汽机本体仪表安装技术

前言：随着我国经济高速发展，电能需求越来越大，核能作为当前主要的清洁能源，核电的占比越来越大。安全是核电发展的前提，目前世界上在建和规划待建的核电站优先采用更先进的第三代核电技术。华龙一号作为具有中国自主知识产权的第三代压水堆核电汽轮机组[1]采用国内自主设计生产的1000MW级大型汽轮机，该汽轮机是一台单轴、三缸四排汽、带有中间汽水分离再热器的、多级冲动凝汽式汽轮机，工作时的转速可达1500 rpm。汽机仪表主要是监视汽轮发电机的运行状态，对汽轮机及发电机的运行及控制起着非常重要的作用，稍有差错就会导致整个汽轮机跳机，它影响着整个汽轮发电机的正常运行。本文介绍了在某核电站“华龙一号” 常规岛汽机仪表 安装过程中通过严格执行技术要求、工艺流程和制定相应的控制措施，提高安装质量。

汽机本体仪表系统功能及重要组成

汽机本体仪表功能

汽轮机本体仪表系统[2]由汽轮机监视系统（TTU）、汽轮机润滑、顶轴和盘车系统（TTL）、汽轮机保护系统（TTP）、汽轮机调节系统（TTG）四部分构成。主要功能有两项：1）提供汽机转速、各轴承振动以及进汽阀门的振动频率，用以探测和鉴定轴系和进汽阀门的故障信息；2）提供各轴承金属温度，用于确保汽机各轴承温度正常，防止超温影响汽轮机正常运行。

汽机本体仪表的组成

华龙一号汽轮发电机组本体仪表分为10种，共计111个：其中轴瓦温度计40个，轴向位移传感器3个、振动传感器32个、转子偏心传感器1个，高中压缸绝对膨胀传感器2个、高压胀差传感器1个、低压转子绝对膨胀传感器1个、键相传感器2个、阀门振动传感器16个、转速传感器13个，详见表1：

表1 汽轮机本体仪表信息表

序号 仪表名称 仪表位号 安装位置 1 转速传感器 TTU001-003MC、TTL001-002MC、TTP001-004MC、TTG001-004MC 高中压缸前部轴承箱内 2 键相传感器 TTU014、015MC 中低压轴承箱 3 轴向位移传感器 TTU014-016MM 中低间联轴器罩壳 4 转子偏心传感器 TTU018MM 高中压缸前部轴承箱内 5 轴承振动传感器 TTU001-009MV、TTU101-104MV、 TTU106-109MV、TTU201-204MV、 TTU206-209MV、TTU401-404MV、TTU406-409MV 各轴承轴瓦处 6 高压胀差传感器 TTU019MV 高中压缸前部轴承箱外侧 7 低压转子绝对膨胀传感器 TTU315MV 低电间联轴器罩壳 8 高中压缸绝对膨胀传感器 TTU010、020MV 高中压缸前部轴承箱处 9 轴瓦温度计 TTL301-309MT、TTL311-318MT、 TTL321-326MT、TTL331-336MT、 TTL340-343MT、TTL401-407MT 各轴承轴瓦处 10 阀门振动传感器 TTU511-514MV、TTU521-524MV、TTU531-534MV、TTU541-544MV 主汽阀和主调阀处

本体仪表过程控制

转速传感器安装

传感器的安装示意图如图1所示，TTU系统转速传感器与TTG、TTP转速传感器一起安装在前轴承箱中测速齿盘护罩上，除盘车转速传感器（S15、S16）外，其余转速传感器安装前应现场对支架开孔，盘车转速传感器（S15、S16）安装间隙为2mm，其余转速传感器安装间隙均为1.2mm，当测得传感器与测速齿盘齿顶间距离符合安装要求时，拧紧传感器的紧定螺母将传感器固定，现场安装如图2所示。

图1 转速传感器安装示意图

图2 转速传感器现场安装图

键相传感器安装

键相传感器测量汽轮机转子的相对角度，当转子每旋转一周时，传感器发出一个高频脉冲信号。通过对脉冲计数，可以测量轴的转速。通过将脉冲与轴的振动信号做比较，可以确定出振动的相位角，用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断，主要配合偏心传感器使用，可以确定大轴的振动情况。本核电机组键相传感器的规格型号为涡流传感器（TQ402）+前置器（IQS450）。 键相传感器安装在中低压轴承箱内部左侧（从机头往发电机方向看），支架直接固定在中低压轴承箱上，支架固定螺栓M20×50的安装力矩值为360N.m。 传感器的安装示意图如图3所示，传感器直接安装在键相支架上，调整传感器与转子之间的安装间隙，当测得的间隙约为1mm，对应前置器间隙电压约为7.5VDC时，拧紧传感器的紧定螺母将传感器固定，然后将传感器引线接至机柜内部相应的输入端子上。现场安装照片见图4。

图3 键相传感器安装示意图

图4 键相传感器现场安装图

转子偏心传感器安装

转子偏心度即转子间找中心的中心偏离程度或转子上的零部件相对于大轴的中心偏离程度，转子偏心的测量对机组的运行安全起着重要的作用。本核电机组的转子偏心传感器安装在前轴承箱内，采用的是涡流传感器（TQ402）+前置器（IQS450），可以测量到由于受热或重力引起的高中压转子轴弯曲的程度。 安装示意图如图5所示，从汽机侧看向发电机侧，偏心传感器支架安装在高中压前部轴承的前端面，位于转子竖直中心线上，将偏心传感器支架安装在轴瓦上，固定螺栓M6×16的安装力矩值为10N.m。 传感器安装完成后，在顶轴油的条件下，调整传感器与转子之间的安装间隙，当万用表测得的前置器间隙电压约为9.6VDC（允许误差±0.2VDC）时，拧紧传感器的紧定螺母将传感器固定（见图6），然后将传感器引线接至机柜内部相应的输入端子上。

图5 转子偏心传感器安装示意图

图6 转子偏心传感器现场安装调试图

低压转子绝对膨胀传感器安装

低压转子绝对膨胀是指在轴线上某一点处转子与安装传感器的联轴器套膨胀的差值。LP2转子从推力轴承向机尾方向膨胀，通过低压转子膨胀摆架(DP243)+前置器(IQS450) (4mV/mm)来检测低压转子绝对膨胀值是否在允许的范围之内。表计测量区间为(-10-40)mm。 低压转子绝对膨胀传感器安装前应在摆架试验台上完成摆架传感器的线性测试（见图7），计算出摆架传感器的灵敏度，并确认传感器线性数据已上传到相应的监测卡中，并确定好传感器的安装零位电压V0。

低压转子绝对膨胀传感器线性测试合格后，如图8所示，先将调整板固定在低电间联轴器罩壳上，再把摆架固定在调整板上，摆架传感器不动，使摆架摆杆处于自由下垂状态，测出其间隙电压V1；利用V0、V1和摆架传感器的灵敏度，计算出调整板的加工量，然后根据计算结果对调整板或者套筒进行加工。加工完成后，再进行摆架传感器的安装：先将调整板固定在低电间联轴器罩壳上，再把摆架固定在调整板上，用扳手旋动调整螺柱调整传感器与转子测量凸台之间的距离，确保安装间隙L在1.5-1.7mm范围之内，再修正摆架的轴向位置，当前置器输出电压约等于设定的零位电压V0时，固定摆架，固定螺栓M12×35安装力矩为75N.m。若测量的零位电压值超差，需再一次重复上述工作，加工调整板或套筒，直至前置器输出电压约等于设定的零位电压。传感器按要求安装好后，若监视画面中的膨胀显示值不为零，可修改组态软件中的零位电压值，使输出显示值为零。传感器安装完成后照片见图9。

图7 TTU315MV线性测试试验台

图8 低压转子绝对膨胀传感器安装示意图

图9 低压转子绝对膨胀传感器安装示意图

高中压缸绝对膨胀传感器安装

高中压缸绝对膨胀是指汽缸从冷态到带满额定负荷时汽缸的膨胀值，设计了两个绝对膨胀传感器 (AE119)+连接电缆(EH140)，分别安装在高中压缸前部左、右两侧猫爪处（见图10），支架固定在前轴承箱上，支架安装孔现场配作，固定螺栓M10×40安装力矩为44N.m。 传感器安装时，将前段伸缩杆抵在前轴承箱猫爪上，调整传感器伸缩杆上的螺栓，当用万用表测得的传感器输出电流正好为4mA或20mA时（以组态中零位电流值为准），拧紧传感器安装螺栓，然后将传感器引线接至机柜内部相应的输入端子上。传感器安装好后，冷态条件下，若现场表刻度盘上的显示为0，监视画面中的膨胀显示值不为零，可修改MPS1软件中的零位电流值，使输出显示值为零。 6#机组高中压缸绝对膨胀传感器安装完成后，我方根据现场的实际情况对表计做了一个可翻盖的保护罩（见图11），可有效的使表计与保温层隔开，避免保温层干扰测量，也可保护表盘和现场实时观测数据。传感器的测量胀差范围为0-50mm，保护罩与前端猫爪至少要预留出50mm的距离。

图10 绝对膨胀传感器安装示意图

图11 高中压缸绝对膨胀传感器及保护罩

阀门振动传感器安装

每个高压进汽阀（包括调节阀和主汽阀）均装有两个相互垂直的传感器，分别测量径向和纵向的振动。本机组选用的是加速度传感器(CA202)+前置器(IPC704)来测量阀门振动，传感器会随着阀门一起振动，在压电效应的作用下，会产生电压输出，从而测量阀门的振动情况。 阀门振动传感器安装在高压主汽阀或高压调节阀及其操纵座之间的联轴器外壳上，安装示意图如图12所示。当高压主汽阀或高压调节阀与相应的操纵座连接好后，将L型传感器支架固定在联轴器上如图所示的位置，然后再将两只振动传感器分别装在L型支架上，安装传感器时，纵向与径向区分清楚后，应使传感器感应面与安装面之间接触良好，以确保传感器的测量精度。传感器安装好后，接上延伸电缆，并把另一端接入到机柜内部相应的输入端子上。根据1、2#机组的安装情况，阀门振动传感器自带线端接要预留出足够的长度，避免主汽调节阀在进行挂闸时由于自带线操作空间不够，导致传感损坏。阀门振动传感器现场安装照片见图13。

图12 阀门振动传感器安装示意图

图13 阀门振动传感器现场照片

轴向位移传感器安装

汽轮机双作用推力轴承安装在中低间轴承箱内，它承受轴系通过推力盘传递的轴向推力，保证汽机动、静部件之间的相对位置，通过轴向位移三个传感器可以测量转子与中箱之间的相对位置，监测推力瓦的磨损情况。轴向位移值通过涡流传感器（TQ402）+前置器（IQS450）测得，当转子向机尾方向移动时其轴向位移为正。 轴向位移传感器的安装精度要求很高，误差不能超过0.02mm，当测量的数据超量程时汽机会自动跳机，在安装之前需做一次线性实验，确保表计测量的准确性。线性测试如图14所示，将表计固定在校验台，通过前置器转接入DCS侧的卡件上，在电脑MPSI软件中显示测量数据，与校验台测出的数据做出对比，若对比数据未超差，说明传感器线性良好，相反就要修改表计灵敏度重新校验，直到线性合格。 轴向位移传感器安装前要与机械专业确认好转子零位，确保推力盘紧贴工作瓦，处于工作面上。安装示意图如图15所示，安装时先将轴位移支架固定在中低压轴承箱内相应的安装孔上，然后将3只轴向位移探头牢固装于轴位移支架上，支架固定螺栓M20×40的安装力矩值为360N.m。安装完成后，需调整传感器的安装间隙，当万用表测得的前置器间隙电压为线性调试后确认的电压时，拧紧传感器的紧固螺母将传感器固定，作为传感器零位，然后将传感器引线接至机柜内部相应的输入端子上。传感器安装好后，若监视画面中的位移显示值不为零，可修改MPS1软件中的零位电压，使输出显示值为零。

图14 轴向传感器试验台与MPSI软件显示

图15 轴向位移传感器安装示意图

轴承振动传感器安装

轴承相对振动传感器安装

每个轴承装有两个相互垂直的传感器，分别测量垂直方向和水平方向的相对振动。供货的涡流传感器（TQ402）+前置器（IQS450）测量轴振动位移值，当传感器探头中的线圈有高频电流通过时，会产生高频电磁场并使得被测转子轴颈表面产生感应电流，并转化成电压表示出来，而这个电压随轴表面与传感器之间距离改变而变化，如此即实现了对转轴振动的测量。前置器则是一个电子信号处理器，一方面为探头线圈提供高频交流电流，另一方面，前置器感受探头前面由于轴表面靠近探头而引起探头参数的变化。轴振一般用位移值表示，现场探头测量区间为(0-300)um。 安装示意图如图16所示，首先需将轴振动传感器的安装支架安装在轴瓦上，支架固定螺栓M6×16的安装力矩值为10Nm，支架与转子中心竖直线、水平线均为45°夹角。2#机组1-6#轴瓦的振动支架孔是出厂时开好的，安装时要复测一下两个支架的夹角是否为90°。 轴振动传感器安装完成后，需进行间隙电压测量，与机械专业确定好轴瓦处于顶轴状态后，调整传感器与转子之间的安装间隙，当用万用表测出的间隙电压约为-9.6VDC（允许误差±0.2VDC）时，拧紧传感器的紧定螺母将传感器固定，然后将传感器引线接至机柜内部相应的输入端子上，现场安装照片见图17。 发电机7、8#轴瓦振动传感器的支架出厂时未钻孔，需现场钻孔，开孔要求与1-6#轴瓦一样，两个振动传感器之间的夹角为90°，误差不能超过2°，否则会影响轴心轨迹曲线图，无法精确进行数据分析。7、8#轴瓦振动支架开孔要求精度要求很高，因此需要一种测量角度方法来保证现场安装的准确性。

图16 轴振动支架安装示意图

图17 轴承相对振动传感器安装

轴承绝对振动传感器安装

每个轴承上装有两个相互垂直的传感器，分别测量垂直方向和水平方向的绝对振动，厂供的速度传感器（CV160）+连接电缆（319-6W）来测量绝对振动位移值。当轴承发生振动时，速度传感器和轴承一起运动，传感器内部介质变形（永久磁铁和线圈做相对运动），从而产生电压输出。 安装示意图如图18所示，轴承振动传感器支架安装在轴瓦套上，支架固定螺栓M12×25的安装力矩值为75N.m，垂直方向和水平方向的轴承振动传感器支架与转子中心竖直线、水平线均为5°夹角，安装后可以用万能角度尺复测一下角度误差。从汽机侧看向发电机侧，高中压缸前部轴承振动支架安装在轴承前面，高中压缸后部轴承振动支架安装在轴承后面，低压缸前部轴承振动支架安装在轴承前面，低压缸后部轴承振动支架安装在轴承后面。 支架安装完成后，将轴承绝对振动传感器直接拧紧在L型支架螺孔上，然后接上延伸电缆，并把另一端接入到机柜内相应的输入端子上，现场安装照片见图19。

图18 轴承振动支架安装示意图

图19 轴承绝对振动传感器现场安装图

高压胀差传感器安装

胀差是指在轴线上某一点处转子与汽缸膨胀的差值。高中压汽缸从死点处向机头方向膨胀，而转子则是从推力轴承向机头方向膨胀。高压胀差值通过前轴承箱内的高压胀差传感器测量，选用的是涡流传感器(VMD-RE030-100-100)+ 前置器(VMD-RE101-030-02-32-100)，测量范围为(-10-40)mm。 安装示意图如图20所示，传感器支架固定在前轴承箱内机头侧筋板上，支架固定孔（4-φ22）现场配做。现场安装时，应先将传感器固定在安装支架上，再将安装支架固定在调整架上，调整调整架的位置，确保传感器与齿盘被测面之间的间隙在整个量程范围内可调。

传感器安装完成后需进行线性测试，方法和步骤如下：

• a.为前置器RE101接入24VDC电源，并将万用表电流档串接在前置器电流输出端子上；
• b.转动调整架转轮，使传感器紧贴齿盘，架上百分表（50mm量程）测量传感器的位移，定好百分表零位，然后反向转动调整架转轮，当位移达到3.5mm时，停止转动，定为传感器初始位置，并让百分表归零；
• c.调节前置器RE101上的offset定位器（顺时针方向电流增大，逆时针方向电流减小），使输出电流为4mA。
• d.转动调整架转轮，使百分表指示值为15mm，调节前置器RE101上的Sensitivity定位器，使输出电流为12mA。
• e.反向转动调整架转轮，使百分表指示值回到0mm，然后重复c、d两步，直到这两点的电流误差≤0.05mA为止。
• f.转动调整架转轮，使百分表指示值为30mm，调节前置器RE101上的Lin定位器，使输出电流为20mA。
• g.反向转动调整架转轮，使百分表指示值回到15mm，调节前置器RE101上的Sensitivity定位器，使输出电流为12mA。
• h.重复f、g两步，直到这两点的电流误差≤0.05mA为止。
• i.反向转动调整架转轮，使百分表指示值回到0mm，检查电流输出是否满足要求，若超差，重复c-h，直到合格为止。

传感器线性测试合格后，转动调整架转轮，当输出电流为17.33mA（此零点电流值为厂家厂内测试而得，为17.33mA，为18.5mA，具体以厂家给出的为准），紧固调整架上方的螺栓。现场安装后照片见图21。 2#机组汽轮机破坏真空期间，高压胀差传感器TTU019MV曲线波动剧烈，每次波动后都能回到原值附近，判断是测量信号收到干扰，因此在安装过程中需确定有效的防干扰措施。

图20 高压胀差传感器安装示意图

图21 高压胀差传感器现场安装图

轴瓦温度计安装

1-6#轴瓦温度计的安装可在瓦块安装后进行，但考虑到轴瓦内测的温度计在瓦块吊入轴承箱后无操作空间，因此当机械专业将瓦块翻出后，现场需将轴瓦温度计临时安装固定好（见图22）。安装前先确定好瓦块的汽机侧与电机侧，找到温度安装孔，用铁丝与钢卷尺测量出孔深，在安装轴瓦温度计的过程中，都出现过孔深不足的情况，现场可用铰刀对孔内杂质清理，清理完成后，根据图纸上的位号将表计对应安装。瓦块回装后，根据轴瓦温度计的操作长度，在轴瓦套上配钻支架孔（见图23）。 轴瓦温度计航空插头在配合机械翻瓦的过程中需多次拆掉并回装，非核冲转期间，调试在对汽轮机的运行状态检查时发现，轴瓦温度计在轴瓦温度逐渐升高时测得的数据产生了较大的偏差，非核冲转后，我方对1-6#轴瓦的轴瓦温度计逐一进行了排查，发现是由于1#瓦、2#瓦、6#瓦轴瓦温度计回装错误导致，因此在轴瓦温度计在回装过程需制定有效的工艺措施来保证回装的准确性。

图22 轴瓦温度计临时安装固定

图23 轴瓦套上安装固定支架与表计 推力瓦轴瓦温度计安装如图24所示，推力瓦瓦温需机械瓦块安装后，温度计才能安装

图24 推力瓦轴瓦温度计安装后照片

7、8号轴瓦温度计与1-6号瓦的不同，测量的是发电机汽端和励端的轴瓦温度，绝缘性要求比较高。如图25所示，表计表面有一层透明绝缘套，且端接处的线芯厂内都已处理好，无法剪接。 发电机轴瓦温度计安装需与机械专业确定好最后一次翻瓦时间，每一根轴瓦温度计用毛毡缠绕做好表面防护。

图25 发电机轴瓦温度计照片

重点工艺控制

发电机轴瓦振动[3]传感器的支架开孔

如图26所示，现场采用了3把钢板尺于轴瓦中心摆设两把垂直相交的钢板尺，另一把钢直尺用以摆动可利用三把钢板尺相交处的三角形的两直角边来确定摆动角度，当两直角边相等时完成了轴瓦的中心点和支架45°的夹角的确定，此工艺可用于7、8#轴瓦振动支架的定位开孔。 6#机组非核冲转期间汽轮机各项数据无异常显示，证明此测量方法可用于发电机轴瓦振动传感器的安装。

图26 7、8#轴瓦振动支架的定位

高压胀差传感器的防干扰措施

高压胀差传感器除了在设计选型过程中重点考虑抗干扰外，屏蔽线的正确连接也是有效抗干扰的手段之一，现场采用前置器、及表计端子排端屏蔽线浮空，在机柜集控侧单端接地来屏蔽电磁信号干扰，但应用此屏蔽接线法对一些特殊的串摸干扰信号无屏蔽效果，因此在6#机组汽轮机破坏真空期间表计TTU019MV 曲线波动剧烈。经厂家现场调试后发现将屏蔽电缆的两头屏蔽层将前置器与表计端子排的信号公共端短接，能有效的解决现场共模和串摸信号干扰。测试[4]结果如图27所示。

图27 左侧未短接曲线图，右侧短接后曲线图

3.3轴瓦温度计的回装

轴瓦温度计在回装的过程中，由于轴瓦温度计上的标识牌在机组运行的过程中容易形成异物，安装后需摘除标识牌，由于航空插头处的电缆进行了热缩处理，导致在回装过程中表计与电缆无法一一对应，1#机组1#瓦5TTL301MT和5TTL311MT的航空插头插反，2#瓦5TTL312MT和5TTL322MT的航空插头插反，2#瓦5TTL306MT和5TTL316MT的航空插头插反导致轴瓦温度计在轴瓦温度逐渐升高时测得的数据产生了较大的偏差。因此在安装过程中对每一块轴瓦温度计及轴承箱内轴瓦温度计电缆用记号笔做了临时标识（见图28），2#机组非核冲转期间，轴瓦温度并无异常显示。证明此措施可有效保证轴瓦温度计回装的准确性。

图28 轴瓦温度计、电缆临时标识

结论

通过对某核电机组常规岛汽轮机本体仪表施工安装过程进行分析，在安装过程中进行过程控制、工艺控制，结合现场实际情况制定相对应的控制措施，目前机组运行优良，由此证明了安装工艺的可行性和正确性，对后续华龙一号工程汽轮机本体仪表安装具有可借鉴的意义。

参考文献

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• [2] 吕俊锋，核电机组汽轮机监测仪表的特性及应用，电力建设。2003年，05-03期
• [3] 刘付新旺，大型汽轮机TSI系统现场安装及调试，城市建设理论研究，2011年。09-07期
• [4] [4] 杨璋，舒相挺，蒋彦龙；某型半速核能汽轮发电机测振支架共振故障处理，大电机技术,2019年，07-30期