摘要：对汽轮机组轴系仪表系统的测量原理进行简单介绍，根据公司近些年汽轮机组运行、检修中的遇到典型问题和故障案例具体分析了故障的产生原因。结合多年的运维经验，对轴系仪表现场应用和注意事项进行探讨，提出了提高汽轮机组轴系仪表稳定运行的措施和建议。

关键词：故障；大轴零位；措施；联锁逻辑

目前，公司经过第三个6年计划的发展，装置规模扩大了几倍，随新装置的带来的还有多套汽轮机组，用来带动发电机发电或拖动压缩机提供化工装置流程中的关键动力。汽轮机组的稳定运行成为整个装置安稳运行的前提，而机组轴系仪表的稳定测量又是汽轮机可靠运行的保障。从近几年的汽轮机组的轴系仪表的维保数据可以发现，存在过诸多的隐患影响汽轮机组的稳定运行，发生了多次事故导致汽轮机组非计划停车。如何消除轴系仪表隐患、杜绝非计划停车成为汽轮机组安稳运行的重点。

1 轴系仪表的组成和工作原理

汽轮机组的安稳运行需要准确的实时数据监控，而轴系仪表来可以满足这个要求。在实际应用中轴系仪表一班包括2大类：一是机组瓦块温度；二是机组大轴的振动、轴向位移、涨差、键相、转速等电涡流类探头。2者相互配合监控机组的运行。

1.1 瓦块温度的工作原理

瓦块温度的测量使用的是Pt100型热电阻。它是一种以铂金（Pt）做成的电阻式温度检测器，又称为机组表面式热电阻；可以测量推力瓦块的温度和机组前后的轴承温度。其工作原理为：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。在200℃以下基本是线性关系，超过200℃他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

1.2 电涡流探头的工作原理

电涡流探头是利用电涡流效应工作，当金属置于变化的磁场中切割磁力线时，导体内将产生涡旋状的感应电流，此电流称为电涡流。一个传感器线圈通有交变电流I，因为电流的变化，会在线圈周围产生一个交变的磁场H。当被测导体置于H磁场范围内时，则被测导体内便产生电涡流I’，同时也将产生一个新的磁场H’，H与H’的方向相反，故而会抵消一部分原磁场，从而导致线圈的电感、阻抗及品质因数Q发生变化。这个变化不但与导体的几何形状、导磁率、电导率有关，其线圈的几何形状、电流的频率和线圈到被测导体的间距也有关。一旦有关的材料和尺寸确定后，其所产生的电涡流大小仅与被测导体的距离成单一函数关系，这就是的电涡流探头能及时准确测量的依据。

2 轴系仪表的故障分析

汽轮机组轴系仪表控制系统架构为：Pt100热电阻直接进入DCS控制系统进行逻辑输出后送ETS做联锁输出；电涡流探头则是利用美国本特利3500系列的框架表系统，利用电涡流探头经前置器到框架表进行逻辑，最后到ETS进行联锁输出。因为汽轮机组所在的环境比较复杂，诸如强磁场、高温度、强震动、设备锐角的摩擦等因素会导致温度和电涡流探头的延伸电缆、前置器等受影响，从而导致数据波动并导致异常停机。另外，因为本身系统的内部软件设置考虑不周、系统接地不良也会导致机组误停。

2.1 轴位移故障停机分析

2018年，公司新上一台3MW的抽背式汽轮发电机组，在机组试车过程中轴向位移一致在0.6～0.7mm之间，其联锁值为1.5mm，后期出现了抽汽压力异常升高且调节中调门失效的异常现象，同时室内运行画面有正常的蓝色变为灰色，转速从3000r/m快速下降。控制室不清楚异常原因，误以为是系统异常故障，但经过查看ETS首出画面确认停机原因为轴位移大停机。稍后检查现场人员告知中调门出现了连杆断裂故障，这就佐证了轴向位移大停机首出是正确的。

本次事故因为中调门连杆断裂导致汽机轴向负荷急剧变化，轴向推力异常增大使得机组安全停机。但是，经过与机械专业核实，本机组的推力间隙为80丝左右，这与机组未停机前的70丝相近。根据之前的维护经验得知，汽轮机机组正常运行过程中负荷稳定、润滑效果良好的情况下轴向位移一般小于30丝；由此判断在机组调试期间施工单位在对机组大轴顶零位时出现了失误，本应是主推力面为零位点，却错误的将大轴推到了副推力面，并通知仪表专业定轴位移零点。这就导致实际的轴位移零点减小了一个推力盘间隙，继而导致轴向位移的联锁值减小了80丝左右。这对于机组的联锁保护来说，稍有大的负荷变化就更容易导致机组停机，但是这却给装置的安稳运行带来极大的隐患，若在正常运行过程中停机将导致产生大量不必要的经济损失。在本机组试机结束后，施工单位重新将大轴顶到主推定零位，之后，再次试机轴位移显示0.1mm，属于正常范围。

2.2 电磁干扰和接地故障分析

2.2.1 接地故障

2016年4月，公司一台正在运行的3MW抽背机组停机，ETS画面报‘振动大’停机，DCS趋势上确实有2个振动达到联锁是80um，但不是同时，所以不满足4选2的联锁逻辑。

进一步检查机组的TSI3500[1]系统进行日志，发现第三槽位的第二通道、第三通道分别在不同时间频繁出现过‘NOT OK’报警和‘Danger/Alarm 2’报警，几秒后自行恢复。经过仔细核对停机时间点，发现日志中在停机时出现了2s钟内2个振动存在‘NOT OK’报警和‘Danger/Alarm 2’报警。故而由此判定确系是因振动触发的4选2的联锁导致停机。本机组振动是壳振连联，为提高联锁可靠性由原来的4选1联锁变更为了4选2联锁，以便进一步提高可靠性。本特利振动的4选2联锁本身的动作机理为：2个或2个以上的振动达到联锁值，继电器就会输出信号给ETS停机；但当有一个振动出现了‘NOT OK’报警，那么涉及到此振动点的4选2中需要满足的2个条件，就变成了满足一个条件即可触发停机；若同时另一个恰巧出现了‘Danger/Alarm 2’，也会导致停机。

另一方面，通过对汽轮机组的其他参数分析，其非常平稳，由此判定为2个振动出现‘NOT OK’报警和‘Danger/Alarm 2’报警并非是信号回路存在问题。对此，仪表专业分别对信号回路的所有端子进行禁锢；处理电缆屏蔽。之后，定期检查日志确认处理效果确认未再出现异常报警。

2.2.2 电磁干扰故障

2018年8月，公司新上一台3MW的抽背式汽轮发电机组，在机组ETS联锁回路调试期间出现ETS输出停机信号后，会导致TSI本特利框架表转速输出停机信号的故障。实验了10次，故障信号出现了6次。

经过分析排查，将ETS的输出信号解除，故障就消除了。由此基本判定是危机遮断电磁的交流电对轴系仪表的信号回路造成的干扰。ETS输出的信号是控制到现场危机遮断电磁阀的交流220VAC电源，而其电缆桥架与机组的信号电缆是共用，这就导致若出现电缆质量或因敷设路径造成电磁干扰较大，甚至影响电涡流探头触发联锁。最后，更换一个新的电缆消除了故障。

2.3 软件设置缺陷和接头故障分析

2017年12月，公司检修完1.5MW机组后进行最后验收，发现TSI本特利框架表超速继电器一直有输出信号，这个比较反常，因为机组再停机状态下是不可能出现超速停机的。分析了框架表的日志发现第8槽位的转速通道多次出现了‘Danger/Alarm 2’报警，并自行消除。这就出现了2个问题：故障间歇消除期间为什么超速继电器还输出信号？停机怎么产生的‘Danger/Alarm 2’报警？

针对产生的‘Danger/Alarm 2’报警，重点检查现场的接线盒、延伸电缆，结果问题出在延伸电缆接头处的同轴卡套处。汽轮机组所处的环境是非防爆区，使用的线缆保护管时包塑金属软管，内有金属支撑骨架；而同轴卡套处未进行绝缘处理，导致延伸电缆接头在晃动中接地，间歇性出现‘Danger/Alarm 2’报警。通过分析软件设置，发现3500组态中输出继电器勾选了‘闭锁’功能，导致发生过的报警在报警消除后，仍然会输出停机信号，若此时投入联锁变会导致机组停机，风险性非常大。针对这一问题，在机组停机时进行了修改，减少机组运行隐患和出错的几率。

2.4瓦温故障分析

2016年，公司一台正在运行的3MW抽背机组主推力面的一个工作瓦块出现温度波动情况，后期相继出现2个的工作瓦块[2]的温度也出现波动。经过分析波动曲线和温度阻值基本判断为温度元件或线缆存在问题，为保证机组正常运行将推力瓦块温度联锁摘除。

机组停机后，对安装在推力瓦块上的温度进行检查，发现表面铂电阻的元件在安装孔内活动空间较大，且安装孔周围有尖锐棱角与耐油电缆有摩擦隐患，拆除温度后可见温度元件有磨损痕迹和耐油电缆破皮的情况，测量相关阻值显示不稳定，确定是因安装不合理导致温度元件和电缆损伤导致。

3、轴系仪表故障应对措施

针对几年来多台汽轮机组在运行中出现的隐患和故障，充分分析了产生的原因和缺陷，对在用和新建机组提出以下整改措施和建议。

3.1大轴零位的确认

汽轮机组大轴零位的正确与否关系到机组轴向位移和涨差2个关键参数的准确性，若存在误差，轻者导致误停机，重者将导致机组动静部件摩擦损坏机组。

大轴零位有机械零位和电气零位之分，而轴向位移的零位就是大轴的电气零位。不同形式或不同厂家的机组零位有不同的要求；一般而言，汽轮机组的电气零位在主推力上。在调整零点时，需要机械专业和仪表专业沟通好，确认顶轴方向。由机械专业负责用千斤顶从汽机后轴承箱盘车齿轮或靠背轮处将大轴推向主推力面，并保证推力盘正好贴靠在主推力瓦上。在顶轴过程中存在一个问题：千斤顶顶轴的力度多大合适？一般对于刚性轴来说，以顶推推力盘间隙的力度即可；但对于像压缩机等有挠性连接的轴，则需要在顶轴完

毕后松掉千斤顶，以免过度顶轴导致轴向位移偏差过大，这个通过实验测得偏差可达联锁的30%～50%，这会严重影响机组的安全运行。

在大轴贴靠在主推力面后，由设备专业签字确认达到电气零位，转交由仪表专业进行调试，位移和涨差的调试要基本同时或先后进行调整，这样可以保证其有同一的基准零位，否则可能导致轴向位移和涨差失去基准点，使得测点失去准确性，不得不停机处理。

3.2排除信号干扰

电涡流探头受工作原理和信号强度的限制[3]，特别容易受到干扰导致信号波动，故而尤其注意安装质量。

以轴向位移的的安装为例，安装探头时应保证相应的间距，不同的角度安装要求不同。安装探头的支架应尽量减小振动，保证探头清洁无杂志，特别是金属杂质。其与汽轮机组大轴的垂直角度应≤±5°。延伸电缆应选择带金属铠装保护的选型，消除机组内部毛刺造成的破损隐患；同时还要对铜制的卡套接头包热缩管进行绝缘处理和防水处理，并尽量保证接头不要泡在油里。

探头安装完毕后要是对整个的测量回路进行检查，确保信号电缆的接线牢固，屏蔽线芯不能浮空，要在机柜测单端接地，通过接线端子连接到3500机架的shield端子，通过机架汇入总结地。信号信号电缆的敷设原则上要避开高低压线路，特别要避开变频设备，否则讲产生严重的谐波干扰影响机组运行。若产生谐波干扰则需要重新敷设电缆，改变电缆的分布电容以达到抑制干扰的产生；也可以采用串联变频调节器专用的滤波器来消除干扰。

3.3软件设置优化

对本特利3500机架的轴系仪表需要进行I/O和逻辑组态，因个人习惯和用户未做要求可能就会导致机组因机架设置过于保守而停机。

在3500机架的设置中有三处需要格外注意。第一，振动、胀差等参数的测量卡件是有‘闭锁’功能设置的。若此项设置为闭锁，那么现场干扰或探头间歇性故障导致‘Danger/Alarm 2’报警将会保持，并会给逻辑继电器发送逻辑条件进行停机判断，即使报警消失了，同样会出发停机条件。因此，建议对此项设置变更为‘非闭锁’。第二，与第一条的情况类似，在逻辑继电器中也有‘闭锁’选项。一旦曾经有过联锁输出，逻辑继电器将一直保持停机信号输出给ETS，而汽轮机组的开机联锁复位一般是在ETS上完成的，这将产生一个盲区：若因维修摘联锁时，产生停机信号虽不会停机但会进行记忆保持，在投入联锁时，会导致机组误停机。因此建议对此项设置变更为‘非闭锁’，若无条件更改的，则要求在投入联锁时一定要先复位3500框架表的逻辑继电器，再进行ETS复位，这样才能有效避免机组误停。第三，在组态逻辑继电器的逻辑表达式时 ，会用到‘与’逻辑；但‘与’逻辑在3500里面是有‘标准与’和‘真实与’2个选择，前者若发生‘与’逻辑中2个条件一个失效后另一个达到联锁后还会触发联锁，但后者若存在一个条件失效后，此‘与’联锁将全部失效。因此建议初始设置‘与’逻辑为‘标准与’。

另外，本特利3500机架本身有日志记录功能，建议定期对齐在线收集日志并进行分析，及时发现异常报警，并针对报警内容有针对性的检查排除，可以有效预防探头故障引发的误停机事故。

3.3联锁锁逻辑优化

目前，大多数汽轮机厂商提供的轴系仪表的联锁逻辑除轴向位移以外基本为单点联锁。这是由于厂商和用户的使用理念不同造成，厂商希望优先保证机组安全，只要有一个参数到达联锁值就应该停机；二用户则希望既保证机组安全又要装置长稳运行，要排除测点的异常故障导致停机的情况，实现机组真正到达联锁条件后安全停机，减少或杜绝非计划停车。鉴于2者的矛盾，建议对机组的温度、壳振、径向轴振、涨差等联锁进行变更，优化逻辑方式，最大限度实现即不误动，也不拒动的目标。

单点联锁变更一般做延时和信号质量判断进行综合联锁，单这对于3500机架不可取，仅限DCS类的控制系统。另外，可将单点改为为2取2联锁，如果条件允许也可以改为3取2联锁，这对于温度、涨差、振动均适用。在这里需要对径向振动的联锁特别说明，径向振动一般为X、Y项振动，均为单点测量，在支架上增加探头原理上可以实现2取2联锁，但受限于安装空间不完全可行。因此，建议改为X、Y‘与’逻辑后作为停机条件；那么逻辑表达式‘=（XHH * YHH）’，但这有个隐患，X、Y轴振动大不是同一个方向，所以可能不是同时触发，如果采用这种方式很可能导致机组晚停机而出现不可控的因素。经过多方交流和试验，在振动大时一个到达HH报警时，另一个整动会到达H报警，所以建议逻辑表达式变更为‘=（XH*YH）*（XHH+YHH）’，目的是让2个轴的H高报警和HH高高报警参与联锁，消除单点因故障导致的误停机，同时保证振动大时能及时安全停机。

3.4瓦温安装和选型优化

首先要从瓦温元件选型做起，根据瓦温的安装口选择合适尺寸的铠装传感器头，尽最大限度的减少温度头的活动空间。瓦温需要做成双支型温度，这便于进行瓦温故障的后进行有效的温度替换，可在线消除故障，保证机组监视和安全。瓦温的再安装时要将固定温度头的螺丝和支架禁锢牢固，若没有设计固定螺丝的可在安装温度后涂抹耐油密封胶去固定温度头，防止温度在孔内晃动摩擦。对瓦温的耐油线缆要进行软线绑扎，用线卡垫胶皮固定；线缆沿专用的线槽捋顺，经过棱角需要垫防护胶皮，并保证线缆不会因油冲击形成摩擦伤。

4、结束语

轴系仪表是汽轮机组监视和保护重要参数，因其安装在机组内部，具有隐蔽性，不可在线作业的特殊性。这就要求对其选型、安装、逻辑原理等方面去优化，找到机组安全和装置安全的平衡点，机组误动和拒动平衡点；而且要对机组定期进行特护和检修，才能实习减少异常故障的发生和机组的非计划停机：既能保证机组安全停机，又能实现机组运行、装置效益最大化，最大可能的实现机组的长、稳、优运行。

参考文献：

[1]本特利3300XL 11mm电涡流传感器手册.部件号，141078-01

[2]张东风，热工测量及仪表.中国电力出版社，2007.

[3]仪表工程施工手册.常用仪表安装与实验，2005 ：360-368