CN113944548B - 燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，通过实时跟踪全工况下轴系转子的位移变化规律，获取转子径向位移变化量及其径向位移方向，从而根据各测速传感器测量的间隙电压对测速传感器的安装间隙进行优化调整；同时在转速检测及连锁保护模块组设定报警联锁预设值，在检测到测速传感器间隙电压超出报警联锁预设值的许可范围，在判断转速信号有可能失真时提前预警，并在状况持续劣化的情况下及时触发转速保护动作，通过液压跳闸装置紧急停止机组，确保机组和设备安全，提高了轴系转速测量及保护功能的可靠性。

Description

燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机联合循环机组仪表及自动控制方法，尤其涉及一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法。

背景技术

燃气轮机联合循环机组启停的冷、热态变化过程中，由于轴系上各设备和转子的受热条件、材料、质量，以及转子各轴承油膜作用力等因素的不同，使得各自的热膨胀不同，整体的转子径向位移也随着冷、热态工况不同而存在差异。部分复杂的燃气轮机联合循环发电机组，其转子上布置多个设备，如燃气轮机、空压机、低压煤气压缩机、高压煤气压缩机，有的设备做功，有的设备则耗功，机组运行在不同负荷工况时，转子径向位移可能会发生变化。轴系设备一旦发生故障，不仅是机械本身的损坏，还可能殃及周围的设备，甚至影响到人身安全。

目前，燃气轮机联合循环发电机组通过转速监测和保护系统对轴系进行监测、控制和保护，使机组运行在要求的工况和参数下。转速是燃气轮机联合循环机组运行时的核心参数之一，是反映燃气轮机（简称燃机）及轴系各设备工作状态的重要参数，同时转速信号参与燃机控制及保护，在转速测量过程中，任何微小的故障都可能引起转速测量的不准确，进而导致控制系统对燃气轮机状态判断出现误差，可能影响燃机的安全运行。

现有技术的转速监测和保护系统的工作原理是：在转子测速齿轮面上部安装冗余测速传感器，冗余测速传感器检测到其表面与转子测速齿轮盘之间的间隙通过延长电缆、前置放大器转换后送到冗余的转速监测及连锁保护模块组，通过转速监测及连锁保护模块组计算处理为转速信号，当转速信号超过保护设定值时，或监测到冗余转速监测回路故障时，触发超速保护动作，通过液压跳闸装置，紧急停机以保护机组和设备安全。但上述保护功能只有在实际转速超出转速保护动作值或所有冗余转速检测回路都故障后才起作用，影响燃气轮机联合循环机组单轴轴系转速监测及连锁保护功能的可靠性。

根据测速传感器的特性，测速传感器内的线圈的阻抗变化通过前置放大器处理后输出对应的间隙电压值，请参见附图1，在一定的间隙范围内，测速传感器与齿轮面之间的间隙值与输出的间隙电压值之间呈近似的线性关系，即点A至点B之间的区域。当转子的径向位移变化使测速传感器超出其线性区域时，测速传感器仍然能工作且通过前置放大器输出间隙电压值，即转速检测回路没有彻底故障，但由于转子径向位移变化，导致其间隙值已经超出测速传感器的线性区域，此时检测到的间隙电压值的信号为失真状态，无法真实反映实际的转速，导致转速监测和保护系统无法对机组进行准确的控制和保护。尤其是在单烧高炉煤气单轴联合循环机组等特殊类型机组中，转子在机组冷、热态工况下径向位移变化量大，转速信号线性变差，信号失真，有可能损坏传感器，甚至导致主设备的严重损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，通过实时跟踪全工况下轴系转子的径向位移变化规律，并对各测速传感器测量的间隙电压进行优化调整；同时能在转速信号有可能失真时提前预警，并在状况持续劣化的情况下及时触发转速保护动作，确保机组和设备安全。

本发明是这样实现的：

一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，包括以下步骤：

步骤1：在燃气轮机联合循环机组的转子测速齿轮上安装若干组转速测量回路，若干组转速测量回路均连接至转速检测及连锁保护模块组；

步骤2：在机组停机的状态下校正转子中心后，根据测速传感器的间隙电压标准值，安装若干组转速测量回路的测速传感器，并分别测量若干个测速传感器在冷态工况下的间隙电压值；

步骤3：在机组投入运行的一个周期内，实时跟踪并测量不同热态工况下若干个测速传感器的间隙电压值，同时执行步骤4和步骤5；

步骤4：在一个运行周期内，分别记录若干个测速传感器在热态工况下的间隙电压最大值，每个测速传感器间隙电压最大值所对应的间隙值即为转子沿该测速传感器安装方位上的最大径向位移值，该测速传感器的安装方位即为转子的径向移动方向；转至步骤6；

步骤5：转速监测及联锁保护模块组内设置间隙电压的报警和联锁的设定值，转速监测及联锁保护模块组实时采集测速传感器的间隙电压值，并根据报警和联锁的设定值执行保护动作；

步骤6：在机组停机后，根据转子的径向移动方向，冷态工况下调整优化若干个测速传感器的探头与转子测速齿轮的齿轮面之间的间隙大小。

每组所述的转速测量回路包括若干个间隙安装在转子测速齿轮的齿轮面上方的测速传感器、分别通过延长电缆连接至若干个测速传感器的前置放大器。

所述的一个运行周期是指相邻两次停机之间机组运行发电的时间。

所述的步骤5包括：

步骤5.1：转速监测及联锁保护模块组设置间隙电压的超限报警值和联锁保护值；

步骤5.2：转速监测及联锁保护模块组采集每个测速传感器的间隙电压值；

步骤5.3：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过超限报警值，若是，则执行步骤5.4，若否，则不动作；

步骤5.4：转速监测及联锁保护模块组判断转速检测信号有失真倾向，提前报警；

步骤5.5：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过联锁保护值，若是，则执行步骤5.6，若否，则不动作；

步骤5.6：转速监测及联锁保护模块组判断转速检测信号失真，联锁液压跳闸装置动作，紧急停机，保护设备安全。

所述的超限报警值的绝对值大于联锁保护值的绝对值。

所述的测速传感器与转子测速齿轮间隙大小的调整优化方法是：若转子沿其中某个测速传感器的安装方位径向移动量相对大，即该测速传感器与转子测速齿轮的间隙减小，存在转速信号失真风险，则扩大该测速传感器与转子测速齿轮的安装间隙。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过实时跟踪冷、热态全工况下轴系转子的位移变化规律，获取转子径向位移变化量，从而对各测速传感器测量的间隙电压进行优化调整，解决了由于转子在不同冷、热态工况下的径向位移变化较大而造成的转速测量线性变差和信号失真的问题。

2、本发明通过在转速监测及保护模块组内增加间隙电压的超限报警值和联锁保护值，转速监测及保护模块组对测速传感器测得的间隙电压值进行识别，当间隙电压超出超限报警值时，判断转速检测信号有失真倾向，提前报警；若间隙电压没有改善迹象且进一步超过联锁保护值时，判断转速检测信号失真，联锁液压跳闸装置动作，紧急停机，从而保护机组安全，提高了轴系转速测量及保护功能的可靠性。

本发明通过实时跟踪全工况下轴系转子的位移变化规律，获取转子径向位移变化量，对各测速传感器测量的间隙电压进行优化调整；同时在检测到测速传感器间隙电压超出许可范围，在转速信号有可能失真时提前预警，并在状况持续劣化的情况下及时触发转速保护动作，通过液压跳闸装置紧急停止机组，提高燃气轮机联合循环机组单轴轴系转速监测及连锁保护功能的可靠性，确保机组和设备安全。

附图说明

图1是测速传感器的信号输出曲线图；

图2本发明燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法中测速传感器的安装示意图。

图中，1测速传感器，2转子测速齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，包括以下步骤：

步骤1：在燃气轮机联合循环机组（以下简称机组）的转子测速齿轮上安装若干组转速测量回路，若干组转速测量回路均连接至转速检测及连锁保护模块组。若干组转速测量回路可安装在转子测速齿轮的上方、两侧等任意转子测速齿轮的齿轮面上，根据现场安装、布置、调试的方便性，优选为安装在转子测速齿轮的齿轮面的上方两侧。

每组所述的转速测量回路包括若干个安装在转子测速齿轮的齿轮面上方的测速传感器、分别通过延长电缆连接至若干个测速传感器的前置放大器。其中，测速传感器采用基于电涡流原理的测速传感器，即采用电涡流效应（即电磁感应原理）进行检测，对转子旋转引起的周期信号的频率进行测量，转子每旋转一周，测速传感器附近磁通量变化，感应电脉冲信号，输出和测速齿轮盘的齿轮数一致的周期信号。每个测速传感器都具有间隙电压标准值，该标准值由设备的生产厂家提供。

步骤2：在机组停机的状态下校正转子中心后，根据测速传感器的间隙电压标准值，安装若干组转速测量回路的测速传感器，并分别测量若干个测速传感器在冷态工况下的间隙电压值。

通常情况下，间隙电压值为-8V时，其所对应的测速传感器与转子测速齿轮的齿轮面之间的间隙大小为1mm。间隙电压值的绝对值越大，间隙也越大，反之，间隙电压值的绝对值越小，间隙也越小。安装测速传感器时，该测速传感器的间隙电压值应当处于线性区域内。

步骤3：在机组投入运行的一个周期内，实时跟踪并测量不同热态工况（即机组在不同的负荷下运行）下若干个测速传感器的间隙电压值，同时执行步骤4和步骤5。一个运行周期是指相邻两次停机之间机组运行发电的时间。

在跟踪、测量测速传感器的间隙电压值时，采用录波仪分别接入各转速测量回路中，获取波形图及电压值。

步骤4：在一个运行周期内，分别记录若干个测速传感器在热态工况下的间隙电压最大值，每个测速传感器间隙电压最大值所对应的间隙值即为转子沿该测速传感器安装方位上的最大径向位移值；转至步骤6。根据每个测速传感器间隙电压的变化情况，即可获得转子在各个热态工况下的径向位移变化规律，进而通过该径向位移变化规律确定每个测速传感器的安装间隙标准。

步骤5：转速监测及联锁保护模块组内设置间隙电压的报警和联锁的设定值，转速监测及联锁保护模块组实时采集测速传感器的间隙电压值，并根据报警和联锁的设定值执行保护动作。

步骤5.1：转速监测及联锁保护模块组设置间隙电压的超限报警值和联锁保护值，即报警联锁预设值，且超限报警值的绝对值大于联锁保护值的绝对值；

步骤5.2：转速监测及联锁保护模块组采集每个测速传感器的间隙电压值。

步骤5.3：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过超限报警值，若是，则执行步骤5.4，若否，则不动作。

步骤5.4：转速监测及联锁保护模块组判断转速检测信号有失真倾向，提前报警。

步骤5.5：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过联锁保护值（即间隙电压值的绝对值小于联锁保护值的绝对值），若是，则执行步骤5.6，若否，则不动作。

步骤5.6：转速监测及联锁保护模块组判断转速检测信号失真，联锁液压跳闸装置动作，紧急停机，保护设备安全。

步骤6：在机组停机后，根据转子的径向移动方向，冷态工况下调整优化若干个测速传感器的探头与转子测速齿轮的齿轮面之间的间隙大小。

对测速传感器与转子测速齿轮间隙大小的调整优化方法是：若转子沿其中某个测速传感器的安装方位径向移动量相对较大，即该测速传感器与转子测速齿轮的间隙减小，存在转速信号失真风险，则扩大该测速传感器与转子测速齿轮的安装间隙，克服热态工况下转子径向位移变化量，使每个测速传感器安装位置均达到最佳间隙电压值，即机组在不同负荷下运行时，转子径向位移的变化量均能使测速传感器的信号始终保持在其线性区域内。

在机组运行的多个热态工况下（即不同负荷下），测量各测速传感器的间隙电压，对每个工况都是进行多次测量，不同工况下多次测量均得到较为接近的间隙电压值，说明各热态工况下转子径向位移的变化规律是一致的。在这个基础上，确保了优化后的间隙能适应热态工况的变化，不会超出线性区域，不再发生过间隙电压报警甚至联锁跳机。

实施例1：

以某钢铁企业自备电厂单烧低热值高炉煤气的单轴联合循环机组为例，该机组为钢铁企业的自备电厂联合循环发电机组，设计装机容量为150MW，承担着平衡钢铁企业副产品高炉煤气的作用。机组为单轴设计，同一轴上布置了汽轮发电机、齿轮箱、高、低压煤气压缩机以及燃气轮机、空气压缩机等设备。

请参见附图2，在机组的转子测速齿轮1的齿轮面上方两侧对称布置6个基于电涡流原理的测速传感器2，6个测速传感器2分别通过延长电缆经前置放大器连接至转速检测及连锁保护模块组。位于转子测速齿轮1左上方的3个测速传感器2沿顺时针方向依次标号为1#、2#、3#，作为冗余转速调节，位于转子测速齿轮1右上方的3个测速传感器2沿顺时针方向依次标号为4#、5#、6#，作为超速保护。6个测速传感器2可任意分组，优选将一侧的3个测速传感器2作为一组，另一的3个测速传感器2作为一组。每个测速传感器2的间隙电压标准值为-7.5V（由设备厂家提供），转速检测及连锁保护模块中设定超限报警值为-6V，联锁保护值为-5V。

在机组停机的状态下校正转子中心后，分别测量6个测速传感器2在冷态工况下的间隙电压值，根据间隙电压的标准值进行初步调整，初步调整的原则是：调整测速传感器2使其间隙电压位于线性区域的中间段（即接近-7.5V）即可。

当转子高速旋转（每分钟3000转）时，转速测量回路（包括转速传感器、延长电缆前置放大器）输出含电压信息的频率信号送到转速检测及连锁保护模块组后，计算处理为转速调节和转速保护回路所需的转速信号。

机组运行的典型热态工况包括热态工况1（机组负荷105MW）、热态工况2（机组负荷110MW）、热态工况3（机组负荷115MW）和热态工况4（机组负荷120MW），在机组投入运行的一个周期内，实时跟踪并测量4种热态工况下6个测速传感器2的间隙电压值。6个测速传感器2对应的间隙电压值如表1所示：

表1 6个测速传感器对应的冷态工况和4种热态工况的间隙电压值

由表1可知，机组在冷态工况至热态工况的变化过程中，6个测速传感器2的探头与转子测速齿轮1的齿轮面之间的间隙都有不同程度变化，其中，1#、5#、6#测速传感器的间隙电压变化最大，根据1#、5#、6#测速传感器的安装方位，可以推断转子的径向位移移动方向为偏向1#、5#、6#测速传感器所在的左上方，造成1#、5#、6#测速传感器与转子测速齿轮1的实际间隙减小，1#、5#、6#测速传感器存在转速信号失真风险。

机组再次停机后，在冷态工况下对6个测速传感器2的初始间隙进行调整，即略扩大1#、5#、6#测速传感器与转子测速齿轮1的间隙。根据调试前冷、热态工况下的数据对比及分析，以1#测速传感器2为例，冷态工况下间隙电压为-7.8V，热态时由于转子径向位移移动，间隙电压最大变化到-5.31V，很接近非线性区域，变化量约为2.2V，为了克服该位移量，可在-7.8V的原间隙电压值的基础上调整2V左右，使其冷态工况下间隙电压为-9.8V，这样即使热态工况下径向位移移动了2V以上，其间隙电压也不会过小而超出线性区域，且基本仍能位于线性区域的中间段；根据上述优化原则依次调整优化2#-6#测速传感器2。调整优化后6个测速传感器2的冷态工况下间隙电压值如表2所示：

表2 调整优化后6个测速传感器的冷态工况下间隙电压值

测速传感器	间隙电压值（V）（冷态）
		1#	- 9.8V
2#	- 8.9V
		3#	- 8.7V
4#	- 8.8V
		5#	- 9.7V
6#	- 9.9V

机组重新投运后，在4种热态工况下，6个测速传感器2测试得到的间隙电压值（如表3所示）均在线性区域范围内。

表3 调整优化后6个测速传感器在4种热态工况下的间隙电压值

设定超限报警值为-6V，超过超限报警值为-6V则报警，设定联锁保护值为-5V，超过联锁保护值-5V联锁机组停机，即在机组运行时，间隙电压如果超过-6V则报警，如果接近-5V，则距离非线性区域非常近，如表1中1#、5#、6#测速传感器2的间隙电压分别为-5.31V、- 5.22V、- 5.07V，距离-5V的联锁保护设定值很近，机组工况稍有波动，就有可能超出-5V而跳机；而通过优化调试后，各热态工况下，各测速传感器2的间隙电压距离-6V仍有一定裕度，达到预期效果。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：在燃气轮机联合循环机组的转子测速齿轮上安装若干组转速测量回路，若干组转速测量回路均连接至转速监测及联锁保护模块组；

步骤2：在机组停机的状态下校正转子中心后，根据测速传感器的间隙电压标准值，安装若干组转速测量回路的测速传感器，并分别测量若干个测速传感器在冷态工况下的间隙电压值；

步骤3：在机组投入运行的一个周期内，实时跟踪并测量不同热态工况下若干个测速传感器的间隙电压值，同时执行步骤4和步骤5；

步骤4：在一个运行周期内，分别记录若干个测速传感器在热态工况下的间隙电压最大值，每个测速传感器间隙电压最大值所对应的间隙值即为转子沿该测速传感器安装方位上的最大径向位移值，该测速传感器的安装方位即为转子的径向移动方向；转至步骤6；

步骤5：转速监测及联锁保护模块组内设置间隙电压的报警和联锁的设定值，转速监测及联锁保护模块组实时采集测速传感器的间隙电压值，并根据报警和联锁的设定值执行保护动作；

步骤6：在机组停机后，根据转子的径向移动方向，冷态工况下调整优化若干个测速传感器的探头与转子测速齿轮的齿轮面之间的间隙大小。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：每组所述的转速测量回路包括若干个间隙安装在转子测速齿轮的齿轮面上方的测速传感器、分别通过延长电缆连接至若干个测速传感器的前置放大器。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：所述的一个运行周期是指相邻两次停机之间机组运行发电的时间。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：所述的步骤5包括：

步骤5.1：转速监测及联锁保护模块组设置间隙电压的超限报警值和联锁保护值；

步骤5.2：转速监测及联锁保护模块组采集每个测速传感器的间隙电压值；

步骤5.3：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过超限报警值，若是，则执行步骤5.4，若否，则不动作；

步骤5.4：转速监测及联锁保护模块组判断转速监测信号有失真倾向，提前报警；

步骤5.5：判断步骤5.2中任意一组转速测量回路中至少两个测速传感器的间隙电压值是否同时超过联锁保护值，若是，则执行步骤5.6，若否，则不动作；

步骤5.6：转速监测及联锁保护模块组判断转速监测信号失真，联锁液压跳闸装置动作，紧急停机，保护设备安全。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：所述的超限报警值的绝对值大于联锁保护值的绝对值。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机联合循环机组单轴轴系功能的可靠性提高方法，其特征是：所述的测速传感器与转子测速齿轮间隙大小的调整优化方法是：若转子沿其中某个测速传感器的安装方位径向移动量相对大，即该测速传感器与转子测速齿轮的间隙减小，存在转速信号失真风险，则扩大该测速传感器与转子测速齿轮的安装间隙。

Images