汽轮机监视保护仪表(TSI)的开发研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.78MB 56 页 15积分

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摘要

电力工业作为国家的支柱产业，对国民经济的发展至关重要，经济发展，电

力先行，近几年发电机组的装机容量进入了一个飞速发展期，单机容量越来越大，

所以对机组的安全可靠运行的要求越来越高。而汽轮机安全监视保护仪表（TSI）

是发电机组安全可靠运行的关键设备之一。受到了发电行业设备制造和运行方面

的领导和专家的广泛关注。

本文对汽轮机安全监视保护仪表作了一个全面的介绍，对它的过去现在和将

来进行了一个全面的概括和阐述；对涡流式位移传感器的性能进行了研究改进，

包括解决扩大线性范围和解决传感器互换性的问题；在全面分析了汽轮机监视保

护仪表存在的问题、技术难点的基础上，逐一进行分析和提出了解决的方法如：

振动测量与双二阶相位补偿技术、偏心测量与无键相同步跟踪峰峰保持技术、零

转速测量与阀值电平自动跟踪技术、自动跟踪滤波技术、上电、掉电与电源颤抖

抑制保护技术、主从分布式监视保护仪表的系统设计、基于单片机的监视保护仪

表的可靠性技术和 TSI 仪表的保护逻辑设计；本文对正在研发的基于现场总线技

术的第三代汽轮机监视保护仪表（TSI）作了一些构建框架、设计思路和研究方向

的介绍，但由于考虑到单位知识产权的原因，没有公开深层次的研发内容。

本文始终围绕着解决工业运行中实际遇到的工程问题为主线，围绕着提高仪

表的性能和可靠性为重点，力图将最新的电子技术运用到 TSI 仪表的研发之中，

使 TSI 仪表在满足用户要求的前提下，保证 TSI 仪表的先进性，缩短与国外同类

产品的差距，最终替代进口 TSI 仪表为宗旨来进行研发工作。

技术无止境，本文仅为 TSI 仪表研发的阶段性成果。

关键词：汽轮机 TSI 的发展方向电涡流传感器可靠性模糊控制

现场总线

ABSTRACT

The Power Industry as the country’s main industry is very important for National

Economic development. Developping the power industry is the first thing in

Economic development. In these current years the capability of the power comes into

the phrase of the rapid development, the capability of generator unit becomes larger

and larger, so the requirements of the safely and reliably running of the generator unit

are more and more. TSI is one of the key equipments that insure the generator unit run

safely and reliably. It’s widely considered by experts and leaders of the power

equipments manufacture and running.

The thesis introduces TSI in all aspects, and summarizes its history and forcasts

its future. It researches and improves the feature of the eddy-current type

displacement transducer, including solution of expanding the linear range and

interchangeability of transducer.. Based on the complete analysis of the TSI existed

problems and technical troubles, it individually analysiz and provides the solutions,

such as the technology of vibration measure and double second-order phase

compensation, the keeping peak technology of eccentricity measure and non-phase

synchronized tracing peak, the automatically tracing technology of zero speed

measure and threshold electric, the technology of automatically tracing filter-wave,

the controlling protect technology of turn-on, turn-off and power vibration, the

systemic design of principal and subordinate distrubited monitor pretect equipment,

the reliable technology of monitor pretect equipment based on single-chip machine

and the protect logical design of TSI equipments. It introduces the sketches, logical

method and the direction of research, aiming at the third edition of TSI equipments,

which are being developed based on spot Bus technology. But considering the

knowledge patents, it don’t deeply descript the research contents.

It concerns about solving out the engineering problems during real industrial

running, considers improving equipments’ performance and reliability, tries to make

use of the newest electronic technology in the TSI developing. It shortens the

difference from the same species of products aboard, finally tries to replace of them,

meeting the end users’ needs and ensuring the advantanges of TSI.

Technology is infinite. This thesis is only the phrase achievement of TSI

development.

Key words: turbine, development of TSI , eddy-current type displacement

transducer, reliability, fuzzy control, field bus

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论

§1.1 课题来源、意

义………………………………………………………………1

§1.2 汽轮机监测保护仪表的发展过

程……………………………………… …..2

§1.3 汽轮机监测保护仪表的发展方

向…………………………………………..3

§1.4 本文所做工

作………………………………………………………………..3

第二章汽轮发电机组监视保护系统

§ 2.1 汽轮发电机组的基本构

成…………………………………………………..5

§ 2.2 汽轮发电机组运行和监测的基本参

数……………………………………..6

§ 2.3TSI 仪表常用传感

器…………………………………………………………8

§ 2.4 参数测量中的关键技术、问题及难点分

析………………………… …….11

第三章涡流式位移传感器性能研究及其改进

§ 3.1 涡流传感器的基本原

理…………………………………………………...15

§ 3.2 涡流式位移传感器的线性特性的研

究……………………………………18

§ 3.3 涡流式位移传感器互换性的研

究…………………………………………20

第四章监视仪表关键技术的研究

§ 4.1 振动测量与双二阶相位补偿技

术………………………………………...22

§ 4.2 偏心测量与无键相同步跟踪峰峰值保持电

路…………………………...28

§ 4.3 零转速测量与阀值电平自动跟踪技

术…………………………………...31

§ 4.4 自动跟踪滤波技

术………………………………………………………...32

§ 4.5 上电、掉电与电源颤抖抑制保护技

术……………………………………34

§ 4.6 基于单片机的监视保护仪表可靠性技

术………………………………...35

§ 4.7 主从分布式监视保护仪表的系统设

计…………………………………....37

§ 4.8 TSI 仪表的保护逻辑设

计………………………………………………….38

第五章基于现场总线技术的汽轮机保护仪表的探讨

§ 5.1 FF 现场总线概

述…………………………………………………………...43

§ 5.2 基于 FF 现场总线的振动解析系统的构

建………………………………..44

§ 5.3 基于 FF 现场总线的传感器的研

究……………………………………….45

结束

语………………………………………………………………………………….50

参考文

献……………………………………………………………………………….51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成

果…………………………….52

致

谢…………………………………………………………………………………….53

第一章绪论

§1.1 课题来源、意义

电力工业乃是国家的支柱产业，国民经济的发展与电力工业的发展是分不开

的，俗话说：经济发展,电力先行。为了满足社会生产规模的不断扩大和人民生活

水平的不断提高，我国的电力工业正在快速发展，汽轮发电机组单机容量不断增

大。保证大型汽轮发电机组在高速、满载、连续、可靠运转的要求也愈来愈高。

汽轮发电机组一旦发生故障，就会导致整套设备甚至影响整个生产过程，造成巨

大的经济损失，还可能导致灾难性的人员伤亡和恶劣的社会影响。于是，如何确

保大型汽轮发电机组的安全运行，为现代大型旋转机械设备运行维护和管理的一

大课题。实践证明，坚持开展汽轮发电机组状态的监测，实施有效地故障诊断技

术是保障汽轮发电机组安全正常运行的重要措施。

汽轮发电机组运行故障诊断早期主要是依靠人的感官，利用物理、化学的原

理对设备运行中伴随出现的故障的各种物理或化学现象直接进行运行状态的监

测。随着科学技术的发展，利用传感器技术、电子技术、计算机技术、测试技术

形成了依靠信号分析手段来完成汽轮发电机运行故障监测和诊断。汽轮机监视保

护仪表系统（Turbine Supervisory Instrumentation，简称 TSI）就是一种多通

道监视仪表系统，它用于监测处于连续运行状态下的汽轮发电机组主轴和壳体的

机械参数，具有指示、输出机组运行工作状况，越限报警等功能，当汽轮发电机

组发生危险时还能触发联锁机构，迫使机组停机。TSI 还具有数据存储功能，能保

存事故发生时汽轮发电机组的运行数据，为事故分析提供有利的依据。

TSI 仪表的可靠性直接影响发电机组的安全，否则将造成机毁人亡。此类教训

是相当深刻的。例如：山西某电厂一台 200MW 机组因超速而 TSI 仪表不能正确动

作，造成机组主轴断成 7 段，伤亡数十人；陕西某电厂一台 200MW 机组因为轴向

位移 TSI 仪表不能正确动作，造成机组主轴断裂为 13 段，造成机组报废，伤亡数

十人的经济损失。然而由于机组报废影响电力供应而造成的间接经济损失和不良

的社会影响真是无法估计。因 TSI 仪表不能正确动作，造成电厂安全事故的例子

还有很多。为了确保机组安全运行，国家每年要花大量的外汇购买进口仪表，据

统计国家每年要花去外汇 1～1.2 亿美圆进口 TSI 仪表。而且我国的电力工业在未

来的 10 年内还将以每年新装机容量在 4000～8000 万千瓦左右的速度发展，所以

开发研究先进可靠的 TSI 仪表具有现实意义和产生巨大的经济效益。

长期以来，我国的 TSI 仪表主要依靠进口仪表，许多高、校科研单位投入了

大量的人力和物力进行 TSI 仪表的开发研究，然而，由于国内的基础工业、工艺

技术及元器件等相对落后，国内开发的传感器及 TSI 仪表在精度、可靠性和先进

性等方面都不能令广大用户满意，这也成了此行业中广大科技人员的心病。如何

改变国产 TSI 仪表的落后状况，改变 TSI 仪表依靠进口的被动局面也成了科技人

汽轮机监视保护仪表（TSI）的开发与研究

员的共同心愿。上海发电设备研究所作为我国发电设备设计和制造行业的归口单

位，理所当然应成为我国 TSI 仪表开发研究的中心，开发研究出高精度、高可靠

性、能够满足大机组安全运行所必需的，使广大用户可以信赖的，能够替代进口

产品的，具有我国自主产权的成套 TSI 仪表。值得欣慰的是，国家有关部门对此

状况相当重视，将汽轮机监视保护仪表（TSI）的国产化研究列入国家“六五”“七

五”的攻关项目，并将此艰巨而光荣的任务委托上海发电设备研究所组织人力物

力进行技术跟踪和国产化研究。经过近 20 年来的跟踪和研究，我所的技术人员已

经基本掌握了 TSI 仪表的关键技术和关键工艺，并先后开发了基于数模电路的第

一代 8000 系列 TSI 仪表，基于单片机电路的第二代 9000 系列 TSI 仪表，目前已

在开发研究基于现场总线的第三代 TSI 仪表。第三代 TSI 仪表虽然还没有形成批

量生产的生产能力，但从技术角度上讲，基本的技术框架已经形成，许多应用程

序的编制已经编制完成，仪表的性能测试和实验室实验正在进行中。相信通过一

批技术人员的辛勤劳动，在不远的将来，在技术上可以与进口产品相媲美，高可

靠性的，可以与电厂其他控制系统可通讯的，具有中国自主产权的第三代基于现

场总线的成套 TSI 仪表将问世，并将投入工业运行，争取逐步替代进口产品，最

后实现 TSI 仪表的国产化。

§1.2 汽轮机监视保护仪表 TSI 的发展过程

在 30 年以前，由于机组的容量比较小，汽轮机组的监视仪表的功能也较简单，

一般仅监视轴承座的瓦振和利用山字型电磁式传感器来监视机组的轴向位移、胀

差，但山字型电磁式位移传感器存在着线性差，安装调试麻烦等缺点。上世纪 60

年代，美国 BN.公司发明了非接触式的电涡流位移传感器，涡流式位移传感器具有

线性范围大，精度和灵敏度高，频响宽，抗干扰能力强和温度特性好，安装调试

方便，检测值不受油污、蒸汽等非金属介质影响等优点，使 TSI 产品在技术上向

前迈了一大步，为大型汽轮机组的安全运行提供了有力的技术支持。当以涡流式

位移传感器为主要传感器组成的 TSI 产品一投入商业运行，立即受到广大用户的

普遍欢迎，特别是涡流式位移传感器采用了非接触式的测量方式，彻底改变了接

触式测量方式带来的各类问题：

（1）解决了大机组旋转主轴的振动测量问题，用速度传感器测量轴承座振动而难以获取机

械振动可靠信息；

（2）解决了用接触式轴速度传感器来测量轴振动时的机械磨损的问题。

（3）涡流式位移传感器可直接测量主轴振动的振幅，避免了用速度传感器测量振动时必

须将速度信号通过积分电路转换成振幅信号所造成的误差，从而提高了了系统的

测量精度。

（4）涡流式位移传感器还可以方便地测量主轴转速的相位角，为大型旋转机械进行振动

谱分析，校准主轴平衡等提供了必不可少的参数。

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摘要：

摘要电力工业作为国家的支柱产业，对国民经济的发展至关重要，经济发展，电力先行，近几年发电机组的装机容量进入了一个飞速发展期，单机容量越来越大，所以对机组的安全可靠运行的要求越来越高。而汽轮机安全监视保护仪表（TSI）是发电机组安全可靠运行的关键设备之一。受到了发电行业设备制造和运行方面的领导和专家的广泛关注。本文对汽轮机安全监视保护仪表作了一个全面的介绍，对它的过去现在和将来进行了一个全面的概括和阐述；对涡流式位移传感器的性能进行了研究改进，包括解决扩大线性范围和解决传感器互换性的问题；在全面分析了汽轮机监视保护仪表存在的问题、技术难点的基础上，逐一进行分析和提出了解决的方法如：振动测量与双二...

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