冗余改造技術在汽輪機熱工保護中的應用

王湛文

摘 要：汽輪機（蒸汽透平發動機）是當前火電廠發電的主要設備，隨著生產的需要，當前的汽輪機在機組容量和熱力系統等方面有了顯著提升，但更為復雜的機械結構也導致更多的設備故障問題隨之而來。為了進一步保證汽輪機工作的穩定與安全，需要在其中設置更加完善的熱工保護系統。文章介紹了基于冗余改造技術上的汽輪機熱工保護改進方法，希望能夠為廣大工業生產部門提供參考。

關鍵詞：冗余改造；汽輪機；熱工保護；應用

中圖分類號：TM311 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0183-02

Abstract： Steam turbine（steam turbine engine） is the main equipment of power generation in thermal power plant at present. Due to the need of production， the current steam turbine has been significantly improved in terms of unit capacity and thermal system， etc. However， the more complex mechanical structure also leads to more equipment failure problems. In order to further ensure the stability and safety of steam turbine work， it is necessary to set up a more perfect thermal protection system. This paper introduces the improvement method of steam turbine thermal protection based on redundant retrofit technology， hoping to provide reference for the vast industrial production departments.

Keywords： redundant retrofit； steam turbine； thermal protection； application

1 汽輪機熱工保護簡述

汽輪機的熱工保護，即在機組啟動、運行中，一旦發生意外，可以自動進行保護或聯鎖，以保證機組的安全。所以，就當前的實際情況來說，汽輪機熱工保護的主要作用在于以下兩個方面：（1）可以確保汽輪機的保護系統在機器運行時更加穩定，既能夠減少保護誤動，還能夠保證汽輪機的安全運行；（2）可以避免汽輪機因為發電機抽氣、倒流等情況而導致的汽輪機超速，防止汽輪機突發飛車事故等。汽輪機熱工保護的意義在于以下兩個方面，詳細來說：

（1）隨著生產工作的需要，較之以往的汽輪機組，當前大部分汽輪機的機組容量及熱力系統等已經有了明顯的提升，并且系統的構成也越來越復雜。為了確保汽輪機的熱經濟性能夠更為充分地發揮作用，在設計級間間隙、軸封間隙的時候，為了追求更高的熱經濟性，在這些設計的參數上回有意識地減少。同時，因為汽輪機設備在啟停和運行中的轉速較高，若此時進行的控制操作等未遵循相關的規范，那么很可能因為汽輪機停止時的巨大摩擦而造成機組的熱工破壞。因此，就這些分析來看，在汽輪機中實行熱工保護是極有必要的。

（2）對汽輪機設備進行熱工保護，有利于最大限度地保障機組在啟停和運行時的安全性。我們知道，在汽輪機工作時需要對其機械參數采取實時的監視，在實行熱工保護下，可以對汽輪機的熱工參數加以監控、分析。通過這些操作，一旦在監控中發現汽輪機的某些參數出現異常時，就能夠立即采取措施對機組采取操作，繼而有效確保機械設備的安全，防止事故的出現。

2 汽輪機熱工保護中冗余改造技術的應用

就目前來看，汽輪機熱工保護中主流的冗余改造技術分為信號發送冗余改造、回路保護冗余改造、電源保護冗余改造和執行機構冗余改造等幾種，下面我們分別對這些冗余改造技術加以說明分析。

2.1 信號發送冗余改造

對熱輪機進行信號發送冗余改造可以防止汽輪機因為超速而造成的發電機甩負荷的情況。通過信號發送的冗余改造，當發電機出現甩負荷時，可以將所有的造成發電機故障的電路設備保護信號區分為多個線路繼而送入熱工保護的回路之中。之后，熱工保護所進行的停機操作可以因其中任一信號進行觸發。這樣可以確保發電機跳閘動作能夠在最短的時間內完成，繼而完成了發電機跳閘保護信號的冗余。

2.2 回路保護冗余改造

在進行回路保護冗余改造之前，保護回路仍然是屬于單一性的主回路設計，在改造后，在保護回路主回路之外，又增加了額外的兩個輔助回路，見圖1，這兩個回路之間也是相互獨立的。這樣，實際上就形成了三個獨立的保護回路，且任意一個回路發生動作，都能夠迅速實現汽輪機的停機操作，實現回路保護的冗余。

此外，在進行輔助回路的設計時，也要按照主路的設計標準，通過具體的數字邏輯電路，使用“或”的邏輯實現輔助回路的信號控制。在線路中，一路的設計時為了確保發電機保護信號能夠同時分成兩路來進行主路及輔助回路的保護，因此該信號當由發電機直接輸入；而另一路為了驅動主路保護的所有信號，要通過主保護回路動作出口的繼電器發出指令，其工作原理見圖2。

2.3 電源保護冗余改造

進行電源的保護冗余改造，要完成主回路與輔助回路直流電源的各自獨立性。并將直流總電源分為主路、回路兩線分別送至熱工保護盤。增加的抽汽快關閥門的控制回路要使用型號為AC220V的電源，抽汽逆止閥的控制回路要使用型號為DC220V的電源，通過這樣的設計方式來實現電源的冗余。

2.4 執行機構冗余改造

在執行機構中，無論是主保護回路還是輔助保護回路，其斷路油門的電磁閥門均為獨立性設計，但是還要確保二者之間存在聯系，這樣做的目的在于當閥門發生動作時，可以確保主汽門與調速汽門的動作，確保電磁閥執行機構的冗余。此外，因為汽輪機的飛車事故大部分是因為抽汽逆止門與旋轉隔板的關閉不嚴密造成的，在掌握這一根源后，可以在汽輪機原有熱工保護的基礎上，增加供熱抽汽門保護等另外的執行機構，從而幫助汽輪機更好地應對來自外界的故障影響。

另外，在回路構成的基礎上，將主汽門的關閉和設備保護的兩種信號設定為“與”的邏輯關系，這樣能夠實現當自動主汽門關閉及保護信號同時存在的前提下，繼電器的執行機構方可開展動作。通過這些的設計，因為繼電器誤動而導致的汽輪機停機或解列抽氣等問題會得到有效地解決，大大提升汽輪機設備的運行穩定性。

3 結束語

上文我們對汽輪機熱工保護的概念、意義等做了辨析和考察，在其基礎上，對汽輪機熱工保護中冗余改造技術的應用進行了概述。我們可以了解到，汽輪機的熱工保護的意義在于提升汽輪機組的運行穩定、安全，而為了進一步提升熱工保護系統的穩定性及反應性，要及時進行冗余改造的操作。在對信號發送、回路保護、電源保護和執行機構等進行冗余改造后，經過實踐證明，汽輪機的熱工保護系統有了明顯地改善，在確保汽輪機組的穩定性方面發揮了更大的作用。

參考文獻：

[1]江天亮.基于PLC冗余控制的提升機電控系統改造方案[J].煤礦機械，2014，35（8）：177-179.

[2]Pous N， Gingras D， Gruyer D. Intelligent Vehicle Embedded Sensors Fault Detection and Isolation Using Analytical Redundancy and Nonlinear Transformations[J]. Journal of Control Science and Engineering，2017：1-10.

[3]張栓記，耿恒山，胡敏.基于PLC的汽輪機熱工保護系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2005，18（4）：62-63.

[4]Abadi S M A N R， Ahmadpour A， Abadi S M N R， et al. CFD-based shape optimization of steam turbine blade cascade in transonic two phase flows[J]. Applied Thermal Engineering， 2017，112：1575-1589.

[5]You C， He B Y， Achintha M， et al. Numerical modelling of the fatigue crack shape evolution in a shot-peened steam turbine material[J]. International Journal of Fatigue， 2017：104.

[6]詹同貴，郝永鋒.吹灰程控雙機冗余冷備改造[J].科技創新與應用，2014（09）：31.