测量范围0～20mm。测量不灵敏区1.5mm，电源电压-24VDC，信号电压-4~-20VDC，灵敏度0.8V/mm。配套飞利浦胀差测量模件MMS6210，软件使用北京松源艾普科技（epro）有限公司的MMS6000监控软件。DCS系统为北京和利时有限公司的SmartPro系统。

    2 存在的问题

    四号机组大修后首次启机冲转，冲转前胀差信号1.08mm，随着汽轮机的转速升高胀差一直向负值增大，汽轮机转速升至2300rpm时，胀差显示-1.28mm，之后DCS画面上胀差显示突变至-7mm，汽轮机未跳闸（保护动作值设置为小于-1.5mm动作），运行人员手动打闸汽轮机，之后胀差由-7mm突变至-1.29mm然后缓慢向正值变化。

    3 问题分析

    3.1 胀差探头的特性

    黔西电厂四台机组胀差探头皆为菲利浦MMS6000系列，型号为PR6426/CON011/916-200，供电电压-4/-20V，灵敏度0.8V/mm，有效测量距离20mm。#4机组胀差探头静态校验数据如表1所示。
        
 
   
    V：胀差探头在各个位移点生成的电压，作位移转换使用

    mm：被测物端面与探头端面的实际位移量

    线性误差：相同位移量探头生成电压的实际值

    由表1可计算探头在不同区段内的灵敏度，

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

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

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

    可见在中间区域灵敏度非常接近厂家给出的灵敏度0.8，而在两侧则出现了明显的偏差，也就是说探头在0～20mm的全行程内存在线性误差。

    3.2 胀差探头的安装与监测

    （1）探头的安装位置如图1所示。
              

                                 图1   探头的安装位置图

    （2）改造前胀差探头的监测。

    胀差探头测量所得的电压送入分析卡件后转换为位移量，经过与设定值进行比较后驱动报警和跳闸保护，同时将位移量转化为4～20mA电流信号送至DCS画面显示，在DCS系统设置中胀差的量程为-2～18mm。其中电压信号进入分析卡件后的转换按照以下公式进行：

      （安装电压－测量电压）÷灵敏度=位移量

    注：安装电压也叫零位电压。

    如果模件某一时间点接收到探头电压为-5V，默认-4V为安装电压的情况下，那么位移量为

        [-4-(-5)] ÷0.8=1.25mm
 
    也就是说转子远离了探头1.25mm，模件内部默认探头按照理论线性工作，也就是在各个区段采用0.8的灵敏度，不考虑实际存在的线性误差。

    （3）目前探头安装位置的确定。

     汽轮机运行中缸体与转子的膨胀存在正反方向的膨胀差，所以就要求探头可以监测正反两个方向，负方向监测距离要求大于1.5mm（即-1.5mm），正方向监测距离大于16.45mm（即+16.45mm）。这样在安装前需要事先确认探头的间隙电压，因为探头的测量行程为20mm，如果将零位由-4V偏移到-5.6V，那么测量就由0～20mm改变为-2～18mm，可满足测量需要。在转子和缸体冷却后，将转子推至推力盘工作面，将胀差探头安装在间隙-5.6V位置，如图2所示。最后将以上参数写入胀差信号分析模件既可完成安装，改造之前模件在出厂设置状态下工作，即只接收-4～-20V的电压信号，超过这个范围即认为探头故障，此时会闭锁对DCS系统的电流输出（即不向DCS系统输出电流，DCS系统接收到电流值就为0mA），同时在胀差保护中切除该探头的测量信号。 

             
                                       图2

    3.3 问题分析

    第一，和利时DCS系统在接收到的4～20mA信号消失时，它会按照接收到0mA来显示。在DCS设置胀差信号量程范围为-2～18mm ，对应的输入电流为4～20mA，所以在电流信号消失时DCS按照电流为0显示胀差值为-7mm，这与异常发生时的显示值一致，这说明当时胀差卡件送到DCS的电流值为0mA，这就可以推论出当时胀差卡件曾今闭锁电流输出。前边已经讲过只有当卡件接收到的胀差探头送来的电压值超限才会发生这种情况。经过趋势查找和分析，在汽轮机开始冲转时汽轮机缸温270℃，胀差+1.03mm，从以往试验数据可知汽轮机从零转速升速到3000rpm，汽轮机胀差会往负方向收缩3.7mm左右，而此次汽轮机冲转前胀差只有+1.03，且冲转时间较快，导致胀差变化较快，当胀差信号往负方向快速变化的过程中胀差卡件还未来的及保护动作跳汽轮机（胀差保护对实际测量信号变化速率有限制，如果信号变化速率太快，在超限闭锁发生前保护是不会动作的），胀差信号就已经超限，也就是说探头测量电压超出了模件中限定的-4V电压，此时胀差模件停止了对DCS的电流输出，同时屏蔽了该探头的报警输出以及胀差保护，之后在负胀差恢复到正常范围时又输出电流和报警。

    第二，通过对胀差探头静态测量数据的分析可以得出，在胀差测量区域的两头，探头的线性出现了偏移。偏移的出现使得探头的电压和位移转换出现变化，比如如果我们以-5.6V作为测量零点的情况下，当胀差信号实际变化距离为-1mm时，我们假设此时胀差探头存在线性误差其灵敏度为0.7（该值是假设得到的），那么它生成的电压应该为：

     [（-5.6）- V]÷0.7=-1mm  V=-4.9V

    那么模件接收到-4.9V后按照默认的0.8mm/V的灵敏度进行计算

    [-5.6-（-4.9）] ÷0.8=-0.875mm

    即模件对现场实际距离的测量显示为-0.875mm，这样就存在0.125的误差。这样会造成保护的延迟动作、误动作，对机组的安全构成了威胁。

    4 解决方案

    （1）汽轮机冲转严格安照《汽机运行规程》执行。应充分暖机，胀差至少要大于+3.7mm。满足冲转条件后再进行冲转。在暖缸未充分的情况下汽轮机可能会有不小的震动，会导致胀差探头测量的数据在瞬间超出测量范围，从而闭锁报警以及保护动作；

    （2）胀差探头的安装电压点应进行适当的选择，必须为负向保护动作值以及正向保护动作值留出足够的测量范围，这样在极端情况下才能保证胀差探头的测量距离对汽轮机构成有效地保护，避免因超出测量上下限从而闭锁报警以及保护动作；从校验数据可知，-1.5mm时，测量电压为-4.23V，非常接近闭锁动作电压-4V，所以零位电压应选择往正方向迁移到5.74V较好，但又不能太大，应考虑到兼顾正方向保护值的问题。每个厂应根据具体情况确定安装电压。原则上测量范围应兼顾覆盖两端保护动作值，并且尽量远离闭锁电压值。

    （3）由于胀差探头全行程上存在线性误差，而目前的测量方式是基于理论线性进行，这样必然导致测量值与实际的偏差，可以通过启用胀差模件中的线性修正功能来解决这个问题。机组停运后将探头拆回校验并记录校验数据，将所得电压与位移的对应关系一一写入模件，这样当模件接收到电压信号后不再按照线性关系运算，而是直接按照实际写入的参数完成一一对应转换，避免线性化误差造成的计算误差，这样能提高测量的准确性。但由于探头在长期使用过程中受周围振动、温度、油污等影响其线性尤其是测量范围两侧的线性会发生变化，甚至测量范围减小，所以应定期校验探头并根据校验结果更新写入模件的参数。如有条件能在现场实际校验数据则效果更佳。

    （4）校验探头，校验需要注意两点，一是探头的端面圆周向外斜45°，必须被测量盘覆盖，如果探头位置在测量盘的边上或者测量盘过小，会使得测量电压值偏大而无法使用；二是面对不同材质的测量盘，探头在相同位移上产生的电压值差别较大，所以只有与低压缸转子材质完全相同的校验台测量盘所采集的数据才可以直接输入TSI卡件，否则将不能使用。低压缸转子材质30Cr2Ni4MoV。

    （5）TSI探头和延伸电缆正常工作允许的最大温度为180℃，检查确认探头的工作环境温度低于此值。

    （6）另外可以更换前置器型号为CON011/916-240(测量范围0～24mm)来解决探头线性范围小不够覆盖正负方向动作值的问题。



                                                              ——转自《自动化博览》