一种耐高温汽轮机调门副弹簧断裂实时监测与DCS报警系统的制作方法

本发明涉及汽轮机状态监测，具体为一种耐高温汽轮机调门副弹簧断裂实时监测与dcs报警系统。

背景技术：

1、汽轮机进汽调门的副弹簧是维持调门正常开关动作和机组安全运行的部件。在实际运行中，调门周围处于高温环境，常规的位移传感器在高温下产生温度漂移，引起灵敏度变化，导致采集到的位移数据产生误差。针对弹簧断裂的判定，现有的监测系统多采用单一的阈值比较方法，无法将弹簧断裂产生的位移变化与调门在紧急关闭工况下的正常机械动作进行区分，容易引起误报警。此外，多数监测装置采用常开触点输出报警信号，现场电缆发生断线或接线松脱时，控制系统无法接收到故障信号，存在漏报情况。目前的监测手段通常仅提供声光报警提示，缺少与分布式控制系统（dcs）的保护联动，在确认弹簧发生断裂后，控制系统无法闭锁针对该调门下发的开启控制指令，导致设备存在故障状态下继续运行的风险。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐高温汽轮机调门副弹簧断裂实时监测与dcs报警系统，解决了现有技术中汽轮机进汽调门副弹簧监测方式在高温环境下测量误差大、易受设备正常快关动作干扰产生误报，以及发生线路断线故障时容易漏报且缺乏联动保护功能的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种耐高温汽轮机调门副弹簧断裂实时监测与dcs报警系统，包括感应单元、处理单元、传输单元以及dcs单元。感应单元设置于汽轮机进汽调门的每个副弹簧处，用于采集对应副弹簧的物理位移变化并将物理位移变化转换为电信号输出。处理单元用于对接收到的电信号进行调理与逻辑判定，并在满足断裂判定条件时输出开关量报警信号。传输单元连接感应单元与处理单元，还连接处理单元与dcs单元，用于传输电信号与开关量报警信号。dcs单元用于接收开关量报警信号，并执行相应的报警动作与数据记录。

4、本发明中，感应单元包含靶片与涡流传感器。靶片采用耐热不锈钢材料加工制成，刚性固定于汽轮机进汽调门自带的连接销轴的平整侧面上，靶片的几何感应面积大于涡流传感器探头的横截面积。涡流传感器的探头外壳设置有散热鳍片，且内部硬件电路中配置有温度补偿模块；

5、温度补偿模块通过内置的热敏元件感知实时的环境温度，并依据测量得到的温度变化量向内部调理电路注入反向的补偿电流，用于维持涡流传感器的标定灵敏度系数k数值的恒定。感应单元还包含带有微调机构的安装支架；

6、安装支架由底座连接板、角度调节关节、直线进给套筒以及锁紧螺母组成；

7、底座连接板固定于汽轮机进汽调门阀体附近的稳固基座上，直线进给套筒的内壁开设有细牙螺纹，涡流传感器的探头外壳表面加工有匹配的外螺纹；

8、角度调节关节配置为调整涡流传感器的探头端面与靶片的表面保持平行状态；

9、涡流传感器配置为通过外螺纹与细牙螺纹的配合产生沿直线进给套筒的中心轴线方向的直线进给位移，用于整定涡流传感器探头端面与靶片之间的初始物理间隙；

10、锁紧螺母配置为旋紧抵住直线进给套筒的端面，形成机械干涉锁紧。

11、处理单元设置于汽轮机调门高温核心区域外侧的预设安全距离处，预设安全距离大于或者等于1.5m；

12、且处理单元包含处理箱，处理箱内部设置有调理板与微处理器；

13、调理板内部集成有隔离放大电路与低通滤波电路，低通滤波电路用于对电信号进行滤波处理，低通滤波电路的截止频率设定为大于位移变化信号的最高频率，且小于环境干扰杂波的最低频率；

14、微处理器内部集成有模数转换器，模数转换器用于将滤波处理后的电信号转换为数字电压信号；

15、微处理器配置为在内部配置的存储介质中开辟一段连续的存储空间作为滑动窗口并采用先进先出的数据队列结构管理采样数据；

16、微处理器配置为将最新的数字电压信号压入数据队列尾部并移除数据队列头部最旧的数字电压信号，对滑动窗口内的所有数字电压信号进行算术平均运算生成滤波后的数字电压信号。

17、微处理器配置为基于滤波后的数字电压信号，减去微处理器的存储介质内部固化保存的系统电路的初始偏置电压，并将相减所得的差值除以涡流传感器的标定灵敏度系数k，计算得到涡流传感器探头端面与靶片之间的实时物理间隙的数值；

18、微处理器被配置为执行基于双重判据与早期预警的判定逻辑，判定逻辑包括弹簧性能劣化的低级预警；

19、微处理器配置为通过通信接口接收来自dcs单元的关于汽轮机进汽调门的当前开度反馈信号，并将当前开度反馈信号换算为对应的理论工作位移；

20、微处理器配置为将涡流传感器探头端面与靶片之间的实时物理间隙减去理论工作位移，再与预先固化在存储介质中的涡流传感器探头端面与靶片之间的初始物理间隙进行作差运算获取绝对差值；

21、当绝对差值大于或者等于预先保存在存储介质中的低级劣化阈值的状态持续存在的时间长度达到或者超过预先保存在存储介质中的确认时间阈值时，微处理器生成低级预警信号。

22、双重判据包含第一判据，其中第一判据为基于位移变化率的突变判据；

23、微处理器配置为提取当前采样时刻计算得到的涡流传感器探头端面与靶片之间的实时物理间隙，并调取存储在缓存队列中的间隔多个采样周期的历史时刻的涡流传感器探头端面与靶片之间的实时物理间隙，计算这两个相隔多个周期的实时物理间隙的差值，并将差值除以对应的时间间隔长度，从而计算得到靶片的实时位移变化率；

24、当计算得到的实时位移变化率的绝对值大于或者等于预先保存在存储介质中的位移突变阈值时，判定第一判据成立；

25、位移突变阈值的数值设定为大于汽轮机进汽调门的液压伺服系统在紧急关闭工况下的最大机械动作速度。

26、双重判据包含第二判据，第二判据为基于阶跃位移的稳态判据；

27、在第一判据成立后，微处理器配置为启动一个预先保存在存储介质中的评估时间窗口，在评估时间窗口的计时期间，微处理器持续将采集到的实时物理间隙存入缓存，但不进行断裂逻辑判定；

28、微处理器配置为当评估时间窗口结束时，提取评估时间窗口之后的一段连续的实时物理间隙的采样数据，计算一段连续采样数据的算术平均值，将算术平均值作为断裂后的稳态物理间隙；

29、计算断裂后的稳态物理间隙与第一判据触发前的历史物理间隙之间的绝对差值，获取断裂事件前后的阶跃位移量；

30、当阶跃位移量大于或者等于预先保存在存储介质中的断裂阶跃阈值时，判定第二判据成立。

31、传输单元包含屏蔽电缆与控制电缆；屏蔽电缆连接感应单元与处理单元，用于传输电信号；

32、屏蔽电缆的外侧套设有防护套管，防护套管采用柔性金属波纹管或者包裹玻璃纤维的硅胶套管；

33、屏蔽电缆的内部绝缘层使用聚四氟乙烯材料加工制成，外部设置有金属编织屏蔽层，金属编织屏蔽层在处理单元所在的一端与内部接地端子连接以采用单端接地布线方式；

34、控制电缆连接处理单元与dcs单元，用于传输开关量报警信号。

35、处理单元内部设置有继电器模块，开关量报警信号由继电器模块闭合的机械触点作为无源的干接点信号输出；

36、dcs单元包含数字输入模块，数字输入模块内部配置有直流查询电源，直流查询电源输出直流电压，并将直流电压施加在由控制电缆与继电器模块机械触点构成的物理回路上；

37、干接点输出配置为常闭触点，使得在汽轮机进汽调门副弹簧正常运行期间继电器模块的机械触点处于闭合状态，以及当处理单元判定发生弹簧断裂并驱动继电器模块动作时机械触点断开，使得物理回路断路，数字输入模块内部的光电耦合电路配置为在检测到回路电流消失时，将检测到的回路电流消失状态转换为逻辑低电平并触发报警，或者控制电缆在运行中发生意外断线时，数字输入模块同样读取到逻辑低电平并触发报警。

38、dcs单元内设置有设备保护联动程序、dcs主控制器以及操作员站，dcs主控制器内配置有用于表征弹簧状态的布尔型软件变量；

39、dcs主控制器配置为当检测到表示弹簧断裂的逻辑低电平时，将布尔型软件变量的值由1翻转为0，并在操作员站触发声光报警指令与画面弹窗指令；

40、设备保护联动程序配置为输出指令，闭锁伺服驱动回路针对对应的汽轮机进汽调门发出的开启方向控制指令，将对应的汽轮机进汽调门对应的电液伺服阀的开度指令输出值强制置零并封锁内部pid调节器的正向积分累加运算。

41、本发明提供了一种耐高温汽轮机调门副弹簧断裂实时监测与dcs报警系统。具备以下有益效果：

42、1、本发明的涡流传感器探头外壳设置有散热鳍片，内部电路配置包含热敏元件的温度补偿模块，通过依据温度变化量注入反向补偿电流的方式维持标定灵敏度系数恒定；配合带有细牙螺纹与角度调节关节的安装支架，能在汽轮机高温运行环境下减小温度漂移带来的测量误差，完成探头与靶片之间初始物理间隙的机械定位和锁紧。

43、2、本发明的处理单元采用基于双重判据与早期预警的判定逻辑；微处理器计算实时物理间隙与理论工作位移的绝对差值来触发低级劣化预警。在断裂判定过程中，系统结合基于位移变化率的第一判据与基于阶跃位移的第二判据进行判断；其中，位移突变阈值设定为大于液压伺服系统在紧急关闭工况下的最大机械动作速度，排除了汽轮机调门正常快关动作引起的误报警，保证了断裂判定的准确率。

44、3、本发明的报警回路采用常闭干接点输出配合dcs数字输入模块的结构；在弹簧断裂驱动继电器动作或控制电缆发生意外断线的情况下，均能使物理回路断路并触发逻辑低电平报警，防止线路断线故障造成的漏报。通过设备保护联动程序将对应的电液伺服阀开度指令强制置零并封锁积分累加运算，切断了弹簧故障状态下伺服驱动回路输出的开启控制指令。