汽轮机在线振动检测系统选型.docx
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汽轮机在线振动检测系统选型
_学院____级____专业姓名____学号___
…………………………（密）…………………………（封）………………………………（线）……………………………
作业（论文）题目：
基于GE-BENTLY的3500系列汽轮机在线振动检测保护系统（TSI）
所修课程名称：
机械故障诊断学
任课教师姓名：
上课时间：
布置作业（论文）日期：
任课教师打分：
1、绪论
1、前言：
随着科学技术的进步，汽轮发电机组的容量越来越大。
为了降低单元机组对整个电力系统安全和稳定性的影响，对大容量汽轮发电机组进行在线状态监测，确保机组安全可靠运行显得尤为重要。
在大型火电厂中,对于汽轮发电机组而言,维持汽轮机转速、轴向位移、差胀、轴振、瓦振、及偏心等机械工作参数在正常范围之内运行是保证汽轮机安全运行的必要条件。
因为以上参数超标,可能造成汽轮机飞车、断叶片、大轴弯曲、通流部分动静磨擦等恶性事故的发生。
汽轮机安全监测系统（TSI）是汽轮发电机的主要监测和保护手段,它是一种可靠的连续检测汽轮发电机转子和汽缸的机械工作参数（包括汽轮机转速、位移、差胀、轴振、瓦振、及偏心等参数）的多路监控系统。
TSI系统可用以显示机组状态,为记录仪和计算机系统提供输出信号,为汽轮机故障诊断及监测系统（TDM）提供用于诊断性估算的各种测量数据,为避免汽轮机飞车、断叶片、大轴弯曲等事故发生，TSI系统将信号送至汽轮机危急遮断系统（ETS）,由ETS完成汽机跳闸动作功能,从而完成对汽轮机的保护任务。
2、TSI原理
TSI系统主要由传感器及智能板件组成。
传感器是将机械振动量、位移、转速转换为电量的机电转换装置。
根据传感器的性能和测试对象的要求,利用电涡流传感器,对汽轮机组的转速、偏心、轴位移、轴振动、胀差进行测量;利用速度传感器对盖振进行测量;利用线性可变差动变压器（LVDT）对热膨胀进行测量。
另外,还可利用差动式磁感应传感器来测量机组的转速,其中涡流传感器在汽轮机的安全监控中发挥了重要作用。
3、本文任务
根据下图1的汽轮机发电机组结构图和该设备的结构特点，设计一套在线振动监测及保护系统（TSI），画出系统简图。
并且基于GE-BENTLY的3500系列产品进行选型配置，给出详细配置清单，达到监测轴振动、轴位移、胀差、壳胀、转速、温度等参数的功能，且系统要具备超速保护功能（三冗余超速保护）的功能。
图1汽轮机发电机组结构图
二、系统流程以及系统简图
1、系统流程
根据题中的结构图可以看出本次测量对象为蒸汽轮机发电机组，要对其进行在线的振动检测和保护，并且基于GE-BENTLY的3500系列产品。
其功能为：
监测轴振动、轴位移、胀差、壳胀、转速、温度等参数且系统要具备超速保护功能（三冗余超速保护）的功能。
一个完整的汽轮机监控系统应该包含从测量至服务一系列步骤，首先为测量设备（包含各种传感器）对所需要的参数进行测量；然后用监测器对信号参数进行实时监测；通过人机界面显示；再利用控制器进行相应控制；并且进行可靠性的确定；最后服务包含对设计，安装管理，组态、测试、验收，启动、调试等内容，和对图纸、技术资料整理。
图2监控系统流程图
2、系统简图
根据所需要以及监控系统流程序，下图为该监控系统简图
图3系统简图
图4本特利管理平台示意图
三、现场总线层各部分需求的模块设备
根据要求，所测参数为轴径向振动-相对轴振和绝对轴振、轴的偏心和键相、缸体的左侧和右侧膨胀（位移）、温度、在齿轮上测的转速量、加速度和超速保护。
其测量模块采用Entek的XM检测模块；还需要确定电源型号；传感器的选型；人机界面的具体需求；控制器部分的设备；可靠性用到的软件系统。
1、各测量要素介绍
轴径向振动-相对轴振：
测量的是旋转轴相对于壳体的径向运动。
该测量值可以直接反映转子的故障情况，如不平衡、不对中、轴裂纹、油膜涡动和其它失稳故障。
振动可以在一个平面内测量，也可以在两个平面内（X-Y）测量。
如果是在两个平面内测量，则两个传感器夹角为90度，而且要与转轴表面相垂直。
涡流传感器通常通过传感器支架或套筒安装在轴承座上钻出的孔内。
相位测量：
指轴上参考点（常指轴上的键槽）到转子上重点间的角度。
转子精确动平衡时必须知道相位。
键槽相位同样可以发现轴裂纹、不对中、质量损失（如断叶片）和其它故障。
转速/加速度测量：
转速是指轴每分钟旋转次数。
机组启动时，转速很重要。
启动时。
根据转速运行即可，快速通过临界转速，保持暖机时的转速稳定。
对于发电机而言，并网前可使转动频率和电网频率准确匹配。
加速度指机组升速或降速时的速度变化率。
机组启动时运行人员检测加速度，可使机器平稳升速到额定转速。
机组正常运行时，不用检测加速度。
偏心测量：
指转子自然下垂或弯曲的大小。
偏心可以用于监测转子弯曲。
运行人员可根据偏心值指导机器什么时候能安全升速，以避免摩擦或气封损坏。
差胀测量（DE）：
指的是转子和气缸间的热膨胀差值。
机组冷态启动时，差胀检测非常重要。
汽轮机气缸通常又重又厚，而转子质量较轻并带有中心孔。
由于气缸质量很大，其热膨胀比转子慢，为了避免气缸与转子间碰摩，运行人员要确信气缸已经完全膨胀。
为了监测差胀，传感器安装在透平上加工出来的斜面上。
转子/推力位置测量：
推力位置测量的主要目的是监测推力轴承磨损和防止发生轴向摩擦。
机器轴向位移保护投用时，必须要采用两个推力位置监测，其中一个作为备用。
这种方法要求每个轴承上安装两个传感器。
当两个独立的测点值都超过停机保护值时，机器必须停机。
单推力位置监测只适用于机器轴向位移不投保或有其它方法可以发现推力轴承故障时。
监测推力环在主/副推力面间的运动和由此产生的磨损时，推力位置测量只能在距离推力轴承12英寸的范围内进行。
超出该区域（大于12英寸）后，测量结构受转子热膨胀的影响较大，需要放大传感器动态测量范围。
推力位置测量结果也称为转子轴向位移。
壳胀监测：
机组启动、运行和停机过程中，蒸汽温度变化比较剧烈。
壳胀测量反映了透平壳体受热过程中从固定点向外膨胀的情况。
连续监测壳胀情况，运行人员可以了解加、减负荷过程中机壳变形情况。
温度测量：
该测量值反映了轴承运转时的温度情况。
瓦温过高可能是由于轴承承载过重、间隙较小或不对中引起的。
温度数据可以辅助反映设备运行或维护中的问题。
超速-三重冗余保护测量：
超速是指机器转速超过了最大允许转速值，是透平机器可能发生的最危险故障之一。
超速保护通过电子超速检测系统（EODS）来实现。
2、基于GE-BENTLY的3500系列产品进行选型配置
测量参数
选择
描述
备注
径向振动-相对轴振；
3500/40M电涡流监测器
3500/40M电涡流监测器是4通道监测器，接收BentlyNevada电涡流传感器的输入，对信号进行处理后生成各种振动和位移测量值，并将处理后的信号与用户可编程的报警设置点进行比较。
可以使用3500框架组态软件对3500/40M的每个通道进行组态，使其具有如下功能：
径向振动/轴向位移/差胀/轴偏心/REBAM
监测器通道成对组态，一个模块同时最多可执行上述功能中的2个。
通道1和2
执行一个功能，而通道3和4执行另外一个（或同一种）功能。
加速度；
偏心
3500/42M电涡流/地震式监测器
3500/42M电涡流/地震式监测器是一个4通道监测器，可以接收电涡流和地震式传感器的信号，可以完成各种不同的振动和位置测量，并将处理的信号与用户编程的报警值进行比较。
3500/42M每个通道均可以使用3500框架组态软件进行编程，完成下列各种功能：
径向振动/轴向位移/差胀/偏心/REBAM*/加速度/速度/轴绝对振动/圆形可接受区
相位
3500/25增强型键相模块
增强型键相模块是一个半槽高度，2通道模块，用来为3500框架中的监视器模块提供键相位信号。
此模块接收来自电趋近式探头或磁阻式转速传感器的输入信号，并转换此信号为数字键相位信号，该数字信号可指示何时转轴上的键相位标记通过键相位探头。
3500机械保护系统在正常配置下能够接受四个键相信号和成对配置的八个键相信号。
差胀；
壳胀；
转子/推力位置；
3500/45位置监测器
3500/45位置监测器是一个可接收电涡流传感器、旋转位置传感器（RPT）、DC线性差动变送器（DCLVDT）、AC线性差动变送器（ACLVDT）和旋转电位计输入信号的4通道监测器。
它对输入信号进行处理，并将处理后的信号和用户可编程的报警设置进行比较。
3500组态软件可组态3500/45的每个通道完成如下功能：
轴向（止推轴承）位置/差胀/标准单斜面差胀/非标准单斜面差胀/双斜面差胀/补偿式差胀/壳胀/阀门位置。
监测器通道成对编程，每次最多能完成上述的两个功能。
通道1和2可以完成一个功能，而通道3和4完成另外一个（或同一个）功能。
但是，只有通道3和4能
实现壳胀监测。
温度
3500/60温度监测器
3500/60模块提供六通道温度监测，既可接收电阻式温度探测器（RTD），也可接收电偶式（TC）探测器的输入。
模块处理这些输入并将其与用户可编程的报警点进行比较。
当使用三重模块冗余（TMR）组态时，温度监测器一定要三个一组相邻安装。
在这种情况下，采用两种类型的表决形式，以保证精确的运行并
可避免单点失效。
三重超速保护/转速
3500/53电子超速检测系统
BentlyNevada*的3500系列机械检测系统的电子超速检测系统是高度可靠、快速响应的冗余转速表系统，专门用于机械的超速保护。
该系统是按照美国石油协会（API）关于超速保护的标准670和612的相关要求设计的。
3500/53模块可用于组成2选2或3选2（推荐）表决系统。
安装超速检测系统的3500框架要求配备冗余电源。
3、配置清单
（1）径向振动-轴相对振动监测配置
由题中图可知，轴承#1--轴承#7共7处需要对径向振动测量，每处需要2个传感器，故其配置清单如下：
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/40M-01-00
3500/40M电涡流监测器
4
灵敏度3.94mV/μm（100mV/mil）或7.87mV/μm（200mV/mil）
监测器模块：
1个全高前插槽
I/O模块：
1个全高后插槽
此处共4个监测器模块，需要4个全高前插槽和4个全高后插槽
330102-08-40-10-01-00
3300XL8mm电涡流探头3/8-24UNF
7
螺纹，带铠装
330130-080-01-00
3300XL延长电缆
7
8米，铠装
330180-91-00
3300XL前置器
7
9米系统，DIN导轨安装
（2）加速度与偏心的监测配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/42M-04-00
3500/42M-04-00
电涡流/地震式监测器
1
灵敏度10mV/（m/s2）（100mV/g）3500/42M模块韧件-版本2.10
需要的软硬件：
3500/01软件-版本3.20
DM2000软件-版本3.30.
要求安装M版本的3500电涡流监测器。
（通道1监测加速度，通道3监测偏心值）
监测器模块：
1个全高前插槽
I/O模块：
1个全高后插槽
此处1个监测器模块，1个位移/速度加速度带内部端子的I/O模块，因此共需要框架的1个全高前插槽和一个全高后插槽
330102-08-40-10-01-00
3300XL8mm电涡流探头3/8-24UNF
1
螺纹，带铠装
330130-080-01-00
3300XL8mm延长电缆
1
8米，铠装
330180-91-00
3300XL8mm前置器
1
9米系统，DIN导轨安装
330702-08-40-10-00
3300XL11mm涡流探头1/2--20 UNF
1
螺纹，带铠装
300730-080-01-00
3300XL11mm延长电缆
1
8米，铠装
330780-91-00
3300XL11mm前置器
1
9米系统，DIN导轨安
（3）相位监测配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/25-01-02-00
部件号141532-01
3500/25增强型键相模块
1
带外部端子的输入/输出模块
1个半高前插槽。
半高的主模块需要一个特殊的安装适配器安装在全高度插槽上。
主模块可放在框架14个插槽中的
任何一个里。
每个插槽都不超过两个主模块，一个模块安装在槽的上半部，另一个则在下半部
输入/输出模块1个全高度后插槽
故此处需要1个半高前插槽和一个全高后插槽
129530-005-01
3500键相（KPH）信号到外部端子座（ET）的电缆
1
126648-01
键相输入/输出模块（带外部端
子）
1
330702-08-40-10-00
3300XL11mm涡流探头1/2--20 UNF
1
螺纹，带铠装
300730-080-01-00
3300XL11mm延长电缆
1
8米，铠装
330780-91-00
3300XL11mm前置器
1
9米系统，DIN导轨安
125388-01
半高度支架
1
半高度卡适配器
125565-01
插件导轨
1
04300111
装配螺丝（订购数量3）
1
11mm电涡流探头优势：
对于油膜轴承机器非接触式振动和位移测量，3300 XL 11mm 电涡流传感器系统可输出3.94 V/mm （ 100mV/mil ）。
11mm的探头 端部 使这种传感器与我们标准的3300 XL8mm传感器系统相比具有 更大的线性区。
它主要应用在要求大线性范围的下列测量：
• 轴向（推力）位移测量 • 蒸汽轮机的斜面差胀测量
• 往复式压缩机活塞杆位移或下降的测量 • 转速计和零转速测量 • 相位参考（键相位）信号
（4）差胀监测配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/45-01-00
3500/45位置监测器
1
带内部端子模块（2组差胀值监测，用到4个通道）此处为双斜面差胀
监测器模块：
1个全高度前插槽
I/O模块：
1个全高度后插槽
此处分别需要1个全高度前插槽和1个全高度后插槽
00580434
接头
2
内部端子I/O，8位，绿色
330702-08-40-10-00
3300XL11mm涡流探头1/2--20 UNF
4
螺纹，带铠装
300730-080-01-00
3300XL11mm延长电缆
4
8米，铠装
330780-91-00
3300XL11mm前置器
4
9米系统，DIN导轨安
（5）壳胀与止推力位置监测配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/45-01-00
3500/45位置监测器
1
带内部端子模块（左右壳胀分别用1、2通道，止推位置用3、4通道）
监测器模块：
1个全高度前插槽
I/O模块：
1个全高度后插槽
此处分别需要1个全高度前插槽和1个全高度后插槽
00580434
接头
2
内部端子I/O，8位，绿色
330702-08-40-10-00
3300XL11mm涡流探头1/2--20 UNF
2
螺纹，带铠装（止推力位置监测用11mm直径的）
300730-080-01-00
3300XL11mm延长电缆
2
8米，铠装
330780-91-00
3300XL11mm前置器
2
9米系统，DIN导轨安
330102-08-40-10-01-00
3300XL8mm电涡流探头3/8-24UNF
2
螺纹，带铠装（壳胀用8mm直径的即可）
330130-080-01-00
3300XL8mm延长电缆
2
8米，铠装
330180-91-00
3300XL8mm前置器
2
9米系统，DIN导轨安装
（6）温度监测配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/65-01-00
3500/6516通道温度监测器
1
3500/65监测器提供16通道的温度监测，既可接受电阻式温度传感器（RTD），也可接受热电偶式（TC）温度传感器的温度输入。
模块处理这些输入并将其与用户可编程的报警点进行比较。
监测器模块：
占用1个全高度前面板槽位
输入/输出（I/O）模块：
占用1个全高度后面板槽位（插槽）
此处需要1个全高前插槽和1个全高后插槽
WRNK-231
WRNK-231铠装热电偶
7
固定卡套螺纹，防水、绝缘式
173005
（连接器）接头
2
内部端子，20位，黑色
（7）超速-三重冗余保护监测
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/53-03-00
3500/53电子超速检测系统
1
安装超速检测系统的3500框架要求配备冗余电源（此处为3通道系统，冗余电源在电源模块选择时选取）
监测器模块：
每通道占1个全高度前插槽
I/O模块：
每通道占1个全高度后插槽
继电器模块：
1个半高前插槽
I/O模块：
1个全高后插槽
此处需要1个全高度前插槽和2个全高度后插槽和1个半高度前插槽
330102-08-40-10-01-00
3300XL8mm电涡流探头3/8-24UNF
3
螺纹，带铠装
330130-080-01-00
3300XL8mm延长电缆
3
8米，铠装
330180-91-00
3300XL8mm前置器
3
9米系统，DIN导轨安装
3500/34-01-00
3500/34TMR继电器模块（含继电器I/O模块）
1
继电器类型，两个单刀双掷（SPDT）继电器，连接一起组合成一个双刀双掷（DPDT）形式（4通道）
（8）网关通信模块配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/92-04-01-00
3500/92通信网关
1
可通过以太网TCP/IP和串行（RS232/RS422/RS485）通讯协议将所有框架的监测数据和状态与过程控制和其他自动化系统集成。
它支持与3500框架组态软件和数据采集软件的以太网通信。
监控器模块：
1全高前插槽。
I/O模块：
1全高后插槽。
此处需要1个全高前插槽和1个全高后插槽
142808-00
以太网集线器
1
16端口非管理型10BASE-T集线器w/无主干网连接
02200260
以太网收发器
1
15针AUI公头转ST接头的光纤电缆（10BASE-FL）
138131-100
以太网电缆
1
标准10BASE-T5类屏蔽电缆，带有RJ-45接头
综合上述，需要10个全高前插槽，2个半高前插槽，12个全高前插槽。
因此只需要一个3500/05系统框架即可。
（9）电源模块配置
型号
说明
数量
备注
框架空间需求
3500/15-01-01-00
3500/15电源模块
2
电源模块：
两个特殊的半高插槽位于框架的左侧。
每个插槽可安装一个电源。
两个插槽可以同时都安装电源，实现冗余电源供电。
电源输入模块：
半高前插槽
特殊的半高模块直接位于相关的电源之后。
此处需要2个电源专用插槽（输入模块也在电源模块后面）
125840-02
低压交流电源输入模块（PIM）
2
（10）系统框架配置
型号
说明
数量
备注
3500/05-01-01-00-00-00
3500/05系统框架
1
2个电源插槽，14个模块全高插槽（使用2个电源插槽和12个模块全高插槽）
131150-01
电源空白前面板
2
电源空白外壳组件
128085-01
电源输入接头外壳
2
04310251
电源输入外壳螺钉（2个）
2
131151-01
半高空白前面板外壳（1个）
2
半高空白监测器外壳套件
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