汽輪機安全監視系統(TSI)是一種集保護和檢測功能于一身的永久監視系統，是大型旋轉機械必不可少的保護系統。TSI可以對機組在起動、運行過程中的一些重要參數能可靠地進行監視和儲存，它不僅能指示機組運行狀態、記錄輸出信號、實現數值越限報警、出現危險信號時使機組自動停機，同時還能為故障診斷提供數據，因而廣泛地應用于3MW～600MW的各種汽輪發電機組上。
1、汽輪機安全監視的內容
汽機應監視和保護的項目隨蒸汽參數的升高而增多，且隨機組不一而各有差異，一般有以下一些參數:
①軸向位移監視：連續監視推力盤到推力軸承的相對位置，以保證轉子與靜止部件間不發生摩擦，避免災難性事故的發生。當軸向位移過大時，發出報警或停機信號。
②差脹監視：連續檢測轉子相對于汽缸上某基準點(通常為推力軸承)的膨脹量，一般采用電渦流探頭進行測量，也可用線性差動位移變送器(LVDT)進行測量。
③缸脹監視：連續監測汽缸相對于基礎上某一基準點(通常為滑銷系統的絕對死點)的膨脹量。由于膨脹范圍大，目前一般都采用LVDT進行缸脹監視。
④零轉速監視：連續監測轉子的零轉速狀態。當轉速低于某規定值時，報警繼電器動作，以便投入盤車裝置。
⑤轉速監視：連續監測轉子轉速。當轉速高于設定值時給出報警信號或停機信號。
⑥振動監視：監視主軸相對于軸承座的相對振動和軸承座的絕對振動。
⑦偏心度監視：連續監視偏心度的峰-峰值和瞬時值。轉速為1～600r/min時，主軸每轉一圈測量一次偏心度峰-峰值，此值與鍵相脈沖同步。當轉速低于1r/min時，機組不再盤車而停機，這時瞬時偏心度儀表的讀數應最小，這就是最佳轉子停車位置。
⑧相位監視：采用相位計連續測量選定的輸入振動信號的相位。輸入信號取自鍵相信號和相對振動信號，經轉換后供顯示或記錄。
⑨閥位指示：連續指示調速汽門的動作位置。下表列出了一些應監視與保護的項目。
汽輪機組安全監視與保護項目一覽表
2、幾種典型TSI簡介
目前在中國市場上，有許多國內外廠家的TSI產品在機組上投入運行。其中，200MW以上機組的TSI系統幾乎完全被國外產品壟斷，這些系統的引進始于20世紀80年代，使用較多的產品有美國本特利(BN)公司的7200系列、3300系列、3500系列；德國菲利浦公司(后改為EPRO)的RMS700、EPROMMS6000系列；日本新川公司的VM-3、VM-5系列等。
國產設備僅在一些小容量機組上應用，主要有兩種類型：一種是仿本特利早期產品7200或飛利浦RMS700的模擬分立式或組合式單元儀表，另一類是數采器加通用計算機的后臺式監測認斷系統，該類系統多由科研院所開發，一般并接在進口TSI系統的信號緩沖輸出上，作為進口TSI系統的補充部分，僅具有數據采集、波形顯示、計算分析等后臺功能，不具有TSI必需的標準輸出和監視保護功能。
◆本特利3500系統
本特利3500系統是目前我國大型機組上應用較為廣泛，也是本特利公司最先進的TSI系統。本特利3500系列儀表在使用過程中以其實驗室級別的精度，組態調整的靈活性,模件、前置放大器、探頭的可替換性，安裝后對細微偏差的可調整功能給調試、使用提供了很多方便。
本特利3500系統具有以下主要技術特點：
①單元模塊化結構，安裝于標準框架中，主要包括：電源模塊、接口模塊、鍵相模塊、監測模塊、通訊模塊等。
②各功能模塊都有一顆單片微控制器(MCU)，用于實現各模塊的智能化功能，如組態設置、自診斷、信號測試、報警保護輸出、數據通信等。
③各模塊間通過RS232/RS422/RS485總線和MODBUS協議進行數據通信，最高通信速率115.2kbps。
④可通過上位機的組態軟件對各個模塊進行組態設置，并下載到各個模塊的非易失性存儲器中。
⑤雙重冗余供電電源模塊。
⑥支持帶電拔插功能。
本特利3500系統與本特利3300系統不同，它沒有面板顯示，其測量顯示通過上位機顯示或直接觸發繼電器模塊輸出，大部分內部設置都在軟件中完成。本特利3500系統具有多種通信方式。調試過程中，可以用本特利公司提供的RS232通信接口直接與DCS系統連接，在DCS操作員站進行組態配置和參數顯示。另外還有相對振動、軸位移、脹差等參數通過4~20mA信號送到DEH系統進行顯示。
3500監視系統軟件主要有3個軟件包：
①框架配置軟件。主要包括框架配置、機架接口模件與主機端口測試實用程序、通信網關測試實用程序、框架配置教程、框架配置幫助等。
②數據采集DDE(動態數據交換)服務器軟件。主要包括數據采集DDE(動態數據交換)服務器、軟件配置實用程序、編輯元件實用程序、RIM(框架接口模件)主機接口測試實用程序、數據采集顯示教程。
③操作員顯示軟件。主要包括監視器通道值的條形顯示、機器鏈圖和對應的數據值、趨勢圖、系統事件列表、現用的報警信號列表、報警信號列表。
◆EPROMMS6000系統
MMS6000系統是EPRO公司最先進的數字化智能型TSI，該系統具有以下主要技術特點：
①單元模塊化結構，安裝于19“標準框架中，主要包括：軸振模塊、軸承振動模塊、軸位移/差脹模塊、偏心模塊、缸脹模塊、通信接口模塊等。
②各監測模塊均為雙通道，內置一顆單片微控制器(MCU)，實現模塊自檢、數據采集、數據通信、監測報警等功能。
③通過RS232/RS485總線對模塊進行軟件組態設置和讀取模塊采集數據。
④系統中RS485總線最多連接31個模塊/62個通道，數據通信速率最高為115.2kbps。
⑤支持帶電拔插功能。
⑥雙重冗余電源模塊。
◆日本新川VM-5系統
VM-5系統TSI系統是日本新川公司的智能型數字式TSI系統，它具有以下主要技術特點：
①單元模塊式結構，主要包括：軸振模塊、瓦振模塊、加速度模塊、偏心模塊、軸向位移模塊、差脹模塊、缸脹模塊、轉速模塊、通訊/鍵相模塊、繼電器模塊、電源模塊等。
②模塊內置單片微處理器，具有自診斷功能(電源檢查、傳感器故障等)。
③面板上LCD顯示功能，可顯示測量值、報警值、間隙電壓等。
④通過內部跳線和RS232/RS485接口設置模塊工作方式和參數。
⑤通訊/鍵相模塊可通過RS232/RS485接口與上位機通信，其他模塊無通信接口；數據通信速率最高為19.2kbps。
⑥雙重冗余電源模塊。
◆國內的TSI產品
我國渦流式保護儀表的研制開發起步較晚，從1976年起，上海發電設備成套設計研究所、航天部608所、清華大學等一批科研院所、大學開始從事這方面的研究工作，從技術上逐步形成了2個系列，即以上海發電設備成套設計研究所為代表的調幅式渦流傳感器和以清華大學為代表的調頻式渦流傳感器，這2個系列各具優缺點：調幅式傳感器特點是線性特性好、線性范圍大，但穩定性略差；而調頻式傳感器的特點恰恰相反。
從1984年開始，上海發電設備成套設計研究所對渦流式位移傳感器進行了大量研究工作，把調幅式傳感器的線性范圍大和調頻式傳感器穩定性好的特點結合起來，提出了采用調頻調幅式的檢測方式，比較圓滿地綜合了調頻式和調幅式2種類型檢測的優點，使得國產的電渦流傳感器上了一個新臺階，并已陸續投入工業運行，用戶普遍反映良好。以電渦流式傳感器為主要檢測元件所組成的RD系列單件儀表已有400多套在全國投運。
由于制造工藝上的差距，外國公司的TSI產品在安全性、可靠性、先進性、通用性等方面感覺上優于國內的TSI產品，但也存在不足，如TSI采集的數據模式均不對外開放，無法被國內的各種診斷分析軟件利用，TSI只起了基本的監視保護作用，浪費了系統資源；模塊種類較多，導致備件品種繁多，成本高且供應周期較長；各功能模塊與上位機之間的數據通信采用的較為落后的RS485總線，數據傳輸速率較低，除本特利3500外，其余TSI的各模塊之間難以組成網絡化的監視保護系統。國內廠家生產的TSI產品在價格上則有較大優勢，如國外產品價格一般按每通道約合人民幣20000～50000元，而國內產品約在5000～10000元之間。因此應根據具體情況合理地選用TSI產品。
3、TSI系統監測的基本參數
①振動參數
振動參數包括下述五個方面：
1)振幅
振幅可用來表示位移、速度或加速度，是一種強弱程度的標志。使用趨近式探頭測量以獲取振動振幅的精確數據。雖然機殼測量被嘗試用于“高頻”振動，需要著重指出的是機器功能失靈的絕大多數都發生在低頻區(通常小于四倍的轉速)。單項的高頻測量僅占機器評估時間的一個小百分點。
2)頻率
振動的頻率通常被表示為機器轉速的倍數形式。這主要取決于機器轉速在幾倍頻或幾倍頻情況下機器振動頻率的趨向。機器振動頻率可簡單表示為1x、2x、3x、4x等等。
3)相角
利用一個鍵相位移傳感器，獲取軸的相位參數信號。相位角為脈沖前沿到振動的第一個正向峰值之間的角度。當轉子通過振動輸入傳感器時，其振動的第一個正向峰值是與轉子的最高點相吻合的。通過確定這些至高點的位置，就能夠確定轉子平衡條件和不平衡偏差的位置。同時，相角對確定轉子平衡諧振轉數位置也很有價值。
4)振動形式
振動形式是分析振動數據的關鍵。振動形式是指其自身的固有振動形式，可在示波器上顯示出來。并可分別采用直角坐標圖示或極坐標圖示，以便幫助運行人員了解轉子的運動情況與狀態。此外，基本參數如振幅、頻率和相位角都可從振動形式圖象中確定。
5)振動模式
監測機組的任何一對XY探頭可提供轉子在某特定位置的運動情況。再利用另一對探頭監測機組不同位置，就能確定轉子固有模型，以便幫助我們更準確地估算轉子與靜止部件間的軸向間隙，并估算出轉軸的節點位置。
機殼監測和軸或轉子的測量方法類似，同樣可利用振幅、頻率、相角，振動形式和模式等參數描繪。除了了解轉子運轉情況，掌握機殼狀態對分析整個系統也是同等重要的。諸如結構件、管件的諧振，基礎的松散或斷裂及外振源位置都可利用機器非旋轉件的測量確定。在對機器機械性能的綜合分析里，機殼的監測是不可忽視的。
②位置測量
1)偏心位置
用于測量軸頸軸承處軸的穩態位置。該種測量是對軸承磨損和因預應力嚴重出現不對中的最佳指示標志。
2)軸向位移
軸向位移測量的是推力環到推力軸承的相對位置。測量的目的是為了保證轉子與靜止部件間不發生摩擦，以避免災難性事故發生。
3)低轉速偏心
低轉速偏心指的是轉子工作間歇時的彎曲量。此彎曲量可通過轉子低轉速轉動時，前置器上直流峰值的緩慢變化顯示。如果峰值在一個可接受的低水平范圍變動，機器就可啟動，不必擔心密封損傷或因存在彎曲量而引起的摩擦或不平衡。
4)脹差
脹差指轉子與機殼之間，由于熱膨脹量不一致所引起的膨脹之差值。它的存在將使機組發生軸向摩擦、導致惡性事故。因此，為了保證脹差在—定范圍之內，在機組末端與止推軸承間相對安裝了一趨近式探頭，用以監測轉子與機殼的軸向間隙。
5)機殼膨脹
機殼的膨脹測量是對于機組，提供基礎與機殼相對脹差的數據。掌握了機殼的膨脹量和脹差就能夠斷定轉子和機殼哪一個膨脹率高。如果機殼膨脹不當，“滑腳”可能被阻塞。
③其它參數
1)速度
轉子的速度的測量，長久以來已成為一項必須進行的標準程序。振動測量值與轉速的相關性對最終分析機組性能十分重要。
2)溫度
現已愈來愈重視軸向和徑向軸承的溫度變化。工作過程的溫度數據可提供不少有意義的信息，振動或位置測量值與溫度信息的相關程度有助于我們對可能發生的機器失靈做出更明確的判斷指示。
3)相關
影響機器運轉的溫度、壓力、流量和其它參數的相關程度對分析整個系統極為重要。利用相關性，可建立完善的預保養程序。
④早期軸斷裂監測
大量的經驗性試驗和現場情況記錄表明，在軸斷裂的監測方面，最好的標志是觀察轉子一倍頻或二倍頻時振動向量的變化。可接受區域是指矢量所能允許的變化范圍，具體描述可用最大、最小振幅邊界和最大、最小相角邊界。
—倍頻和二倍頻振動矢量的相關程度及低速旋轉彎曲矢量，對于確定引起矢量變化的起因是很必要的。原因有可能是不對稱軸裂造成，也不能排除由于負載、電源、蒸汽條件或其它運行參數的變動，引起了矢量變化。
4、TSI的基本組成與工作原理
①TSI的基本組成
無論是國產的TSI，還是進口的TSI；無論是由分立元件構成的TSI，還是由集成電路組成的TSI，或者是由微處理器芯片構成的TSI系統，從結構與組成的角度分析，它們均可以下三部分描繪：傳感器系統將機械量(如轉速，軸位移，差脹，缸脹，振動和偏心等)轉換成電參數(頻率f，電感L，品質因素Q，阻抗Z等)，傳感器輸出的電參數信號經過現場連線送到監測系統，由監測系統轉換為測量參數進行顯示、記錄及相關的信息處理。
②TSI的工作原理
目前應用廣泛的傳感器有：電渦流傳感器，電感式速度傳感器，電感式線性差動變壓器和磁阻式測速傳感器等等。對于應用得最多的電渦流傳感器系統來說，它由探頭、接長電纜和前置器組成。前置器具有一個電子線路，它可以產生一個低功率無線電頻率信號(RF)，這一RF信號，由延伸電纜送到探頭端部里面的線圈上，在探頭端部的周圍都有這一RF信號。如果在這一信號的范圍之內，沒有導體材料，則釋放到這一范圍內的能量都會回到探頭。如果有導體材料的表面接近于探頭頂部，則RF信號在導體表面會形成小的電渦流。這一電渦流使得這一RF信號有能量損失。該損失大小是可以測量的。導體表面距離探頭頂部越近，其能量損失越大。傳感器系統可以利用這一能量損失產生一個輸出電壓，該電壓正比于所測間隙。
前置器由高頻振蕩器、檢波器、濾波器、直流放大器、線性網絡及輸出放大器等組成，檢波器將高頻信號解調成直流電壓信號，此信號經低通濾波器將高頻的殘余波除去，再經直流放大器，線性補償電路和輸出放大處理后，在輸出端得到與被測物體和傳感器之間的實際距離成比例的電壓信號。前置器(信號轉換器)的額定輸出電壓為-4~-20V(線性區)。
監測系統又稱為框架，一個框架由三部分組成：電源、系統監測器和監測表。電源為裝在框架內的監測表及相應的傳感器提供規定的電源，電源總被放在框架的第一位置；系統檢測器檢驗供電水平以確保系統正常運行，同時，它還具有控制系統“OK”的功能。“OK”(正常工作)表明系統的傳感器及現場接線是在規定的水平上進行。系統檢測器也控制報警點的設置和系統復位。系統檢測器總被放在框架的第二位置；監測表不僅可以顯示傳感器系統是否正常運行，還可以指示傳感器的測量值，并在越限時報警。
作者：奔跑的電力人
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