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(dòng)、運行過(guò)程中的一些重要參數能可靠地進(jìn)行監視和儲存，它不僅能指示機組運行狀態(tài)、記錄輸出信號、實(shí)現數值越限報警、出現危險信號時(shí)使機組自動(dòng)停機，同時(shí)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(fā)電機組上。

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(pán)到推力軸承的相對位置，以保證轉子與靜止部件間不發(fā)生摩擦，避免災難性事故的發(fā)生。當軸向位移過(guò)大時(shí)，發(fā)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(diǎn)（通常為推力軸承）的膨脹量，一般采用電渦流探頭進(jìn)行測量，也可用線(xiàn)性差動(dòng)位移變送器（LVDT）進(jìn)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(diǎn)（通常為滑銷(xiāo)系統的絕對死點(diǎn)）的膨脹量。由于膨脹范圍大，目前一般都采用LVDT進(jìn)行缸脹監視。

（4）零轉速監視：連續監測轉子的零轉速狀態(tài)。當轉速低于某規定值時(shí)，報警繼電器動(dòng)作，以便投入盤(pán)車(chē)裝置。

（5）轉速監視：連續監測轉子的轉速。當轉速高于設定值時(shí)給出報警信號或停機信號。

（6）振動(dòng)監視：監視主軸相對于軸承座的相對振動(dòng)和軸承座的絕對振動(dòng)。

（7）偏心度監視：連續監視偏心度的峰-峰值和瞬時(shí)值。轉速為1～600r/min時(shí)，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(shí)，機組不再盤(pán)車(chē)而停機，這時(shí)瞬時(shí)偏心度儀表的讀數應最小，這就是最佳轉子停車(chē)位置。

（8）相位監視：采用相位計連續測量選定的輸入振動(dòng)信號的相位。輸入信號取自鍵相信號和相對振動(dòng)信號，經(jīng)轉換后供顯示或記錄。

（9）閥位指示：連續指示調速汽門(mén)的動(dòng)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

目前在中國市場(chǎng)上，有許多國內外廠(chǎng)家的TSI產(chǎn)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(chǎn)品壟斷，這些系統的引進(jìn)始于20世紀80年代，使用較多的產(chǎn)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、EPRO MMS6000系列；日本新川公司的VM-3、VM-5系列等。

國產(chǎn)設備僅在一些小容量機組上應用，主要有兩種類(lèi)型：一種是仿本特利早期產(chǎn)品7200或飛利浦RMS700的模擬分立式或組合式單元儀表，另一類(lèi)是數采器加通用計算機的后臺式監測認斷系統，該類(lèi)系統多由科研院所開(kāi)發(fā)，一般并接在進(jìn)口TSI系統的信號緩沖輸出上，作為進(jìn)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。

1. 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(jìn)的TSI系統。本特利3500系列儀表在使用過(guò)程中以其實(shí)驗室級別的精度，組態(tài)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。該系統具有以下主要技術(shù)特點(diǎn)：

（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(shí)現各模塊的智能化功能，如組態(tài)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(guò)RS232/RS422/RS485總線(xiàn)和MODBUS協(xié)議進(jìn)行數據通信，最高通信速率115.2kbps。

（4）可通過(guò)上位機的組態(tài)軟件對各個(gè)模塊進(jìn)行組態(tài)設置，并下載到各個(gè)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(méi)有面板顯示，其測量顯示通過(guò)上位機顯示或直接觸發(fā)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(guò)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(jìn)行組態(tài)配置和參數顯示。另外還有相對振動(dòng)、軸位移、脹差等參數通過(guò)4~20mA信號送到DEH系統進(jìn)行顯示。

3500監視系統軟件主要有3個(gè)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(shí)用程序、通信網(wǎng)關(guān)測試實(shí)用程序、框架配置教程、框架配置幫助等。

（2） 數據采集DDE (動(dòng)態(tài)數據交換) 服務(wù)器軟件。主要包括數據采集DDE (動(dòng)態(tài)數據交換) 服務(wù)器、軟件配置實(shí)用程序、編輯元件實(shí)用程序、RIM (框架接口模件) 主機接口測試實(shí)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。

2. EPRO MMS6000系統

MMS6000系統是EPRO公司最先進(jìn)的數字化智能型TSI，該系統具有以下主要技術(shù)特點(diǎn)：

（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(dòng)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(shí)現模塊自檢、數據采集、數據通信、監測報警等功能。

（3）通過(guò)RS232/RS485總線(xiàn)對模塊進(jìn)行軟件組態(tài)設置和讀取模塊采集數據。

（4）系統中RS485總線(xiàn)最多連接31個(gè)模塊/62個(gè)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。

3. 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(shù)特點(diǎn)：

（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(guò)內部跳線(xiàn)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(guò)RS232/RS485接口與上位機通信，其他模塊無(wú)通信接口；數據通信速率最高為19.2kbps。

（6）雙重冗余電源模塊。

4. 國內的TSI產(chǎn)品

我國渦流式保護儀表的研制開(kāi)發(fā)起步較晚，從1976年起，上海發(fā)電設備成套設計研究所、航天部608所、清華大學(xué)等一批科研院所、大學(xué)開(kāi)始從事這方面的研究工作，從技術(shù)上逐步形成了2個(gè)系列，即以上海發(fā)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(xué)為代表的調頻式渦流傳感器，這2個(gè)系列各具優(yōu)缺點(diǎn)：調幅式傳感器特點(diǎn)是線(xiàn)性特性好、線(xiàn)性范圍大，但穩定性略差；而調頻式傳感器的特點(diǎn)恰恰相反。

從1984年開(kāi)始，上海發(fā)電設備成套設計研究所對渦流式位移傳感器進(jìn)行了大量研究工作，把調幅式傳感器的線(xiàn)性范圍大和調頻式傳感器穩定性好的特點(diǎn)結合起來(lái)，提出了采用調頻調幅式的檢測方式，比較圓滿(mǎn)地綜合了調頻式和調幅式2種類(lèi)型檢測的優(yōu)點(diǎn)，使得國產(chǎn)的渦流傳感器上了一個(gè)新臺階，并已陸續投入工業(yè)運行，用戶(hù)普遍反映良好。以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(chǎn)品在安全性、可靠性、先進(jìn)性、通用性等方面感覺(jué)上優(yōu)于國內的TSI產(chǎn)品，但也存在不足，如TSI采集的數據模式均不對外開(kāi)放，無(wú)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(lèi)較多，導致備件品種繁多，成本高且供應周期較長(cháng)；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(xiàn)，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(wǎng)絡(luò )化的監視保護系統。國內廠(chǎng)家生產(chǎn)的TSI產(chǎn)品在價(jià)格上則有較大優(yōu)勢，如國外產(chǎn)品價(jià)格一般按每通道約合人民幣20000～50000元，而國內產(chǎn)品約在5000～10000元之間。因此應根據具體情況合理地選用TSI產(chǎn)品。

1. 振動(dòng)參數

它包括下述五個(gè)方面：

（1）振幅

可用來(lái)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(dòng)振幅的精確數據。雖然機殼測量被嘗試用于“高頻”振動(dòng)，需要著(zhù)重指出的是機器功能失靈的絕大多數都發(fā)生在低頻區（通常小于四倍的轉速）。單項的高頻測量?jì)H占機器評估時(shí)間的一個(gè)小百分點(diǎn)。

（2）頻率

振動(dòng)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(dòng)頻率的趨向。機器振動(dòng)頻率可簡(jiǎn)單表示為1x、2x、3x、4x等等。

（3）相角

利用一個(gè)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(dòng)的第一個(gè)正向峰值之間的角度。當轉子通過(guò)振動(dòng)輸入傳感器時(shí)，其振動(dòng)的第一個(gè)正向峰值是與轉子的最高點(diǎn)相吻合的。通過(guò)確定這些至高點(diǎn)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(shí)，相角對確定轉子平衡諧振轉數位置也很有價(jià)值。

（4）振動(dòng)形式

是分析振動(dòng)數據的關(guān)鍵。振動(dòng)形式是指其自身的固有振動(dòng)形式，可在示波器上顯示出來(lái)。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(dòng)情況與狀態(tài)。此外，基本參數如振幅、頻率和相位角都可從振動(dòng)形式圖象中確定。

（5）振動(dòng)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(dòng)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(diǎn)位置。

機殼監測和軸或轉子的測量方法類(lèi)似，同樣可利用振幅、頻率、相角，振動(dòng)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(tài)對分析整個(gè)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

它包括下述五個(gè)方面：

（1）偏心位置

用于測量軸頸軸承處軸的穩態(tài)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

測量的是推力環(huán)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(fā)生摩擦，以避免災難性事故發(fā)生。

（3）低轉速偏心

它指的是轉子工作間歇時(shí)的彎曲量。此彎曲量可通過(guò)轉子低轉速轉動(dòng)時(shí)，前置器上直流峰值的緩慢變化顯示。如果峰值在一個(gè)可接受的低水平范圍變動(dòng)，機器就可啟動(dòng)，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

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(fā)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(gè)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(cháng)久以來(lái)已成為一項必須進(jìn)行的標準程序。振動(dòng)測量值與轉速的相關(guān)性對最終分析機組性能十分重要。

（2）溫度

現已愈來(lái)愈重視軸向和徑向軸承的溫度變化。工作過(guò)程的溫度數據可提供不少有意義的信息，振動(dòng)或位置測量值與溫度信息的相關(guān)程度有助于我們對可能發(fā)生的機器失靈做出更明確的判斷指示。

（3）相關(guān)

影響機器運轉的溫度、壓力、流量和其它參數的相關(guān)程度對分析整個(gè)系統極為重要。利用相關(guān)性，可建立完善的預保養程序。

4. 早期軸斷裂監測

大量的經(jīng)驗性試驗和現場(chǎng)情況記錄表明，在軸斷裂的監測方面，最好的標志是觀(guān)察轉子一倍頻或二倍頻時(shí)振動(dòng)向量的變化?？山邮軈^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(dòng)矢量的相關(guān)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(chēng)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(dòng)，引起了矢量變化。

1、TSI的基本組成

無(wú)論是國產(chǎn)的TSI，還是進(jìn)口的TSI；無(wú)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(dòng)和偏心等）轉換成電參數（頻率f，電感L，品質(zhì)因素Q，阻抗Z等），傳感器輸出的電參數信號經(jīng)過(guò)現場(chǎng)連線(xiàn)送到監測系統，由監測系統轉換為測量參數進(jìn)行顯示、記錄及相關(guān)的信息處理。

2、TSI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(xiàn)性差動(dòng)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(lái)說(shuō)，它由探頭、接長(cháng)電纜和前置器組成。前置器具有一個(gè)電子線(xiàn)路，它可以產(chǎn)生一個(gè)低功率無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈上，在探頭端部的周?chē)加羞@一RF信號。如果在這一信號的范圍之內，沒(méi)有導體材料，則釋放到這一范圍內的能量都會(huì )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(huì )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(chǎn)生一個(gè)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(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )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(jīng)低通濾波器將高頻的殘余波除去，再經(jīng)直流放大器，線(xiàn)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(shí)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(xiàn)性區）。

監測系統又稱(chēng)為框架，一個(gè)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(shí)，它還具有控制系統“OK”的功能?！癘K”（正常工作）表明系統的傳感器及現場(chǎng)接線(xiàn)是在規定的水平上進(jìn)行。系統檢測器也控制報警點(diǎn)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(shí)報警。