350MW超臨界機組TSI系統控制回路及邏輯風險分析及優化

劉威，張浩龍，張倍堯

（華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400）

1 引言

為保證汽輪機組安全運行和提高汽輪機的可用率，現代大型機組都配備了汽輪機安全監視系統（TSI）。TSI系統主要通過監視汽輪機的轉速、鍵相、相對振動（軸振）、絕對振動（瓦振）、軸位移、相對熱膨脹（脹差）、絕對熱膨脹（缸脹）、偏心等汽輪機各項重要參數[1]，幫助運行人員判斷汽輪機的運行狀況、檢修人員分析汽輪機可能的故障，從而避免設備損壞或防止事故擴大，進而提高汽輪機的安全性和可用率。

《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中明確規定：“機組主、輔設備的保護裝置必須正常投入。各種超速保護均應正常投入，超速保護不能可靠時，禁止機組運行。偏心、軸位移、脹差、低油壓、和振動保護等未正常投入禁止啟動。”這就對汽輪機安全監視系統提出了很高的要求。近年來TSI系統問題導致機組跳機情況呈上升趨勢，容易出現拒動、誤動的情況，這也引起了各個電廠的廣泛關注。

本文將通過對某電廠2×350MW超臨界熱電聯產機組的TSI系統的控制回路分析，進而提出合理的優化方案，為其他電廠優化改造提供參考。

2 概況

某電廠2×350MW超臨界熱電聯產項目TSI系統采用德國epro公司的MMS6000系統。測量信號包括：軸振、軸位移、脹差、瓦振、轉速、鍵相、偏心，跳機保護信號包括：脹差、軸位移、超速、軸振、瓦振。測量信號送入電子間TSI系統控制柜。DEH系統、ETS系統和TDM系統分別在電子間TSI系統控制柜取信號，實現相應的控制保護功能。

3 TSI系統控制回路存在的風險

3.1 大機軸振與瓦振組態風險分析

軸振和瓦振控制單元默認的組態方式為Smax模式，這種模式是以X、Y方向軸振或#1、#2瓦振得到兩個通道的振動數值S1、S2，采用其矢量和作為特征值輸出，機組升降負荷引起轉子油膜振蕩使振動數值偏大，會導致系統判斷和實際存在偏差。另外一種控制模式Sppmax，即為雙振幅模式，也可能有測量數值偏大而機組誤動的風險。

3.2 大機軸振與瓦振控制回路風險分析

軸振和瓦振的控制回路原設計為X、Y向軸振及瓦振信號通過探頭采集經前置器送入振動卡件，通過組態運算，把電壓信號轉換為4～20mA模擬量信號，當達到報警或危險值時分別輸出開關量信號，使繼電器線圈帶電，常開接點閉合進而把信號輸送至ETS系統作為振動保護。

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

由于瓦振信號需經過一次積分轉換成所需要的位移信號，其轉換公式為：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，速度信號會受到與頻率有關的增益影響，低頻增益大，高頻增益小。當速度探頭受到低頻干擾時，有可能會影響輸出信號發生突變，復合后將輸出一個較大的瓦振虛假信號，增大了保護誤動作的概率[1]。

通過控制回路我們可以發現，同瓦X方向軸振、Y方向軸振、瓦振三者為“或”關系輸出信號輸出至ETS系統。這種保護邏輯組合將瓦振與軸振信號等同看待，沒有考慮汽輪機不同部位軸振與瓦振的不同特性，支撐剛度大時，升速過程中瓦振較小，軸振較大。支撐剛度小時，升速過程中相對軸振較小，瓦振很大。由于瓦振受外界影響較大，振動幅值偏大，就可能造成機組誤動風險。

3.3 TSI系統保護邏輯風險分析

為保護系統動作的及時性，TSI系統振動保護信號采用單點且不加延時，且保護邏輯為X向軸振危險、Y向軸振危險、瓦振危險三者“或”關系。但由于TSI系統運行在強電磁場環境，來自其內部的異常和外部環境因素產生的干擾都可能引發保護系統誤動作。為減少單點信號引起的保護誤動，則需要增加證實信號，保護邏輯修改為二選二。假如更改為“同瓦X向軸振報警‘與’Y向軸振危險”這種保護邏輯，由于同瓦的X向軸振信號和Y向軸振信號都進入同一卡件，如果TSI內部軟件設置不當、維護不及時或卡件故障，同樣會導致機組誤跳閘。

4 TSI系統控制回路優化

4.1 大機軸振與瓦振組態優化

根據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，雙通道模式為最優工作模式。它可以監視每個通道的特征值再通過邏輯判斷，即減少設備拒動和誤動風險。

4.2 大機軸振與瓦振控制回路優化

根據TSI系統控制回路的分析，將軸振X、Y方向振動信號通過卡件輸出至報警繼電器和危險繼電器，再通過硬接線將每個瓦的軸振報警和危險輸出至DCS邏輯組態分析組合判斷，作為振動報警和危險信號。具體實際優化方案為：取消MMS6110和MSS6120卡件之間軸振和瓦振信號之間的環線，通過增加繼電器的方法使X向軸振和Y向軸振報警及危險信號分別輸出ETS系統再通過DCS組態邏輯判斷進行綜合優化。

4.3 TSI系統保護邏輯優化

軸振保護邏輯回路改為“同瓦的X方向報警與同瓦的Y方振動危險信號相與后跳機”或“同瓦的Y方向報警或同瓦的X方向振動危險信號相與后跳機”，并且為防止信號誤發引起機組誤動的問題，更改原設計“同瓦的X、Y方向軸振動探頭經前置器判斷后的信號分別進入同一卡件”的設計方式為“同瓦X向軸振信號和臨瓦X向軸振信號分別進入同一卡件，同瓦Y向軸振信號和臨瓦Y向軸振信號分別進入同一卡件”。為保持原設計進入ETS系統、TDM系統和DEH系統的配線方式不變，因此保護邏輯的優化通過更改TSI系統控制柜內的配線來實現以上功能。

5 結論

TSI系統振動保護系統優化為：取消瓦振危險信號，通過增加繼電器把X、Y向軸振報警和危險分別引出，把振動保護邏輯修改為“同瓦的X方向報警與同瓦的Y方向振動危險信號相與后跳機”或“同瓦的Y方向報警或同瓦的X方向振動危險信號相與后跳機”。通過修改柜內配線實現振動保護信號的相對獨立性。通過對TSI系統控制回路的優化改造，只是通過增加繼電器就提高了機組運行的穩定性和安全性。