吴成年，顾涤枫，查 瑞
（1.中电华创（苏州）电力技术研究有限公司，江苏 苏州 215123；
2.芜湖发电有限责任公司，安徽 芜湖 241009）
生物质发电是以木本植物、禾本植物和藤本植物及其加工剩余物和废弃物为原材料，利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大力发展，与小水电、风能和太阳能等可再生能源发电技术相比，生物质发电技术具有电能质量好、可靠性高等优势。目前，生物质发电在我国也得到推广应用，是促进我国能源多元化、保证能源安全的重要举措[1]。
电力系统是支撑一个国家经济发展的重要能源之一，我国经济的持续高速发展需要电力系统的稳定运行，为了保障城市经济的发展与居民用电的稳定，加强汽轮发电机组日常保养与维护，保障城市供电已经成为了发电厂维护部门的重要任务。本文针对某生物质发电机组在停机检修期间进行试验时发生汽轮机振动信号存在异常大幅跳动的现象，通过分析振动测量原理，排查测量通道中各种影响因素，找出了导致信号异常的原因，提出了处理方法，提升了机组运行的安全性。
某生物质发电机组主要是利用农作物秸秆、林木废弃物等生物质进行焚烧发电，日处理农林废弃物800余t。1台30 MW空冷发电机，配1台燃烧秸秆（130 t/h）高温高压振动炉排锅炉，1台高温高压、单轴、单缸、N30-8.83型30 MW凝汽式汽轮机，年发电量约2.10亿（kW·h）。该机组在停机检修期间，进行汽轮机主汽门活动性电磁阀及严密性电磁阀试验过程中，发现汽轮机前后轴承、发电机前后轴承出现振动值大幅异常波动的现象，且在电磁阀电源释放瞬间个别通道振动信号可达400μm极端值，严重威胁了机组的安全运行。
2.1 汽轮机安全监视系统的组成
汽轮机安全监视系统TSI（turbine supervisory instruments）包括传感器、延伸电缆、前置器、监测仪等。基本原理是通过振动传感器将机械振动转换为变化的电信号，通过对电信号进行处理分析[2]，从而获得被测对象的振动信号。在目前的汽轮机组现场振动测试中，测量转轴相对振动的传感器一般都采用电涡流位移传感器，其原理如图1所示。
图1 汽轮机安全监视系统原理图
2.2 电涡流传感器振动测量原理
该生物质机组采用的是JNJVS5300-08型电涡流系列传感器，利用电涡流原理测量转子表面相对于传感器头部距离变化的传感器。对感应线圈施加高频电流后，线圈的周围就产生了高频电磁场，接近金属导体后，金属表面产生感应电流。根据楞次定律，电涡流产生的电磁场与感应线圈的电磁场方向相反，这2个磁场相互叠加，改变了感应线圈的阻抗，感应线圈的内阻抗变化可用式（1）表示，即
其中，μ为导率系数；
γ为电导率；
r为线圈尺寸因素；
x为线圈与金属导体的间隙；
I为励磁电流；
ω为励磁电流圆频率。
当金属导体结构均匀、各向同性且μ，γ，r，I，ω一定时，感应线圈阻抗Z的变化是感应线圈与金属导体之间距离x的单值函数。如果μ，γ，x，I，ω一定，增大线圈尺寸r，磁场分布范围将增大，但感应磁场强度的变化幅度减小，反之则相反。因此，可以看出这种传感器的线性范围随感应线圈直径的增大而增大，而传感器的灵敏度（单位间隙的阻抗变化值）随感应线圈直径的增大而减小。
3.1 机组振动测量通道概况
机组振动测量通道如图2所示。由图2可知，该生物质发电机组通过X和Y向垂直布置的2支JNJVS5300-08型电涡流传感器测量振动信号，前置器振荡电路负责为探头提供所需的高频正弦交变电流，检测电路检测探头线圈的感抗变化，再经放大电路将感抗变化量变换放大成相应电压变化信号输出。经监测仪进行转换，根据测量的要求将其输出电压的直流部分用做位移量的检测，交流部分用做振动值的检测。
图2 机组振动测量通道框图
前置器输出信号首先经过隔离后才输出至JNJVS6600框架监视仪内的振动卡件，TSI振动卡件将处理后的信号分别输出至汽轮机跳闸保护系统ETS（emergency trip system）和分散控制系统DCS（distributed control system）中进行逻辑组态，从而实现振动监测、超限报警以及停机保护等功能。
3.2 故障排查
机组振动信号错误原因可分为软件逻辑错误、器件损坏和信号干扰三大类[3-8]。针对逻辑组态方面，通过排查发现各逻辑均无异常，且在DCS中发生振动信号大幅跳变之时，利用仪器设备对前置器实际输出信号进行测量后，发现实际输出信号确有较大变化，故暂可排除逻辑组态原因导致振动信号测量异常；
器件损坏排查方法较为简单，现场分别对电涡流探头、前置器及振动卡件进行备件替换，再次进行汽轮机主汽门活动性电磁阀及严密性电磁阀试验时，振动信号仍然跳动如故，故也可暂时排除器件损坏原因导致振动信号测量异常。综上分析，可重点排查干扰原因导致振动信号测量异常。
现场各设备主要布置如图3所示（注：图中有底纹的地方表示现场实际的物理路径，用以说明振动测量线缆与电磁阀励磁线缆共处同一个电缆路径）。振动测量通道中，电涡流探头后延伸电缆经汽机平台电缆槽盒接至前置器，前置器经汽机平台电缆槽盒、厂房下电缆桥架引至DCS电子间内TSI机柜；
220 V交流电磁阀驱动通道中，电磁阀电源线经汽机平台电缆槽盒、厂房下电缆桥架引至DCS电子间内电磁阀电源柜。
图3 现场设备布置图
干扰可能原因1：供电电源。由于试验电磁阀供电电源与TSI卡件供电电源相同，且调取历史曲线可知，试验过程中电磁阀开关状态与振动信号干扰时序一致，故干扰可能通过供电电源串入卡件。排查时，将交流电磁阀供电电源改成电子间内墙插，发现干扰如故，故暂时排除供电电源可能导致的干扰。
干扰可能原因2：机柜接地。前置器输出振动信号经电缆桥架输入至电子间内的TSI机柜，倘若接地不良，空间中的各种串扰可通过信号线屏蔽层进入振动卡件，从而导致信号异常跳动。排查时，检查发现DCS各机柜接地线连接正常，各机柜接地线汇总至电缆夹层后统一连接至电气接地网，各机柜导通电阻亦处于正常水平，故暂时排除因为机柜接地不良导致的干扰。
干扰可能原因3：电缆桥架内信号串扰。现场使用的是220 V交流电磁阀，在开关瞬间，交流电场可感应出交流电磁场，电磁场可耦合入振动测量通道，倘若系统抗干扰能力差，有可能造成信号异常。经核实，基建过程中，汽轮机安全监视系统信号线与交流电磁阀经同一电缆桥架由汽机厂房引至DCS电子间，且两者未分层布置，可能是造成信号异常的较大原因。
为验证上述猜想，一方面将探头至前置器之间的延伸电缆从电缆槽盒内取出，从而在汽机平台上与电磁阀电源线分离；
另一方面现场临时敷设2根从汽轮机厂房不经电缆桥架而直接引至电子间的临时普通信号线（汽轮机前轴承Y向及发电机后轴承Y向），该2根信号线直接连接前置器和TSI机柜卡件，再次进行电磁阀开关试验。
接临时普通信号线后，汽轮机前轴承Y向及发电机后轴承Y向振动最大值分别为22.731μm和34.796μm，而通过电缆桥架传输的其他通道振动信号最大值从61.889μm至324.074μm不等。但可看出，该2个临时线缆通道仍在电磁阀电源释放瞬间达到峰值。
为进一步抑制干扰，将该2根普通临时信号线更换为带屏蔽层的信号线缆，并将屏蔽层引至DCS机柜接地，再次进行电磁阀电源通断试验，发现汽轮机前轴承Y向及发电机后轴承Y向振动信号几乎无波动，而其他通道振动信号值维持原状，处在较高水平。
通过上述分析可知，造成停机测试期间汽轮机及发电机振动信号异常波动的原因有2方面，一是振动信号线缆与电磁阀交流电源线在电缆桥架内同层平行敷设，导致电磁阀电源通断瞬间交流串扰进入信号线缆；
二是TSI振动卡件对高频干扰信号抑制能力不足。
因机组即将启机，暂时无法将电缆桥架内的信号线与电源线分离。因此，目前的解决方案是：一方面将振动探头与前置器之间的延伸电缆从汽机平台电缆槽盒中取出，使其与电磁阀交流电源线分离；
另一方面，紧急联系TSI系统厂家，通过对卡件进行软硬件升级来限制高频信号带宽，提升卡件抗干扰能力。下一步将结合机组检修计划，对信号传输通道进行优化改造。
机组停机测试期间振动值过大属于明显的信号失常，若未能及时发现干扰原因并加以防范，很可能在正常运行期间造成保护误动，只有认清造成振动信号异常的各种可能性并逐一加以验证，才能发现造成振动信号异常的真正原因，采取合理的解决方案，保障机组安全运行。
猜你喜欢 机柜生物质电磁阀 生物质水暖炉 农村节能减排好帮手今日农业(2022年1期)2022-11-16门槛可拆卸式机柜车载运输工况的仿真分析科技视界(2022年20期)2022-10-17基于ANSYS Maxwell的比例电磁阀隔磁环仿真分析与优化军民两用技术与产品(2022年4期)2022-06-28低速机电控喷油器电磁阀换热特性计算舰船科学技术(2022年10期)2022-06-17基于振动台试验的通信机柜地震易损性分析哈尔滨工业大学学报(2022年5期)2022-04-19生物质发电：秸秆变燃料环保又增收今日农业(2021年21期)2022-01-12生物质挥发分燃烧NO生成规律研究能源工程(2021年5期)2021-11-20福特6F35变速器的电磁阀控制策略汽车与驾驶维修(维修版)(2019年3期)2019-05-08一种机柜装舱通用工装的设计航天制造技术(2017年3期)2017-07-06生物质纤维在针织行业的应用纺织科技进展(2016年3期)2016-11-29