Для повышения эксплуатационной надежности машин необходимо постоянно контролировать состояние турбины и своевременно распознавать возникающие повреждения, и с помощью соответствующих мер во время предупредить разрушение турбины.

 

В оценке состояния турбины важную роль играет контроль ее тепломеханических параметров: осевой сдвиг ротора (ОСР), относительное расширение ротора (ОРР), тепловое расширение корпуса (ТРК), положение клапанов. Производители турбин изготавливали датчики, измерительные каналы для определения тепломеханических параметров собственной конструкции. Наибольшее распространение для контроля ОСР и ОРР получили индуктивные датчики дифференциально-трансформаторного типа.

 

На рисунке приведена принципиальная схема контроля осевого сдвига. Индуктивный датчик дифференциально-трансформаторного типа представляет собой Ш-образный сердечник, набранный из листов электротехнической стали с укороченным средним керном, на котором размещена первична обмотка. Вторичные обмотки расположены на крайних стержнях и включены встречно. Магнитная цепь датчика замыкается через воздушные зазоры а, б и с с гребнем на валу ротора. При осевом сдвиге ротора зазоры между крайними кернами и гребнем одновременно изменяются на одинаковую величину, причем э.д.с., индуктируемые разветвленными магнитными потоками во вторичных обмотках, пропорциональны величине смещения.

 

За длительный период эксплуатации схемы контроля ОСР и ОРР с использованием индуктивного датчика дифференциально-трансформаторного типа подтвердили свою работоспособность. Однако данные измерительные каналы имели существенные недостатки:

  • зависимость выходного напряжения датчика от колебаний температуры окружающей среды (дополнительная погрешность от изменения температуры может достигать 1% на 10 ºС);
  • значительная зависимость выходного напряжени датчика от изменения величины торцевого зазора с;
  • погрешности из-за наличия внешних магнитных и электрических полей;
  • фазовые и амплитудные погрешности, возникающие при биении гребня вала ротора с частотой вращения, равной частоте питающего напряжения;
  • низкая повторяемость передаточных характеристик датчиков наряду с наличием влияния металлических деталей в месте его установки привела к практике калибровки измерительного канала перемещений ОСР, ОРР непосредственно на турбине с применением устройств перемещения датчиков;
  • появление короткозамкнутого витка в случае обрыва магнитопровода в одной из выходных катушек, нарушение контактов или целостности кабельной жилы, соединяющей вывод с вторичным прибором, приводит к ложному срабатыванию защиты и отключению турбины;
  • большие сложности преобразования сигнала в унифицированный токовый или цифровой сигнал для связи с системами верхнего уровня;
  • из-за больших габаритов датчиков невозможность установки трех датчиков и применения защиты по принципу 2 из 3;
  • ввиду охватывания боковыми кернами магнитопровода гребня возможно при нештатных ситуациях задевания гребня за керны с появлением искр, что может вызвать взрыв масляных паров в картере подшипника;
  • большое разнообразие конструкций датчиков, намоточных данных, присоединительных размеров, вторичных приборов различных производителей.

 

Наличие отмеченных выше проблем обусловило необходимость проведения дополнительных усовершенствований конструкции датчиков. Так, например, ОАО «Турбоатом» для уменьшения влияния напряжения питания датчиков включил в состав панели для защиты от осевого сдвига феррорезонансный стабилизатор напряжения. Однако эти меры не устранили другие недостатки. Поэтому разработчиками аппаратуры было предложено использовать вихретоковые датчики. (Ростовская фирма Эликсир, Харьковский филиал ЦКБ «Энерго»). Датчики устанавливались не радиально по отношению к гребню, а по оси вращения турбины, что предполагало доработку площадки для их установки на турбине. Датчики имели два исполнения: со встроенной электроникой и с вынесенной катушкой. В первом случае максимальна рабочая температура в месте установки датчика не должна превышать 70ºС, во втором случае она может быть больше. Но оба варианта датчиков имеют значительную дополнительную погрешность при изменении температуры датчика, а также на них оказывают влияние окружающие массы металла. Вихретоковые датчики могут использоваться только в тех случаях, когда по условиям эксплуатации в месте установки датчика температура не достигает предельных значений. В реальных же условиях эксплуатации, из-за наличия протечек пара через уплотнения, других факторов, температура в месте установки датчиков ОСР, ОРР превышает предельное значение и может достигать 100…140ºС, что делает невозможным использование таких измерительных каналов.

 

С учетом вышеизложенных недостатков для замены индуктивных датчиков дифференциально-трансформаторного типа нами разработан измерительный канал, состоящий из векторного датчика перемещения (ВДП) и прибора измерительного цифрового ИП-1-ТК, который устраняет указанные ранее недостатки. ВДП устанавливается вместо дифференциально-трансформаторного датчика при помощи переходного кронштейна радиально по отношению к гребню без дополнительных деталей. При перемещении гребня вдоль рабочей поверхности ВДП во вторичных обмотках ВДП наводятся э.д.с., амплитуды которых изменяются в зависимости от положения гребня относительно ВДП. По линиям связи снимаемые с выхода ВДП э.д.с. передаются на вход прибора измерительного цифрового ИП-1-ТК. Прибор обеспечивает питание датчика, микропроцессорную обработку полученных значений э.д.с. с вычислением перемещения гребня относительно ВДП, визуализацию значения перемещения в соответствующих единицах на пятиразрядном светодиодном индикаторе, а также выдачу унифицированного сигнала постоянного тока, преобразуемого из измеряемого перемещения. Прибор имеет в своем составе интерфейс RS-485 для считывания данных по протоколу MODBUS (RTU), а также четыре реле.

 

Основным преимуществом ИК в составе ВДП и ИП-1-ТК является возможность работы ИК при температуре в месте установки до 150ºС, незначительна дополнительная температурная погрешность во всем диапазоне работы датчика, меньшее влияние изменения радиального зазора на показания ИК во время переходных режимов турбиныпо сравнению с датчиками дифференциально-трансформаторного типа, что значительно повышает точность измерения параметров турбины в реальных условиях эксплуатации.

 

К особенностям ВДП относится необходимость его установки с учетом направления вращения ротора относительно датчика и боковых кромок гребня.

 

Микропроцессорная обработка сигнала э.д.с. от ВДП прибором ИП-1-ТК позволяет обеспечить линеаризацию характеристики, повысить разрешающую способность датчика, что важно при использовании таких датчиков для контроля ОСР. Прибор обеспечивает необходимое быстродействие (0,07 сек) для контроля данного параметра. Кроме этого, прибор имеет необходимые компоненты, защищающие его от воздействия радиопомех, присутствующих на электростанциях. В приборе предусмотрен непрерывный контроль исправности датчика, также реализован программный фильтр выбросов для исключения случайных срабатываний реле. Эти преимущества данного канала открывают ему дорогу для широкого использования на различных объектах энергетики.