توربین بخار هم یک دستگاه تولید توان حرارتی و هم یک ماشین چرخان با سرعت بالا است. بنابراین، علاوه بر پایش پارامترهای حرارتی مرسوم (دما، فشار و خلاء)، پارامترهای مکانیکی نیز باید برای درک شرایط عملکرد مکانیکی توربین پایش شوند. این پارامترها شامل جابجایی محوری روتور، انبساط نسبی بین روتور و سیلندر، انبساط مطلق سیلندر، ارتعاش یاتاقان، خمش روتور و سرعت توربین هستند. برخلاف اندازه‌گیری‌های مرسوم پارامترهای حرارتی، اندازه‌گیری و پایش این پارامترهای مکانیکی نیاز به تجهیزات تخصصی دارد: ابزارهای نظارتی توربین ( تی سیستم‌های SI ).

قابلیت اطمینان عملکرد توربین بخار تا حد زیادی توسط پروفیل ارتعاش واحد تعیین می‌شود. ارتعاش بیش از حد قوی نشان دهنده یک نقص جدی است. ارتعاش می‌تواند اتصالات بین اجزای داخلی را شل کند و استحکام اتصالات بین سیلندر، محفظه یاتاقان، صفحه پایه و فونداسیون را تضعیف کند که به نوبه خود ارتعاش واحد را تشدید می‌کند.

۱. اندازه‌گیری ارتعاش مطلق شفت‌های توربین بخار
از آنجایی که یاتاقان‌های توربین، نشیمنگاه یاتاقان و پایه به طور صلب به هم متصل نیستند، عوامل الاستیسیته و میرایی وجود دارند. این امر باعث می‌شود مقداری از ارتعاش شفت به یاتاقان‌ها و نشیمنگاه یاتاقان منتقل شود. بنابراین، اندازه‌گیری ارتعاش شفت نسبت به یاتاقان‌ها، به درستی منعکس کننده وضعیت ارتعاش واقعی شفت نیست. بنابراین، الزام اندازه‌گیری ارتعاش پد یاتاقان پیشنهاد شده است. ارتعاش پد همچنین به عنوان ارتعاش نشیمنگاه یاتاقان شناخته می‌شود که ارتعاش یاتاقان نیز نامیده می‌شود. این معمولاً با استفاده از یک حسگر سرعت یا شتاب از نوع تماسی که معمولاً مستقیماً به کلاهک یاتاقان متصل می‌شود، اندازه‌گیری می‌شود و گاهی اوقات ارتعاش پوسته یا ارتعاش کلاهک نیز نامیده می‌شود. ارتعاش پد معمولاً به صورت عمودی یا با زاویه ۴۵ درجه نسبت به صفحه میانی اندازه‌گیری می‌شود و اندازه‌گیری افقی کمتر رایج است.

۲. دو اصل رایج در پایش ارتعاش مطلق
۱. سنسورهای پیزوالکتریک
بخش دریافت مکانیکی یک شتاب‌سنج پیزوالکتریک از اصل دریافت مکانیکی شتاب اینرسی پیروی می‌کند، در حالی که بخش الکترومکانیکی از اثر پیزوالکتریک مستقیم یک کریستال پیزوالکتریک استفاده می‌کند. اصل این است که کریستال‌های خاص (مانند سرامیک‌های قطبی‌شده مصنوعی و کریستال‌های کوارتز پیزوالکتریک) - مواد پیزوالکتریک مختلف ضرایب پیزوالکتریک متفاوتی دارند که معمولاً در جداول عملکرد مواد پیزوالکتریک یافت می‌شوند - هنگامی که در معرض یک نیروی خارجی یا تغییر شکل خاص قرار می‌گیرند، بارهای الکتریکی را روی سطوح کریستالی یا سطوح قطبش خود تولید می‌کنند. این تبدیل انرژی مکانیکی (نیرو، تغییر شکل) به انرژی الکتریکی (بار، میدان الکتریکی) اثر پیزوالکتریک مستقیم نامیده می‌شود. تبدیل انرژی الکتریکی (میدان الکتریکی، ولتاژ) به انرژی مکانیکی (تغییر شکل، نیرو) اثر پیزوالکتریک معکوس نامیده می‌شود.

بنابراین، اثر پیزوالکتریک کریستال‌ها می‌تواند برای ایجاد حسگرهای نیرو مورد استفاده قرار گیرد. در اندازه‌گیری ارتعاش، از آنجایی که نیروی وارد بر کریستال پیزوالکتریک، نیروی اینرسی جرم اینرسی است، بار تولید شده متناسب با بزرگی شتاب است. بنابراین، حسگرهای پیزوالکتریک، حسگرهای شتاب هستند.

۲. سنسورهای سرعت
حسگرهای الکتریکی اینرسی از یک قسمت ثابت، یک قسمت متحرک و یک فنر نگهدارنده تشکیل شده‌اند. برای اینکه حسگر به عنوان یک حسگر جابجایی عمل کند، جرم قسمت متحرک آن باید به اندازه کافی بزرگ باشد، در حالی که سختی فنر نگهدارنده باید به اندازه کافی کوچک باشد، به این معنی که حسگر فرکانس طبیعی به اندازه کافی پایینی داشته باشد.

طبق قانون القای الکترومغناطیسی، نیروی محرکه القایی برابر است با: u = B × L × v × sinA
که در آن B چگالی شار مغناطیسی، L طول مؤثر سیم‌پیچ در میدان مغناطیسی و v × sinA سرعت نسبی سیم‌پیچ در میدان مغناطیسی است.

از نظر ساختار حسگر، یک حسگر نیروی محرکه الکتریکی اینرسی یک حسگر جابجایی است. با این حال، از آنجایی که سیگنال خروجی آن توسط القای الکترومغناطیسی تولید می‌شود، طبق قانون القای الکترومغناطیسی، هنگامی که سیم‌پیچ نسبت به میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، نیروی محرکه الکتریکی القایی متناسب با سرعتی است که سیم‌پیچ خطوط نیروی مغناطیسی را قطع می‌کند. بنابراین، سیگنال خروجی حسگر متناسب با سرعت ارتعاش اندازه‌گیری شده است، از این رو حسگر سرعت نامیده می‌شود.

۳. مقایسه و تحلیل دو VM600 سنسورهای ارتعاش وات
محصولات TSI سری VM600 شرکت Vibero-meter در حال حاضر عمدتاً در واحدهای سیکل ترکیبی، واحدهای فوق بحرانی و توربین‌های هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مقاله بر روی دو حسگر ارتعاش VM تمرکز دارد. CA202 و سی وی ۲۱۳ .

CA202 یک شتاب‌سنج پیزوالکتریک است که دارای یک عنصر اندازه‌گیری پلی‌کریستال برشی متقارن، یک محفظه داخلی عایق‌بندی شده و یک مبدل است که برای نظارت و اندازه‌گیری ارتعاشات صنعتی سنگین طراحی شده است. این شتاب‌سنج مجهز به یک کابل داخلی است که توسط یک لوله فولادی ضد زنگ انعطاف‌پذیر که به محفظه بیرونی جوش داده شده است، محافظت می‌شود.

CV213 یک حسگر سرعت مغناطیسی-الکتریکی است. عنصر حسگر این حسگر از یک سیم‌پیچ که به دور یک آهنربای دائمی حرکت می‌کند، تشکیل شده است. این مجموعه ولتاژی متناسب با سرعت ارتعاش تولید می‌کند و بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی، سیگنالی تولید می‌کند که این دستگاه‌ها را برای کاربردهای اندازه‌گیری قابل حمل مناسب می‌سازد.

شکل 1 پروب CA202 و پروب CV213

۱. مقدمه‌ای بر پارامترهای طراحی دو پروب

پروب CA202

• شتاب‌سنج پیزوالکتریک
• سیگنال شارژ با حساسیت ۱۰۰ قطعه در گرم تولید می‌کند (معمولاً استفاده می‌شود)
• نیاز به یک IPC707 پیش تقویت کننده
• نمای کلی پروب در شکل نشان داده شده است:

پروب CV213

• سنسور سرعت
• سیگنال ولتاژی با حساسیت 20 میلی ولت بر میلی متر بر ثانیه تولید می‌کند
• بدون نیاز به منبع تغذیه یا پیش تقویت کننده.
• برای نصب از گل‌میخ‌های UNF با قطر ۱/۲ اینچ تا ۲۰ اینچ استفاده می‌شود.

۲. نوع حسگر

• CA202 یک شتاب‌سنج پیزوالکتریک با حساسیت 100 pc/g است (که معمولاً استفاده می‌شود)
• CV213 یک سنسور سرعت با حساسیت 20 میلی ولت بر میلی متر بر ثانیه است.

توربین‌های بخار سیکل ترکیبی موجود و واحدهای تولید برق حرارتی فوق بحرانی، همگی از سیگنال‌های سرعت (میلی‌متر بر ثانیه) برای حفاظت استفاده می‌کنند. CA202 به یک پیش تقویت‌کننده نیاز دارد تا سیگنال شتاب را در یک سیگنال سرعت ادغام کرده و آن را به ابزار دقیق ثانویه ارسال کند. CV213 سیگنال سرعت را مستقیماً ارائه می‌دهد و نیاز به رله‌های ثانویه را از بین می‌برد.

۳. پارامترهای عملیاتی

• پاسخ فرکانسی: محدوده پاسخ فرکانسی CA202 بسیار گسترده‌تر از CV213 است.
• دما: هیچ تفاوتی بین این دو وجود ندارد.

۴. لینک اندازه‌گیری

CA202: سنسور (CA202) - پیش تقویت کننده ( IPC704 ) - ابزار ثانویه
CV213: سنسور (CV213) - کابل - ابزار دقیق ثانویه
سیگنال CA202 برای ادغام باید به IPC704 ارسال شود.
سیم کشی CA202:


سیم‌کشی CV213: هنگام پیکربندی CV213، ترمینال HI دارای ۲۷ ولت است و پروب را تغذیه می‌کند؛ + را به HI و - را به LO وصل کنید.


۵. نصب سنسور

CA202 از چهار پیچ برای محکم کردن سنسور در چهار موقعیت خود استفاده می‌کند؛

CV213 از یک گل‌میخ تکی استفاده می‌کند.

مقایسه:

• نصب سنسور: روش نصب CA202 نسبت به CV213 ایمن‌تر است. با این حال، از آنجایی که از چهار پیچ استفاده می‌کند، انبساط حرارتی ناهموار در محل نصب می‌تواند باعث ایجاد نیروی ناهموار روی چهار پیچ شود که به طور بالقوه سنسور را فشرده می‌کند، سیگنال‌هایی تولید می‌کند و بر اندازه‌گیری‌ها تأثیر می‌گذارد. بنابراین، در حین نصب، گشتاور سفت کردن مشخص شده در کاتالوگ دستگاه باید رعایت شود.
• تثبیت کابل: CA202 از سیگنال شارژ استفاده می‌کند و کابل به عنوان خازن عمل می‌کند. بنابراین، الزامات سختگیرانه‌ای در مورد انحنای کابل و فاصله تثبیت آن اعمال می‌شود تا از تاب خوردن و خمیدگی‌های شدید کابل جلوگیری شود.