TSI 系统的可靠性分析与探讨

刘 锋

(广东粤电靖海发电有有限公司，广东惠来515223)

TSI系统，即汽轮机安全监视系统，是一种集实时状态检测和机组保护功能于一体的监视系统，是大型汽轮机组必不可少的监视保护系统。它可以对机组在启停、运行过程中的一些重要参数，如振动、转速、轴向位移、胀差等可靠地进行监视和储存，不但能显示机组的运行状态、记录输出信号、实现数值越限报警、出现危险信号时使机组自动停机，同时还能为机组的故障诊断提供数据支持。广东粤电靖海发电有限公司1#、2#两台600 MW超临界机组汽轮机为东方汽轮机厂N600-24.2/538/566型汽轮机，TSI系统采用的是bently3500系列产品。3#、4#两台1 000 MW超临界机组汽轮机为东方汽轮机厂N1000-25.0/600/600型汽轮机，TSI系统采用的是德国epro公司MMS 6000系列产品。

TSI系统的安全可靠是保证机组安全稳定运行的前提条件之一，然而由于涉及测量探头安装、信号传输、逻辑组态、系统控制等多方面的原因，TSI系统异常造成机组运行的不安全事件或者跳闸的事故时有发生。如何有效、全面地提高TSI系统的可靠性是摆在热控专业面前急需分析探讨并予以处理的问题。

1 TSI系统运行中可靠性存在的主要问题

1.1 电源未按要求配置或者配置不合理

TSI系统的电源作为支撑整个系统安全运行的屏障，是系统中最重要的环节之一，同时也是在现场容易被忽视的问题。TSI系统应该配置两路可靠的AC220 V冗余电源，电源切换时间大于5 ms，以保证电源切换时TSI系统不会初始化。同时TSI装置应该配置两块电源模块，正常时各带50%负荷，一块故障时另一块自动带100%负荷以实现电源间的无隙切换。

现场实际使用中，TSI系统虽然使用两路电源，但是两路电源一路从UPS取，一路却来自保安段，存在一路电源失电的风险。在机组检修试验中曾出现因保安段电源切换不成功导致保安段电源失去的事故。因此，TSI系统两路电源均取自UPS系统且不同段上，以保证电源的全程可靠性。当保护系统的电源采用厂用直流电源时还必须有确保寻找接地故障时不造成保护误动的措施。

1.2 保护逻辑及硬件配置不完善

所有进入TSI系统的现场信号都必须经过系统处理及逻辑运算后，才作为最终的信号进入DCS系统或者ETS系统发挥显示报警或者保护信号的功能。因此设置合适的逻辑保护条件，使系统逻辑具有“判断”功能，是提高TSI系统运行可靠性的有效措施，而现场往往因为某些条件设置不合理导致机组异常事故时有发生。

2014年6月8日13时16分46秒，某厂3#机负荷600 MW，B小机1#Y 轴振由7.3 μm 突变为183 μm，MTSI系统发出小机轴振大停机信号，MEH系统发出B小机跳闸信号，造成机组快速减负荷。事后分析其主要原因是因为振动保护逻辑设计为单点达到动作值200 μm保护即动作，保护逻辑设计没有采取防止误动等的措施，仅仅因为单个振动值的一次波动造成小机跳闸，系统的可靠性不高。

除振动之外在TSI系统中还有高压缸胀差、低压缸胀差等采用单点保护的信号，这些信号在机组运行中均存在误动的可能，若不采取防止误动的措施会降低TSI系统的可靠性。此外在系统中还利用一块轴向位移卡件两个通道送出两个信号，加上另外一块卡件送出的一路信号，三者都送入ETS系统作为“三取二”的信号。若其中的两通道卡件出现故障，同样会造成保护信号的误发，降低系统的可靠性。

1.3 现场设备安装不规范

1.3.1 现场传感器安装不牢固或者不符合规范要求

传感器是将汽轮机组的机械量(如转速，轴向位移，振动，偏心，差胀和盖振等)转换成可供传输记录的电参数，传感器输出的电参数信号经过现场连线送到监测系统。不同的测量对象对传感器安装的要求是不同的，传感器的正常工作是保证TSI系统正常运行的前提条件。

现场由于传感器安装不符合要求造成了多起机组运行中的异常事件发生。2014年3月某厂2#机组检修后启动，机组冲转以后发现低压缸胀差值先是呈现无规律的波动，一段时间后胀差值变为零。事后检查是因为两个低压缸传感器在安装时未加防滑垫，固定不牢固导致探头位置偏移所致。2014年8月3#机组在临修启动后发现1#Y振动值一直为零，测量不到间隙电压，事后检查发现1#Y振动传感器因套筒松动导致头部已经有部分被磨损。

1.3.2 延伸电缆及前置器连接不牢固或者被污染

对TSI系统来说，一个探头对应一根延长电缆和一个前置器，三者是一个测量整体，具有相应的阻抗和特性曲线。一旦测量系统的阻抗和特性曲线发生变化，会引起测量信号的异常。由于前置器至传感器延伸电缆接头外壳连接前置器COM端，其与机柜内卡件信号地连接，若接头松动、破损及污染就可能发生前置器COM端与现场导体短接，从而造成双端接地。当这两端存在电位差时，就可能窜入干扰信号，引起测量值波动。在现场中由于中间连接部分不牢固，接头连接部分被污染等原因，受现场振动等的影响造成传输信号的异常并最终导致机组异常的事件时有发生。某厂3#、4#机组小机曾多次发生因延伸电缆中间接头受振动或者人为误动松动导致测量值突变情况发生，2014年6月8日甚至造成3#机组B小机跳闸。

1.3.3 周围环境影响导致信号异常

汽轮机安全监视系统一次元件主要是电涡流探头，其基本的测量原理是电磁感应原理。在探头中有一线圈，前置器中高频振荡电流，通过延伸电缆流入该线圈，产生一个轴向磁场。当被测金属体靠近这个磁场时切割磁力线产生电涡流，电涡流的大小随探头与被测体表面间的间距变化，并经延伸电缆送至前置器检波、放大，转化成被测间隙量变化的电压信号。

若周围有磁场影响该线圈产生的磁场时，电涡流的大小就不能正确地反映探头与被测物间的间距，从而引起测量显示异常。如:在某厂2#机组运行中发生过发电机侧的6#Y振动信号波动的情况，检查测量回路未发现异常，但是发现在该处的发电机碳刷处不时冒出电火花。在电气人员处理碳刷问题后，测量恢复正常。

对于具有时滞的控制系统，期望的系统闭环传递函数是1个一阶惯性环节和纯滞后环节串联，那么对于副回路的闭环目标函数可以描述为由式(9)可得:

某厂1#机组瓦振动在运行中出现，1#到6#瓦振先后依次出现比较明显的波动，随后恢复正常的情况。现场检查未发现任何异常，后来查阅现场录像发现原来是有巡检人员利用手持式测振仪先后依次在1#到6#瓦附近进行了振动测量。由于手持式测振仪探头电磁干扰造成了瓦振测量值的波动。除了外部磁场对探头的影响，测量回路受高温环境影响造成电缆的老化，也是一个不容忽视的问题。

1.3.4 接地不规范导致干扰信号串入测量系统

不同的接地网之间会产生电势差，在信号电缆的屏蔽层产生电流，叠加在信号上会引起毫安值模拟量的变动。因此必须通过可靠的系统接地和正确的电缆屏蔽措施来抑制干扰。电涡流探头的延长电缆屏蔽层只允许一端接地(一般在机柜内接地)，在同一框架内接到监视器的所有现场导线的屏蔽应接在机柜内的同一接地点，以避免形成接地回路。

此外延伸电缆的屏蔽层，如果安装敷设途径未做好防护，电缆屏蔽层因振动、高温等原因在运行过程磨损，导致两点或多点接地，或者连接电缆屏蔽层未接地的话，也可能会引起信号跳变。某厂4#机组在调试阶段4#X振动曾出现没有规律的波动。对测量回路进行检查，未发现异常，更换就地振动探头也无法解决。后来将整个电缆全部翻出检查，发现其在电缆桥架拐弯处的电缆皮已经破损，导致屏蔽层裸露与桥架接地，两点接地引入干扰信号，从而引起信号跳变。

3#机组A小机1#Y振动在机组运行中也曾多次发生测量值偶尔波动又恢复正常的情况，后检查发现，连接振动传感器的连接电缆中间，其连接头处的热缩套管破损，导致连接头的金属外壳，有时会接触到小机外壳导致回路两点接地。

1.4 运行维护管理不到位

在TSI系统日常维护中，突发性事件通常有比较明显的标识，如故障报警，这是比较好处理的。而对于一些因系统元器件、连接介质老化或者周围环境变化等原因造成系统技术指标逐渐下降，并最终超出系统工作允许范围而引发的故障，或者因为人为因素故障导致系统可靠性降低的情况则是比较难预防的。需要有到位的运行维护管理制度才能尽量减少系统的故障率，对于一些可以早期发现的问题应及时处理，防止缺陷扩大。

2 提高TSI系统可靠性的主要方法

2.1 优化硬件配置及保护逻辑

TSI系统必须配置两路可靠的切换时间大于5 ms的AC220 V的冗余电源，同时在硬件上，TSI装置应该配置两块电源模块。为了保证保护系统的全程冗余配置，设计为三取二保护的信号回路必须配置相应数量的卡件，如转速信号卡件、轴向位移信号卡件等都应该配置三块而不能从一块卡件的不同通道中引出。所有输出的保护信号均应采用常开且两路输出的信号。

对于使用单点作为保护的振动信号宜增加一路确认信号以防止单点保护误动，即将单点的保护改成两点相与后再输出保护信号(以1X为例)。如图1所示。

图1 单点保护逻辑修改原理图

例如，可采用任何一路振动信号达到报警值，同时其他任何一路信号也达到跳机值，最后以保护信号的方式输出。并且在DCS系统中设置振动信号偏差报警。轴向位移保护信号，宜采用三取二判断逻辑或者具备同等判断功能的逻辑输出。且从现场信号测量到保护系统必须保证全程信号独立、冗余。对于高、中、低压缸胀差保护，若为单点时宜设置10～20 s延时;若有两点信号时宜采用“二取二”逻辑，量程可设置不高于跳机值的110%。单点设置的汽轮机缸胀信号宜作为报警信号。保护信号采用冗余判断逻辑时，其中一路信号动作后的复归方式应设置为手动方式。TSI系统的输入信号通道，应设置断线自动退出保护逻辑判断的功能。

2.2 提高TSI系统现场设备的可靠性措施

2.2.1 正确规范的完成TSI系统现场设备安装和调试工作

TSI系统现场设备的可靠性是保证整个系统可靠性的基础，是保障TSI系统准确动作的先决条件。传感器安装时其支架必须有足够的刚性，与支架之间要采用可靠的防止松动的措施，如增加防滑垫等，振动探头内的螺纹与底座配套，不同规格的螺纹可能引起振动探头安装不牢，防止因长期振动导致传感器松动甚至脱落。

应选择一体化的传感器即传感器与延伸电缆一体化，不带中间接头，否则要有可靠的措施保证传感器尾线与延长电缆的接头有可靠的绝缘。延伸电缆的走向与固定不应有损失电缆的隐患。传感器安装前连带与之配对的前置器应该成套进行效验，以确保系统有较好的线性。

2.2.2 规范TSI系统电缆接地及铺设工作，防止干扰信号进入系统

为了防止电缆之间的信号相互干扰，每一个信号都应该使用独立的四芯屏蔽电缆，电缆铺设时应避开有可能出现电磁干扰的区域，信号电缆应与动力电缆分层铺设。系统采用在机柜侧电缆一端接地法，即在电子设备间的TSI盘柜处单端接地，就地浮空。有备用芯的，备用芯在机柜处也应该接地。

电缆屏蔽层应直接延伸到机架的接线端子旁，尽量靠近框架处破开屏蔽层，使得露出屏蔽层的接线尽可能的短，并将屏蔽线直接接在机架的COM或者SHIELD端上。通常系统的COM端与机架电源在出厂时，缺省设置为导通，整个系统是通过电源地接地，因此与其他系统连接时，应该把TSI系统和被连接的系统作为一个整体系统来考虑并保证屏蔽层为一点接地。前置放大器应选择金属盒安装，且应放置在较小振动并便于检修的位置，盒体底座垫10 mm左右的橡皮后固定住。

2.2.3 传感器和延伸电缆的接头必须连接紧固，定期检查系统接线

对于没有采用一体化传感器的系统，传感器尾线与延伸电缆中间的接头在安装完成后应该使用热缩套管进行热缩，以确保连接的可靠性和绝缘。利用停机机会对前置器接线进行检查紧固，必要时采用拉动试验，对掉出来的接线重新插接，确保接线紧固。对于机柜内的接线也应利用停机机会进行紧线，但用力要适中，防止接线端子损坏。

2.3 加强对TSI系统的运行维护管理

合理的逻辑与系统配置、可靠的现场设备是系统稳定运行的基础，而及时的检修和维护则是系统稳定运行的有力保证。因此需加强对TSI系统的部件、装置、电缆运行中出现的异常现象及时检修、维护和管理。

TSI的涡流探头系统校验时，应保证探头、延长电缆和前置器成套进行，校验周期随机组B级检修进行，有资质的检定机构出具的校验合格报告和机务配合下进行的传动效验记录可溯源。定期检查TSI系统的历史曲线，若有信号跳跃现象，应引起高度重视，及时检查传感器的各相应接头是否有松动或接触不良，电缆绝缘层是否有破损或接地，屏蔽层接地是否符合要求等，并进行处理。定期检查测量TSI各测点的间隙电压，结合当前状态与以前的记录进行分析对比，了解变化趋势。按规定进行联锁保护试验，确认系统的可靠性。联锁试验时对每个保护项进行一一确认，对既有硬逻辑又有软逻辑的保护系统，联锁试验单上要特别注明，并分别进行试验。试验中发现的问题要查明原因。就地测量探头处应贴有明显的警示牌，严禁磁性物体接近探头，在离探头5米处严禁使用步话机通话。

3 结束语

通过采取上述措施，对靖海发电公司四台机组两种不同产品的TSI系统进行了整改，TSI系统运行的可靠性得到明显提高，未发生过因TSI系统故障造成机组出现异常的情况，有力地保证了机组的安全运行。

TSI系统是重要的热控测量及保护系统，是保证汽轮发电机组安全运行的重要设备，而在实际生产过程中TSI系统运行的可靠性还存在一定的问题，系统的安全稳定运行还存在一些隐患，通过对现场出现的问题进行分析归纳与总结，结合火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则的要求，采取一些有针对性的措施，就可以保证TSI系统的可靠运行。

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