350MW超臨界機(jī)組TSI系統(tǒng)控制回路及邏輯風(fēng)險(xiǎn)分析及優(yōu)化

劉威 張浩龍 張倍堯

【摘 要】汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）單點(diǎn)保護(hù)的不可靠以及測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理，已經(jīng)成為威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。論文分析某電廠2×350MW 熱電聯(lián)產(chǎn)工程中TSI系統(tǒng)振動(dòng)保護(hù)控制回路及邏輯存在的風(fēng)險(xiǎn)，如振動(dòng)控制單元組態(tài)不合理、振動(dòng)保護(hù)控制回路存在安全隱患以及振動(dòng)保護(hù)邏輯單點(diǎn)控制等，并通過修改設(shè)計(jì)組態(tài)、增加繼電器、修改柜內(nèi)配線和更改振動(dòng)保護(hù)邏輯來解決安全隱患，提高了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

【Abstract】The unreliability of the single-point protection of TSI system and irrationality of the design of the measurement system have become the hidden danger to the safe and stable operation of the unit. The paper analyzes the vibration protection control loop and logical risks of the TSI system in 2×350MW cogeneration project of a power plant， such as the configuration of the vibration control unit is unreasonable， the hidden danger of the vibration protection control loop and the single point control of the vibration protection logic. The hidden danger of safety is solved through modifying the design configuration， adding relays， modifying the wiring in the cabinet and changing the vibration protection logic， which can improve the safety and economy of the unit.

【關(guān)鍵詞】TSI系統(tǒng)；軸振；控制回路；風(fēng)險(xiǎn)分析；優(yōu)化

【Keywords】TSI system； axial vibration； control loop； risk analysis； optimization

【中圖分類號(hào)】TK323 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）10-0173-02

1 引言

為保證汽輪機(jī)組安全運(yùn)行和提高汽輪機(jī)的可用率，現(xiàn)代大型機(jī)組都配備了汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）。TSI系統(tǒng)主要通過監(jiān)視汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、鍵相、相對(duì)振動(dòng)（軸振）、絕對(duì)振動(dòng)（瓦振）、軸位移、相對(duì)熱膨脹（脹差）、絕對(duì)熱膨脹（缸脹）、偏心等汽輪機(jī)各項(xiàng)重要參數(shù)[1]，幫助運(yùn)行人員判斷汽輪機(jī)的運(yùn)行狀

況、檢修人員分析汽輪機(jī)可能的故障，從而避免設(shè)備損壞或防止事故擴(kuò)大，進(jìn)而提高汽輪機(jī)的安全性和可用率。

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確規(guī)定：“機(jī)組主、輔設(shè)備的保護(hù)裝置必須正常投入。各種超速保護(hù)均應(yīng)正常投入，超速保護(hù)不能可靠時(shí)，禁止機(jī)組運(yùn)行。偏心、軸位移、脹差、低油壓、和振動(dòng)保護(hù)等未正常投入禁止啟動(dòng)?！边@就對(duì)汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)提出了很高的要求。近年來TSI系統(tǒng)問題導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)情況呈上升趨勢(shì)，容易出現(xiàn)拒動(dòng)、誤動(dòng)的情況，這也引起了各個(gè)電廠的廣泛關(guān)注。

本文將通過對(duì)某電廠2×350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的TSI系統(tǒng)的控制回路分析，進(jìn)而提出合理的優(yōu)化方案，為其他電廠優(yōu)化改造提供參考。

2 概況

某電廠2×350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目TSI系統(tǒng)采用德國epro公司的MMS6000系統(tǒng)。測量信號(hào)包括：軸振、軸位移、脹差、瓦振、轉(zhuǎn)速、鍵相、偏心，跳機(jī)保護(hù)信號(hào)包括：脹差、軸位移、超速、軸振、瓦振。測量信號(hào)送入電子間TSI系統(tǒng)控制柜。DEH系統(tǒng)、ETS系統(tǒng)和TDM系統(tǒng)分別在電子間TSI系統(tǒng)控制柜取信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制保護(hù)功能。

3 TSI系統(tǒng)控制回路存在的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 大機(jī)軸振與瓦振組態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析

軸振控制單元采用MMS6110雙通道軸振動(dòng)測量模塊，監(jiān)測軸的徑向相對(duì)振動(dòng)。瓦振控制單元采用MMS6120雙通道軸振動(dòng)測量模塊，監(jiān)測軸的徑向絕對(duì)振動(dòng)。它們有三種工作模式：①雙通道模式。兩個(gè)通道相互獨(dú)立，每個(gè)通道的參數(shù)（量程范圍，傳感器類型，限值等）單獨(dú)設(shè)置。每個(gè)通道計(jì)算各自的特征值并監(jiān)測其是否超限。②Smax模式。在一個(gè)測點(diǎn)以X，Y方式測量軸振動(dòng)時(shí)，分別得到振動(dòng)幅值S1（通道1）和S2（通道2），其矢量和Sm（t）=。在一個(gè)采樣周期中，其最大值Smax作為特征值輸出。③Sppmax模式。在一個(gè)測點(diǎn)以X，Y方式測量軸振動(dòng)時(shí)，分別得到振動(dòng)幅值S1（通道1）和S2（通道2），兩個(gè)值中的最大值Sppmax作為特征值輸出。

軸振和瓦振控制單元默認(rèn)的組態(tài)方式為Smax模式，這種模式是以X、Y方向軸振或#1、#2瓦振得到兩個(gè)通道的振動(dòng)數(shù)值S1、S2，采用其矢量和作為特征值輸出，機(jī)組升降負(fù)荷引起轉(zhuǎn)子油膜振蕩使振動(dòng)數(shù)值偏大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)判斷和實(shí)際存在偏差。另外一種控制模式Sppmax，即為雙振幅模式，也可能有測量數(shù)值偏大而機(jī)組誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 大機(jī)軸振與瓦振控制回路風(fēng)險(xiǎn)分析

軸振和瓦振的控制回路原設(shè)計(jì)為X、Y向軸振及瓦振信號(hào)通過探頭采集經(jīng)前置器送入振動(dòng)卡件，通過組態(tài)運(yùn)算，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬量信號(hào)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警或危險(xiǎn)值時(shí)分別輸出開關(guān)量信號(hào)，使繼電器線圈帶電，常開接點(diǎn)閉合進(jìn)而把信號(hào)輸送至ETS系統(tǒng)作為振動(dòng)保護(hù)。

瓦振信號(hào)由安裝在軸承處的探頭測得的軸相對(duì)振動(dòng)信號(hào)和安裝在軸承上的速度（加速度）探頭測得的軸承絕對(duì)振動(dòng)信號(hào)疊加得到。

由于瓦振信號(hào)需經(jīng)過一次積分轉(zhuǎn)換成所需要的位移信號(hào)，其轉(zhuǎn)換公式為：D=1000V/3.14f

式中：D為位移，mm；V為速度，mm/s；f為頻率，Hz。

由于積分過程中，速度信號(hào)會(huì)受到與頻率有關(guān)的增益影響，低頻增益大，高頻增益小。當(dāng)速度探頭受到低頻干擾時(shí)，有可能會(huì)影響輸出信號(hào)發(fā)生突變，復(fù)合后將輸出一個(gè)較大的瓦振虛假信號(hào)，增大了保護(hù)誤動(dòng)作的概率[1]。

通過控制回路我們可以發(fā)現(xiàn)，同瓦X方向軸振、Y方向軸振、瓦振三者為“或”關(guān)系輸出信號(hào)輸出至ETS系統(tǒng)。這種保護(hù)邏輯組合將瓦振與軸振信號(hào)等同看待，沒有考慮汽輪機(jī)不同部位軸振與瓦振的不同特性，支撐剛度大時(shí)，升速過程中瓦振較小，軸振較大。支撐剛度小時(shí)，升速過程中相對(duì)軸振較小，瓦振很大。由于瓦振受外界影響較大，振動(dòng)幅值偏大，就可能造成機(jī)組誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 TSI系統(tǒng)保護(hù)邏輯風(fēng)險(xiǎn)分析

為保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作的及時(shí)性，TSI系統(tǒng)振動(dòng)保護(hù)信號(hào)采用單點(diǎn)且不加延時(shí)，且保護(hù)邏輯為X向軸振危險(xiǎn)、Y向軸振危險(xiǎn)、瓦振危險(xiǎn)三者“或”關(guān)系。但由于TSI 系統(tǒng)運(yùn)行在強(qiáng)電磁場環(huán)境，來自其內(nèi)部的異常和外部環(huán)境因素產(chǎn)生的干擾都可能引發(fā)保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作。為減少單點(diǎn)信號(hào)引起的保護(hù)誤動(dòng)，則需要增加證實(shí)信號(hào)，保護(hù)邏輯修改為二選二。假如更改為“同瓦X向軸振報(bào)警‘與Y向軸振危險(xiǎn)”這種保護(hù)邏輯，由于同瓦的X向軸振信號(hào)和Y向軸振信號(hào)都進(jìn)入同一卡件，如果TSI內(nèi)部軟件設(shè)置不當(dāng)、維護(hù)不及時(shí)或卡件故障，同樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)組誤跳閘。

4 TSI系統(tǒng)控制回路優(yōu)化

4.1 大機(jī)軸振與瓦振組態(tài)優(yōu)化

根據(jù)軸振與瓦振控制單元工作模式的分析，采用雙通道模式組態(tài)，雙通道模式為最優(yōu)工作模式。它可以監(jiān)視每個(gè)通道的特征值再通過邏輯判斷，即減少設(shè)備拒動(dòng)和誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 大機(jī)軸振與瓦振控制回路優(yōu)化

根據(jù)TSI系統(tǒng)控制回路的分析，將軸振X、Y方向振動(dòng)信號(hào)通過卡件輸出至報(bào)警繼電器和危險(xiǎn)繼電器，再通過硬接線將每個(gè)瓦的軸振報(bào)警和危險(xiǎn)輸出至DCS邏輯組態(tài)分析組合判斷，作為振動(dòng)報(bào)警和危險(xiǎn)信號(hào)。具體實(shí)際優(yōu)化方案為：取消MMS6110和MSS6120卡件之間軸振和瓦振信號(hào)之間的環(huán)線，通過增加繼電器的方法使X向軸振和Y向軸振報(bào)警及危險(xiǎn)信號(hào)分別輸出ETS系統(tǒng)再通過DCS組態(tài)邏輯判斷進(jìn)行綜合優(yōu)化。

4.3 TSI系統(tǒng)保護(hù)邏輯優(yōu)化

軸振保護(hù)邏輯回路改為“同瓦的X方向報(bào)警與同瓦的Y方振動(dòng)危險(xiǎn)信號(hào)相與后跳機(jī)”或“同瓦的Y方向報(bào)警或同瓦的X方向振動(dòng)危險(xiǎn)信號(hào)相與后跳機(jī)”，并且為防止信號(hào)誤發(fā)引起機(jī)組誤動(dòng)的問題，更改原設(shè)計(jì)“同瓦的X、Y方向軸振動(dòng)探頭經(jīng)前置器判斷后的信號(hào)分別進(jìn)入同一卡件”的設(shè)計(jì)方式為“同瓦X向軸振信號(hào)和臨瓦X向軸振信號(hào)分別進(jìn)入同一卡件，同瓦Y向軸振信號(hào)和臨瓦Y向軸振信號(hào)分別進(jìn)入同一卡件”。為保持原設(shè)計(jì)進(jìn)入ETS系統(tǒng)、TDM系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)的配線方式不變，因此保護(hù)邏輯的優(yōu)化通過更改TSI系統(tǒng)控制柜內(nèi)的配線來實(shí)現(xiàn)以上功能。

5 結(jié)論

TSI系統(tǒng)振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化為：取消瓦振危險(xiǎn)信號(hào)，通過增加繼電器把X、Y向軸振報(bào)警和危險(xiǎn)分別引出，把振動(dòng)保護(hù)邏輯修改為“同瓦的X方向報(bào)警與同瓦的Y方向振動(dòng)危險(xiǎn)信號(hào)相與后跳機(jī)”或“同瓦的Y方向報(bào)警或同瓦的X方向振動(dòng)危險(xiǎn)信號(hào)相與后跳機(jī)”。通過修改柜內(nèi)配線實(shí)現(xiàn)振動(dòng)保護(hù)信號(hào)的相對(duì)獨(dú)立性。通過對(duì)TSI系統(tǒng)控制回路的優(yōu)化改造，只是通過增加繼電器就提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】國家能源局.防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義[M].北京：中國電力出版社，2014.