激光位移传感器在卧式机组测量轴向位移中的应用
激光位移传感器在卧式机组测量轴向位移中的应用
作者:韩翀;
水轮发电机组状态在线监测系统是一套实时在线监测水轮发电机组各部位运行状态的测量系统。水轮发电机组实时运行状态数据收集是一项非常有意义的工作。通过积累大量水轮发电机组的长期状态数据,归纳总结水轮发电机组的最优运行工况,建立具有实际应用价值的数据库,有助于分析判断水轮发电机组的一些潜在故障和缺陷,评价水轮发电机组的真实状态。这其中轴向位移是一项重要的参考数据。推力轴承并非绝对刚性,也就是说在轴向推力作用下会产生一定程度的弹性位移。如果轴向推力过大,超过了推力轴承允许的负载限度,则会导致推力轴承的损坏,较常见到的就是推力瓦磨损和烧毁。所以轴向位移监测的重要性不言而喻,本文分析了通过激光测距仪对卧式机组轴向位移的测量应用。
1 现状调查及原因分析
轴向位移的监测普遍采用大直径电涡流传感器,通过前置器电子线路的处理,将线圈阻抗Z的变化,即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移测量。电涡流传感器对测量面有极高的要求,探头须对准有效测量面,有效测量面是指测量表面不存在刻痕、洞眼、凸台等,表面光洁、无镀层。卧式机组轴向位移传感器的安装位置不像立式机组选取垂直正对镜板即可,卧式机组的安装位置由于机组机械部分的特殊结构,导致很难选取合适位置。我厂轴向位移传感器的安装位置由厂家现场勘查后决定安装于垂直正对滑环。经安装使用后发现选取此安装位置无法满足现场使用要求,主要问题有以下两点,第一点是电涡流传感器的测量原理是通过前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变,以此来测量与被测物体的距离。但是滑环表面虽然能满足金属测量面的加工要求,但是作为给旋转体连通、输送能源的电气部件,其表面流经很大的电流,这对于以交变磁场为测量原理的电涡流传感器来说无疑是最大的影响,直接导致其无法正常工作。第二点是测量环境也无法满足要求,由于转动部件的长期磨损,导致滑环和碳刷摩擦产生粉尘,碳粉散落在滑环附近。经过长期观察发现如果长时间不对摩擦产生的碳粉进行清扫的话,碳粉会附着在电涡流传感器的表面。电涡流传感器的测量探头将被完全覆盖,这也是影响电涡流传感器正常工作的原因之一。
2 制定对策
考虑到电涡流传感器在测量卧式水轮发电机组轴向位移中的诸多不利因素,我们经过多方调研,决定采用以激光为测量源的激光位移传感器。激光位移传感器采用工业级线阵 CMOS 接收器件,具有高分辨率,高可靠性的特点。基于激光三角测距原理实现非接触绝对测距。激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体反射的激光通过接收器镜头,被内部的CCD 线性相机接收,根据不同的距离,CCD 线性相机可以在不同的角度下看见这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1um,分辨率更是可达到 0.1um 的水平。
3、效果检查
选取激光位移传感器代替电涡流传感器是否可行。我们来看以下对比:
1)分辨率。电涡流传感器的分辨率最高也可达到 0.1 um,与激光位移传感器基本相当。
2)线性度。电涡流传感器的线性度一般较低,为量程的1%左右,激光位移传感器则一般为0.1%。
3)测量条件。电涡流传感器要求被测体为导体而且非导磁;激光位移传感器则对无论被测体是否导磁、是否导电都能测。
通过实际应用我们也发现,激光位移传感器能有效反映出卧式水轮发电机组在开停机及负荷变化期间轴向位移的明显变化且由于其特殊的测量原理能有效克服现场的恶略环境,通过试验论证基本达到使用要求。
从电厂机组运行效果来看,机组大轴轴向位移测点的波形规律且稳定,信号干扰也较少。机组在带一定负荷稳定运行时,大轴轴向窜动的峰峰值大约为0.6mm,且变化稳定。
4、结论
通过此次技改有效的解决了卧式水轮发电机组在测量轴向位移当中的一些困难,也为其他电厂在日后应用中提供一些参考和借鉴。
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