1 000 MW汽輪機超速保護改進分析

吳公寶, 武振清

(1. 珠海市鈺海電力有限公司， 廣東珠海 519055；2. 神華(福州)羅源灣港電有限公司， 福州 350512)

汽輪機在高溫、高壓工況條件下高速運轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)部件承受巨大的離心力。該離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其離心力將快速上升。因此，汽輪機轉(zhuǎn)速是電廠所有監(jiān)控保護系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一，汽輪機超速保護裝置及危急遮斷保護系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、合理性是保證機組安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的有效保障。汽輪機超速保護設(shè)計有機械式超速保護與電子超速保護，筆者以某1 000 MW超臨界燃煤發(fā)電機組汽輪機超速保護裝置改進為例進行了分析。

1 機械超速保護改進的必要性

該1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組汽輪機采用超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽N1000-28/600/620型汽輪機，機組配置一臺100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)汽動給水泵、100%容量高壓旁路，汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用Ovation系統(tǒng)，汽輪機跳閘保護系統(tǒng)(ETS)采用Symphony Plus系統(tǒng)，汽輪機的安全監(jiān)測系統(tǒng)(TSI)采用CIS6500系統(tǒng)。汽輪機超速保護系統(tǒng)設(shè)置2套電子超速保護，1套機械超速保護。

1.1 機械超速保護設(shè)計

機械超速及手動停機裝置包含危急遮斷器、危急遮斷器滑閥以及保安操縱裝置。機械超速保護的飛錘偏心裝在汽輪機轉(zhuǎn)軸上，并被壓縮彈簧壓在飛錘端部的定位塊上，汽輪機轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時，由于飛錘的離心力小于阻止飛錘移動的彈簧壓縮力，飛錘不能飛出；當汽輪機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的110%～112%時，飛錘的離心力克服了彈簧的約束力，飛錘飛出打擊危急遮斷器滑閥扳機，使危急遮斷器滑閥向右移動，于是保安油與排油相通，致使薄膜閥迅速打開，危急遮斷油路(AST)泄壓，所有的主汽門和調(diào)節(jié)門關(guān)閉，汽輪機緊急停機，保護了汽輪機的安全(見圖1)。

圖1 機械超速保護裝置原理圖

1.2 改進的必要性

機械超速遮斷裝置由于受復(fù)雜系統(tǒng)和油質(zhì)等因素影響，存在較嚴重的運行安全問題，如危急遮斷器飛錘卡澀不能正常出擊、危急遮斷器滑閥不能正常遠方掛閘、危急遮斷器飛錘間隙調(diào)整不當造成機組在運行中跳閘等，降低了機組穩(wěn)定運行的安全性。另外，機械超速遮斷裝置只能單一配置，任一環(huán)節(jié)故障都會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，產(chǎn)生“拒動”或“誤動”，無法做到系統(tǒng)“容錯”。而在電子超速保護裝置中，通過采用適當?shù)娜哂嗉夹g(shù)，可以實現(xiàn)不同程度的容錯，提高了系統(tǒng)的可靠性和機組的安全性，因此有必要改進汽輪機超速保護系統(tǒng)配置。

2 超速保護改進和應(yīng)用

采用全電子超速保護，不采用機械超速保護。共設(shè)置3套獨立的三冗余電子式轉(zhuǎn)速測量和超速保護裝置，其中在DEH和TSI分別設(shè)計三冗余轉(zhuǎn)速測量和超速保護裝置，通過ETS進行三取二表決后驅(qū)動AST/OPC(汽輪機超速保護)電磁閥組跳閘實現(xiàn)超速保護[2]。為保證轉(zhuǎn)速測量的獨立性，TSI和DEH的測速分別設(shè)在盤車齒輪和前箱測速齒輪。另外，設(shè)計一套獨立的三冗余超速保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)由3個獨立的轉(zhuǎn)速測量/超速保護模塊、2路獨立電源裝置以及輔助設(shè)備組成，每個模塊獨立于其他模塊進行轉(zhuǎn)速測量和超速判斷，保護輸出(見圖2)。

圖2 全電子超速保護系統(tǒng)示意圖

通過2套獨立的“兩或一與”跳閘電磁閥組(AST/OPC和超速電磁閥組)實現(xiàn)超速保護。在前箱設(shè)計一套手動打閘裝置，直接作用于保安油路(AST油路)。

2.1 DEH 110%超速

DEH系統(tǒng)的三個測速磁阻探頭(位于前箱轉(zhuǎn)子延伸軸處)測得的轉(zhuǎn)速，經(jīng)DEH三取中后做高限判斷，送出三路冗余DO去ETS[3]，跳常規(guī)AST電磁閥組的四個電磁閥，四個電磁閥在就地油路中做“兩或一與”，實現(xiàn)汽輪機超速跳機。

2.2 TSI 110%超速

TSI系統(tǒng)的三個測速渦流探頭(位于盤車齒輪處)測得的轉(zhuǎn)速，經(jīng)三塊TSI轉(zhuǎn)速卡做高限判斷，并對結(jié)果進行三取二處理，然后送出三路冗余DO去ETS[4]，跳常規(guī)AST電磁閥組的四個電磁閥，四個電磁閥在就地油路中做“兩或一與”，實現(xiàn)汽輪機超速跳機。

2.3 獨立電子超速保護

獨立電子超速保護系統(tǒng)(見圖3)共有3個模塊，每個模塊接收獨立于其他系統(tǒng)的1路轉(zhuǎn)速信號(位于1號低壓缸5號軸瓦處)，并對轉(zhuǎn)速做高限判斷，然后送出兩路繼電器輸出經(jīng)三取二表決后擴展為7路繼電器輸出，其中4路(K1～K4)切斷4個獨立跳閘電磁閥的供電回路，另外3路(K5～K7)連鎖ETS跳閘并實現(xiàn)SOE(事件順序記錄)功能。ETS設(shè)計相關(guān)試驗邏輯實現(xiàn)獨立跳閘電磁閥在線試驗。

圖3 獨立電子超速保護回路圖

轉(zhuǎn)速測量一次元件在獨立電子超速裝置中進行三取二判斷，送入ETS再次進行三取二跳機。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)性能

獨立電子超速保護系統(tǒng)能夠可靠而準確地識別超速工況并發(fā)出停機指令，確保機組的安全。整個系統(tǒng)沒有單點故障能影響系統(tǒng)的可用性。具有故障診斷和報警功能，并且實現(xiàn)在線部件維修或熱替換等特點，控制周期小于20 ms，轉(zhuǎn)速測量為1～30 000 r/min，測量精度低于1 r/min。除具有主要的超速保護功能外，還具有如下性能：

(1) 獨立電超速保護電子硬件獨立于DEH、ETS及TSI，是一個以三冗余超速保護控制器為核心的完全獨立系統(tǒng)，控制周期可小于20 ms, 任何模塊故障不停機，具有在線熱替換功能。

(2) 獨立超速保護共有三個模塊，每個模塊都接收獨立于其他系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速信號并做高限判斷，輸出各自超速信號。

(3) 3個超速信號進行三取二表決，經(jīng)擴展繼電器驅(qū)動“兩或一與”電磁閥組，同時經(jīng)擴展繼電器輸出至ETS控制常規(guī)AST電磁閥組，獨立超速保護裝置采用雙電源冗余供電。

(4) 獨立電超速系統(tǒng)可進行電磁閥做在線試驗，通過壓力開關(guān)的反饋判斷所試驗的電磁閥是否動作。

2.5 技術(shù)對比

從測量、執(zhí)行、維護等環(huán)節(jié)進行技術(shù)對比，獨立電超速保護具有三重冗余、在線試驗、精確度高、調(diào)整方便、多級容錯等諸多優(yōu)點，系統(tǒng)安全性和可靠性更高(見表1)。

表1 獨立電超速與機械超速技術(shù)對比

3 安全性和可靠性分析

優(yōu)化的汽輪機超速保護系統(tǒng)增加了一套獨立的電子超速保護系統(tǒng)，總共有3套電子超速檢測裝置和2套危急遮斷保護裝置，提高了系統(tǒng)的可靠性。汽輪機危急遮斷保護電磁閥組件集中設(shè)計、布置，增加的一套AST電磁閥采用“兩或一與”設(shè)計方式，與原AST電磁閥組共同構(gòu)成了危急遮斷回路，任意一組電磁閥組動作，機組都將跳閘，能夠有效防止誤動，提升了機組的安全性。

3.1 SIL3級三冗余控制器

獨立電超速保護裝置采用經(jīng)過TUV認證的滿足IEC 61508 要求的SIL3級安全相關(guān)系統(tǒng)，選用伍德沃德Protech GII三冗余控制器，具有轉(zhuǎn)速升速率保護、停機首出原因指示及記錄等功能，具有超速預(yù)測邏輯，系統(tǒng)安全性和可靠性更高。

3.2 AST電磁閥組獨立供電

1號～4號AST電磁閥組與5號～8號AST電磁閥組工作電源分別獨立供電，確保AST電磁閥組動作準確、可靠、安全。獨立電超速保護系統(tǒng)設(shè)置兩路110 V電源，一路用于AST 5號和7號電磁閥跳閘回路，另一路用于AST 6號和8號電磁閥跳閘回路，4個電磁閥采用“兩或一與”保護方式，電磁閥跳閘回路采用失電動作跳機方式，系統(tǒng)可靠性更高。

3.3 獨立的跳機繼電器

每個AST電磁閥設(shè)置獨立的跳機信號輸出繼電器，繼電器線圈電壓和觸點容量與電磁閥電源匹配。超速跳機繼電器采用內(nèi)部冗余24 V(DC)電源驅(qū)動(見圖4)。

圖4 供電回路圖

采用基于計算機電子技術(shù)的電子超速保護代替機械超速保護后，當發(fā)生電磁炸彈襲擊等不可抗拒的災(zāi)害而造成電子設(shè)備故障時，為保證電超速保護動作安全、準確、可靠，電子超速保護裝置轉(zhuǎn)速控制模件在220 V(AC)電源均失去時，超速保護系統(tǒng)不發(fā)出跳機指令，超速跳機繼電器保持當前狀態(tài)，并且電超速保護系統(tǒng)就地AST(1號～8號)電磁閥跳閘回路均采用失電動作跳機方式，確保發(fā)生電源全部消失等極端惡劣工況時，AST電磁閥動作， EH油回油管路接通，汽輪機主汽門、調(diào)節(jié)門關(guān)閉，汽輪機安全停止運行。

4 結(jié)語

1 000 MW汽輪機超速保護及危急遮斷保護系統(tǒng)優(yōu)化改進后，采用了全電超速保護，取消前軸承箱內(nèi)危急遮斷裝置及飛錘，取消隔離、噴油、復(fù)位3個電磁閥及相應(yīng)管道,取消隔膜閥及隔膜閥前后管道，使前軸承箱系統(tǒng)簡單，且無需進行在線噴油及超速試驗，避免了因試驗不當而導(dǎo)致機組跳閘的危險性，簡化了超速試驗程序和系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的運行效率和機組安全性。通過增加一套轉(zhuǎn)速測量保護裝置和獨立于OPC/AST電磁閥組的電超速電磁閥組，配置設(shè)備性能優(yōu)良的經(jīng)過TUV認證的三冗余控制器，設(shè)計可靠的電源供電回路，能夠可靠、準確地識別超速工況并發(fā)出停機指令的功能，比機械液壓超速保護系統(tǒng)有更高的超速跳閘識別準確性、功能完整性和設(shè)計可靠性，提高了機組的安全性，可為同類型汽輪機超速保護的優(yōu)化改進提供參考。

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