汽机在起停和运转中, 转子要受到向前 (即向汽机机头侧) 或向后 (即向发电机侧) 的轴向推力作用, 这个推力由推力轴承来承担。推力轴承由固定在主轴上的推力盘, 以及两侧由青铜或钢制成的工作面 (发电机侧) 推力瓦块和非工作面 (机头侧) 推力瓦块组成。推力瓦块上浇有乌金, 一般厚度为1.5mm。在正常情况下, 转子的轴向推力经推力盘传到工作面推力瓦上, 它们之间摩擦产生的热由润滑油产生的油膜进行冷却。若转子轴向推力过大或油温过高时, 油膜被破坏, 推力瓦块乌金将烧熔, 转子就会向后窜动。在汽机起动和增负荷过程中或其他工况时, 由于推力盘和工作面推力瓦块后的轴承座、垫片、瓦架等发生弹性变形, 也会引起轴向位移。当机组突然甩负荷时, 会出现反向推力, 转子会向前窜动。汽机转子向前或向后窜动的“量”, 用轴向位移装置来监视和保护。轴向位移监测是汽机最重要的保护系统之一, 机械故障可带来灾难性后果, 推力轴承故障和性能的变坏只有很少的征兆, 并能在很短的时间内毁坏整个机器。所幸的是轴向位移保护系统所需的测量技术非常简单, 可是如果安装不正确, 整个监测系统将失去作用。
1 冷活动区和热活动区
推力轴承间隙中推力盘在通常情况下可以移动的范围叫做冷活动区。测量“冷”活动区时 (见图1) 要在冷态 (外界温度) 和停机的情况下进行。在满负荷和工作转速的情况下, 冷活动区是要增大的。这个变化是由于高负荷 (工作负荷) 作用在推力轴承上产生的。影响活动区的其他因素还有热膨胀, 推力轴承组件的弹性形变, 推力盘形变和油膜压缩。因此, 当机械在满负荷情况下运行时就会产生一个“热”活动区, 通常热活动区要比冷活动区要大许多。在图1所示的例子中, 冷活动区是16mils (0.4mm) , 探头间隙为42到58mils, 其相应的前置器输出是-8.4到-11.6Vdc。而热活动区是24mils (0.6mm) , 探头间隙是38到62mils, 前置器相应的输出电压是-7.6到-12.4Vdc。这表明活动区的范围增加了50%, 当然, 情况并非总是这样。
常见的情况是, 没有经验的用户在使用轴向位移监测系统时不考虑冷活动区和热活动区的变化。而是根据机械停下来时测得的冷活动区来设置代表推力盘与推力轴承接触点的报警值 (I值) 。因此当活动区增大时, 用这种方法设置的报警点表示的是推力盘在推力轴承间隙中的位置, 而不是推力盘与推力轴承接触点的位置。当大轴发生变化, 达到报警值时, 就会导致监测系统产生误报。
防止这种类型的误报有两个方面的工作要做。第一, 要认识到冷活动区和热活动区的不同, 并以此为依据设置报警点。第二, 报警点应表示已有5到10mils (25到250um) 厚的乌金磨损。在此基础上设置的危险报警表示乌金块在报警磨损的基础上又有10到20mils (250um到500um) 的磨损。即使考虑到热活动区存在也有发生误报的可能, 这可能是由以下的原因产生的; (1) 设置的报警点太靠近轴承的表面。 (2) 热活动区的范围不够大。 (3) 在安装探头时有一些小的偏差。最后说明一点, 准确的监测轴向位置, 不一定能避免轴承的磨损, 但能够避免机械严重的轴向磨损和潜在的损坏。
实际上, 从监测的观点上来看, 我们希望推力轴承有一些磨损。如果轴向位移监测器发出报警, 而检查的结果却没有发现推力轴承损坏, 那么运行人员就会丧失对监测系统的信任。在设计机械时, 大多数机械的推力轴承都被设计成能承受一定的乌金磨损, 并在达到轴向磨损的危险值之前长期运行, 这就是说有理由允许在检测器发出报警I值之前有一定的乌金磨损。确定特定机械的冷活动区和热活动区时, 应向生产厂家咨询, 并结合实际运行经验改进轴向位移测量。
2 传感器的测量范围和轴位移的范围
对于任何机械来说, 所要求的轴向位移测量范围都应包括大轴在推力轴承中正反两个方向上所允许变化的最大范围。轴向位移的范围不仅仅包括推力轴承的间隙 (冷活动区和热活动区) , 还应包括乌金在两个方向上 (工作面和非工作面) 允许的磨损在内。在图1所示的机械中, 推力轴承的间隙 (热活动区) 是24mils (0.6mm) , 在达到危险点之前, 在推力轴承的两侧还允许有17mils (0.4mm) 的乌金磨损量。因此, “转子的活动范围” (转子所有允许活动范围的总和) 是58mils (1.4mm) 。在图1中所标出的传感器的线性范围大于转子可移动的范围。安装所有的轴向位移检测系统时, 都要求传感器的线性范围大于转子允许移动的范围。实际上, 传感器的测量范围超出转子可移动范围越多, 越容易将系统安装好。
如果传感器的线性范围仅仅和上面提到的总的转子可移动范围一样大, 那么安装探头时尽管可以在探头与轴之间找到合适的间隙, 但很困难。例如, 如果传感器的线性范围是60mils (1.5mm) , 那么就有必要调整探头, 使传感器的线性范围中心与转子的冷活动区中心重合。在本例中, 探头间隙应尽可能调到58mils (1.4mm) , 即间隙电压为-11.8Vdc。这时推力盘就顶住了推力轴承的工作面。
从另一种情况来看, 如果传感器的线性范围是80mils (2mm) , 那么, 初始探头间隙就不需要严格定在58mils, 当推力盘顶住工作面时, 探头间隙调整在48到68mils (1.2到1.7mm) 范围之内, 系统即可正常工作。以上解释了推力轴承间隙和冷活动区、热活动区的概念, 并说明了前置传感器线性区与推力轴承间隙之间关系的重要性。以下将讨论探头安装、监测器校验所涉及到的问题。文章给出了两种仪表设置方法, 一个将仪表的零点设置在活动区中央, 另一个是将仪表的零点设置在推力轴承的工作面。设置报警点时要考虑到为机械提供合适的保护, 保证监测系统的完整性和使运行人员建立起对监测器信心, 以下据此给出了设置报警点的建议。
在本文的上半部分建立了传感器线性区与推力轴承活动区之间的关系。在本文的下半部分还要用到图1所示的情况。图1所示, 传感器的线性区是80mils (2mm) , 最小间隙是10mils (0.25mm) , 最大间隙是90mils (2.25mm) 。与此相对应最小的间隙电压是-2.0Vdc, 最大的间隙电压是-18Vdc。探头线性区中心的间隙是50mils (1.25mm) , 其间隙电压是-10.0Vdc。
在理想情况下, 传感器线性区的中心应与转子活动区 (冷活动区或热活动区, 两者的中心相同) 一致。但是把转子准确地放在活动区中心, 并将其保持在中心位置上是非常困难的。简单的方法是把转子 (推力盘) 推向一推力轴承的一侧 (一般为工作面) , 这时再安装探头, 使其有正确的间隙和电压值。
注:将转子顶住轴承面 (尽可能地靠近) , 在正常运行工况下, 这个轴承面要作用在轴承上。做这项工作时, 千斤顶是非常有用的。
根据图2所示的例子, 如图冷活动区是16mils (0.4mm) , 当推力盘被推到推力轴承的一侧时, 那么转子距间隙中心就是8mils (0.2mm) 。其间隙电压与中心点的间隙电压就相差1.6Vdc。这就是说推力盘顶住轴承的工作面时 (在此例中为远离探头) , 其探头间隙大约是58mils (1.45mm) , 相应的间隙电压是-11.6Vdc。
3 转子轴向位移和仪表读数
探头间隙和推力轴承中推力盘的位置之间的关系确定好之后, 系统中第三个变量, 即仪表读数就应确定。在控制室即不能看到转子的实际位置, 也不能直接看到探头的间隙电压值。运行人员与测量系统的交往只有仪表的读数, 因此有必要在仪表上建立推力盘位置与探头间隙电压之间的正确关系。大多数厂家的推力位置监测仪表在正常运行工况下都显示轴向位置 (位移) , 本特利的推力位置监测仪表也是这样做的, 但是, 与大多数仪表一样, 运行人员也可通过仪表前面板上的开关来读出探头的间隙电压值。在设置监测仪表系统的过程中有一个重要的步骤是不能省略的, 这就是校验。正确的校验才能保证当间隙电压发生变化时, 轴向位移监测系统产生的读数变化能正确地反应转子轴向位移的真实变化。
在将轴向位移传感器安装在被监测的机械上之前, 要进行传感器的校验。校验传感器时要用一个千分尺 (其靶盘应与大轴是同一种材料) , 校验时所测得的传感器输出的电压变化值正确反应轴向的位移量。进行这项工作是为了检查传感器的灵敏度。标准的灵敏度是200mV/mils (8V/mm) , 有些系统所使用的传感器的灵敏度是100mV/mils (4V/mm) 。
在探头安装之前进行监测器校验, 校验时要使用准备安装在机械上的探头。如果探头已安装在机器上了, 应用一相同类型的探头 (接头、线圈直径和电缆长度相同的传感器) 来代替已安装在机器上的探头进行校验。设置轴向位移监测仪表 (仪表零点) 一般有两种方法, 这两种方法都是可使用的。其不同在于当转子在正常工作状态时, 仪表的读数不同。
方法1:活动区的中心为仪表的零点。用这种方法设置的仪表, 仪表指示零 (中间) 时, 表示转子位于推力轴承间隙的中间位置。见图3。因为转子很少在运行时处于推力轴承间隙的中间位置, 仪表的读数 (机械在正常运行情况下) 一般不为零。读数距零点有一定的偏移 (通常是向工作面方向偏移) , 偏移量是热活动区的一半。
在上面的例子中, 用这种方法设置仪表后, 仪表的读数一般在工作面方向12mils (0.3mm, 也可能稍微小一点, 这取决于推力盘与轴承面之间的油膜厚度) 处。与12mils读数相对应的探头间隙电压是-12Vdc。仪表读数在非工作面方向12mils (0.3mm) 处时表示转子顶住了推力轴承的非工作面 (间隙电压是-8.6Vdc) 。
这种设置的优点是传感器线性区与仪表范围的逻辑关系比较清楚。探头线性区的中心与仪表的中心是重合在一起的。因为轴向位移的监测器都可采用相同的参考点 (仪表零点与活动区零点重合) , 使得仪表人员的工作变的简单了。这个方法的缺点是如果不同的机械有不同的热活动区, 那么一般来说每一个机器监测器的读数就会不同, 而且在大多数情况下, 每台机器的热活动区是不同的, 这就给在控制室工作的运行人员的工作带来了一些不便。
方法2:仪表的零点设置在活动区的工作面。第二种方法的目的是为了克服前一种方法带来的缺点, 使所有的机械上的轴向位移仪表都有相同的读数, 即仪表指示零点或接近零点 (在正常工况下) 。这给运行人员的工作带来了方便, 只有仪表的读数显著地偏离零点, 运行人员才需给予注意。但是这有给仪表人员的工作稍稍带来了一些困难, 因为这样对于不同机械的轴向位移监测器来说要进行不同的设置。
在进行仪表调试过程中, 要考虑到热活动区的大小, 使转子顶住轴承的工作面 (理想状态下, 转子通常运行在热活动区) 时, 仪表读数为零。如图4所示。在调试时遇到的问题是很难在停机 (冷态) 的情况下模拟热活动区的情况。这样就只能将仪表调整到停机情况下其他的模拟参考点上。还以以上的例子为例。如果热活动区是24mils (0.6mm) , 冷活动区是16mils (0.4mm) , 两者之间就是8mils (0.2mm) , 或者说中心两侧各有4mils (0.1mm) 间隙差。在停机并且推力盘被推到轴承的工作面的情况下 (冷活动区) , 调整仪表, 使其指示在非工作面方向4mils (0.1mm) 处, 对应的间隙电压是-11.6Vdc。机组运行在正常工况时 (推力盘顶住推力轴承的工作面时——热活动区) , 仪表的读数应为零, 探头间隙电压为-12.4Vdc。请注意, 只有确切地知道冷活动区和热活动区之差, 或者由于某种原因机组运行起来热活动区稍微有些变化, 那么仪表就不会指示在零位。在任何情况下, 如果冷活动区与热活动区比较接近, 那么用这种方法调试仪表后, 仪表的读数就会接近零。
方法1和方法2的相同和不同点:如上所述, 转子在正常运行位置, 用方法1和方法2设置的仪表读数结果不同。在一般运行工况, 方法1读数结果不等于零, 而方法2的读数结果等于零 (或接近零) 。两种设置方法的相同之处也是非常重要的。无论采用哪种设置方法, 转子轴向位移与探头线性范围之间的关系是相同的。在这两种情况下, 将探头调整到传感器线性范围的中心即轴承间隙的中心 (活动区) 。
通过比较图3和图4的相同点, 在两种设置方法中, 探头线性范围 (-10Vdc) 的中心即为轴承间隙的中心, 且当转子在正常运行位置时, 探头间隙电压是-12.4Vdc。
注意:一旦确立合适的轴向位移/探头间隙/仪表读数之间的关系, 不要改变此参考点, 特别是设备启动后。例如, 假定设备在正常状态下用上述方法2设置仪表, 仪表的读数为零, 启动后, 因为热活动区的计算稍微不正确, 读数不零。在这种情况下, 不要为了使仪表读数为零而重新调整仪表和探头。如果设备启动后再重新调整仪表, 就会失去曾经确定的原参考点的对应关系。特别是在将来监测系统显示故障时, 应坚信参考点变量数据的正确性。例如, 如果仪表读数发生变化并且怀疑读数反应大轴确实移动与否, 则必须查对监测器上的读数。根据原设置的数据, 任一仪表的读数对应一探头间隙电压, 依次可知在轴承间隙内轴的位置。如果设备启动后仪表或探头被重新调整, 那么就无法根据仪表读数确定轴的实际位置。
4 监测报警设定点
在考虑轴位置监测报警设定点时, 不要认为监测此参数的目的是使推力轴承完全免受损坏。设定报警点首要目的是防止轴向的严重磨损和设备损坏, 实际上, 在绝大多数运行条件下, 推力轴承有一些磨损是允许的。在有轴向磨损之前推力轴承通常有足够的乌金维持长期损耗, 这就是允许在到达第一个报警设置点之前有一些乌金磨损的原因。从监测的观点来看, 希望报警后有些乌金磨损。如果出现了推力轴承报警, 检查结果推力轴承却无损坏, 那么电厂中的运行人员及其他人员对监测系统就会失去信任。因此将测得有乌金磨损或可明显看到的乌金磨损时的位置定为第一级报警动作点是合理的。
5 结语
通过上述对冷热活动区概念的讨论, 确定监测报警设置点就相对简单了, 大多数监测系统具有4个报警点, 在工作面/正常和非工作面/反方向每个轴承方向有一级和二级报警。一级报警点设置在正反两方向超过热活动区, 乌金有一些磨损的位置, 二级危险报警设定点设置在乌金有较多磨损, 但轴向处于危险状态之前。例如:设置乌金损耗接近6mils (0.6mm) 时报警动作, 对于工作面和非工作面方向设定点是相同的, 且对应的探头间隙电压为-13.6Vdc和-6.4Vdc。在两个方向上设置危险报警点也是相同的, 反应另有10mils (0.25mm) 的乌金磨损。对应的探头间隙电压为-15Vdc和-4.4Vdc。
摘要：本文将要说明轴向位移监测系统在安装时要考虑的重要问题, 这些问题包括: (1) 冷活动区和热活动区的概念。 (2) 前置器型传感器系统的线性区与大轴可能的变化范围的关系。并简要介绍了轴向位移监测系统对机组安全运行的重要性, 并对其在安装、调试、运行阶段进行了分析, 使轴向位移监测更好的服务于机组的安全、稳定的运行。
关键词：冷活动区,热活动区,仪表,设定点