秦二廠汽輪機監視與保護

張 偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

隨著汽輪發電機組向大容量、高參數發展，機組的自動化程度也隨之不斷提高，各類自動化方面的新技術、新系統也在實際電力生產中得到了成功應用。汽輪機作為秦二廠常規島重要設備，是哈爾濱汽輪機廠有限責任公司以及美國的西屋公司聯合設計、合作制造的一臺新型核電汽輪機——600MW核電廠發電機組，該汽輪機是由一根單軸、四缸六排汽（1個高壓缸，3個低壓缸）、帶AB列中間汽水分離再熱器的反動級凝汽式汽輪機。該汽輪機的4個缸均是雙流式。高壓轉子、低壓轉子通過各部件之間的剛性聯軸器接成一個整體，稱為軸系，然后通過3號低壓缸機端的剛性聯軸器與發電機的轉子相聯。位于每個汽輪機的轉子上都有一對提供支撐，潤滑及冷卻的徑向軸承支承。整個軸系只有一個推力軸承，它位于高壓缸與1號低壓缸之間的軸承箱內。汽輪機工作時的旋轉方向由汽機向發電機看過去為順時針方向，正常額定工作轉速為3000rpm[1]。

秦山第二核電廠汽輪機安全監測系統（GME）采用美國本特利（Bently）公司的3500系列產品，并結合DM2000數據分析和管理系統，是監測、保護汽輪機安全運行的重要手段，在汽輪機啟動、運行、停機過程中監控的機組參數有：大軸相對振動、大軸絕對振動、軸承振動、轉速、偏心、汽缸膨脹、差脹、軸向位移。

汽輪機保護系統的作用是，當500KV電網、核反應堆、發電機變壓器組或汽輪機本身出現故障時，保護裝置根據系統實際情況，迅速動作，使汽輪機停機，或者采取一定措施進行相應的保護動作，以防止事故擴大或造成重要設備損壞。

1 汽輪機的監視與保護系統

本廠使用美國本特利（Bently）公司的3500系列產品，并結合DM2000數據分析和管理系統。這個系統由于安裝在汽輪機上的不同形式的前置器及其傳感器、3500儀表框架以及上位終端機3部分組成。當現場傳感器測得的各種信號通過輸入模塊進入3500儀表框，3500儀表框中的各種模塊對這些信號進行邏輯運算和信號轉換，送出模擬量信號和邏輯量信號，模擬量信號送到DEH等系統用于參數監視，邏輯量信號送到緊急停機系統（GSE）、DCS或光字牌報警系統（KSA），用于緊急停機保護動作或發出報警。

該系統基礎源為傳感器，其核心是3500儀表，其主要功能是：數據采集、邏輯運算、報警及控制輸出等。它還具有信號轉換功能，如將振動、位移等過程變量轉換為4mA～20mA的標準電流信號供DEH或其它系統使用。整個系統由兩路AC220V/50Hz電源供電，當其中一路電源發生故障時，將發出報警，同時自動無擾地切換到另一路電源供電[2]。

2 重要監視儀表工作原理

2.1 軸位移測量（RP）

2.1.1 軸位移測量功能

汽輪機在運行時，動靜部分必須保持一定的間隙。當某些事故發生時（如一側調門關閉導致單向進汽），會使軸向推力增加不平衡，導致推力軸承巴氏合金融化使轉子軸向竄動，則汽輪機動靜部分摩擦，引起嚴重事故。另外，諸如劇烈的載荷、溫度等的變化，也會導致軸向推力發生變化，也有可能引起動靜摩擦。因此，設置軸位移監測，用來間接監視汽輪機推力軸承磨損情況及汽輪機軸向受力情況，在軸位移增加達到限定值時，發出報警及跳機信號來保護汽輪機。

圖1 渦流感應原理圖Fig.1 Eddy current sensing schematic diagram

圖2 渦流傳感器測量原理圖Fig.2 Measurement schematic diagram of eddy current sensor

2.1.2 探測器工作原理

探測器類型：電渦流傳感器。

位移監測是用來間接監測汽輪機推力軸承磨損情況的重要監測手段，根據法拉第電磁感應原理，當將塊狀金屬導體放置于變化的交替磁場中或在交替的磁場中做切割磁力線的相對運動時，在金屬導體內將產生呈渦旋狀的電磁感應電流，這種電流叫電渦流，以上電磁感應的現象稱為電渦流效應。然而根據電渦流效應為汽輪機所配置成的傳感器則稱為電渦流式傳感器，其工作原理如圖1所示。

電渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，本廠使用的應該是高頻反射式電渦流傳感器。傳感器系統由探頭、延長線和前置器組成。從圖中可以看出，前置器中產生的高頻振蕩電流通過導線通過延伸電纜流入其端部的探頭線圈，從而在頭部的線圈中產生交替變換的磁場。當將設定的被測金屬體靠近這一交替磁場時，則將會在此金屬表面產生電磁感應電流，與此同時也產生一個方向與頭部線圈產生的方向相反的交變磁場，由于其產生的反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和其高頻電流的相位得到有效的改變（線圈的有效阻抗），這種變化與金屬導體相關的磁導率以及電導率、線圈布置的幾何形狀、根據空間幾何尺寸、電流頻率和頭部線圈到金屬導體表面之間的距離等參數直接有關。

圖3 機械式速度傳感器原理圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical speed sensor

由于汽輪機軸位移傳感器反饋回的電感電壓是有一定載波頻率的調幅信號，需經過檢波后，才能正確得到間隙隨時間變化的電壓波形。所以根據以上原理（如圖2所示）所說，為實現汽輪機電渦流原理的軸位移測量，必須有一個專用于此項工作的測量路線。該線路包括具有載波頻率的振蕩器和一個可靠性高的檢波電路等。渦流傳感器加上前置器，然后從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙D的電壓，它可分兩部分：一部分為直流電壓Vde，對應于平均間隙（或初始間隙），另一部分為交流電壓Vac，對應于振動間隙。

2.2 軸承振動（瓦振VBV）測量

2.2.1 瓦振測量的功能

大軸的振動可以傳遞至軸承蓋上，為了使汽輪發電機組在啟動、升功率以及正常功率運行中能安全可靠的運行，在汽輪發電機的每個軸承上（共11個）裝有監測軸承的絕對振動的探頭，任意一個軸承的絕對振動幅值均能準確地反映和顯示出機組的安裝及調試的優良程度，以提供主控操縱員可靠監視。軸承絕對振動監測采用靈敏的機械式速度傳感器（如圖3所示），對速度進行測量，監測器對速度信號進行電子積分，獲得的為峰值。

2.2.2 瓦振的測量原理

探測器類型：機械式速度傳感器。

用于瓦振測量的速度傳感器的工作原理猶如一個往復式永磁發電機。傳感器的工作原理是用于一個慣性質量和移動殼體，它有一個永久磁鐵固定在傳感器殼體上，在磁鐵周圍圍繞著的是一個慣性質量線圈，這個質量線圈通過彈簧與殼體相連。在進行速度測量時，將傳感器固定在被測物體上，隨著被測量物體的振動，永磁鐵的運動，使其產生交變磁場運動。而由于質量線圈被固定在彈簧上，具有相對較大的慣性質量，所以相對高頻振動的物體，其是相對靜止的。就這樣，線圈在磁場中作直線運動，線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的大小與線圈運動的線速度（軸承座的速度）成正比。通過對感應電動勢的檢測，即能獲得被測物體的線速度。對速度信號進行電子積分，獲得的為峰峰值[3]。

3 秦二廠汽輪機保護

3.1 保護概述

圖4 汽機保護分類圖Fig.4 Classification diagram of steam machine protection

汽輪機的保護包含兩個方面：一是正常啟動、運行、停運依靠良好的控制系統，本廠采用的是美國西屋DEH MOD III型控制系統。通過進入汽輪機的18個進汽閥來實現汽輪機轉速控制和功率控制，其中通過4個調門來精確控制汽機啟動時的轉速和汽機并網后的功率控制，另外通過汽機電氣超速和機械超速保護控制、汽機負荷速降（RUNBACK，100MW/min或200MW/min）等手段，使汽機能夠運行在一些非預期瞬態工況下，從而使汽輪機能夠正常地啟停控制并能安全經濟地運行于各種正常工況和瞬態工況，滿足電網的供電質量要求；另一方面，則是汽輪機危急保護系統。本廠的汽輪機保護與國內大型汽輪機所配置的保護類型、保護原理基本上很相近。它的主要功能是當汽輪機的主要參數超過限制值，及時將汽輪機停止運行，防止汽輪機損壞。

3.2 本廠汽機保護分類（如圖4所示）

3.3 保護系統的工作原理

與大多數汽輪機組一樣，汽輪機運行時主汽閥、調節閥、再熱截止閥、再熱調閥是汽輪機高、低壓缸進汽通道。汽輪機要脫扣停運，則必須讓上述閥門關閉（本廠機組共18個閥門）。閥門要關閉需泄掉EH油壓，讓AST管道泄壓即可。

汽輪機機械脫扣通過一個連接在AST母管上的油動隔膜閥（GFR042VH）來實現，該隔膜閥由GGR系統的保安油（壓力由潤滑油回路提供）控制。當保安油建立時，隔膜閥GFR042VH將保持關閉；當GGR保安油消失時，隔膜閥GFR042VH開啟將AST母管油壓卸掉。機械脫扣裝置被安裝在汽輪發電機的頭部，它通過對保安油油壓的控制來實現對隔膜閥GFR042VH的控制。

汽輪機遙控信號脫扣通過連接在AST母管上的4個AST電磁閥的開啟與關閉來實現，正常運行時AST電磁閥帶電關閉保證AST母管的油壓建立，當收到遙控信號時，使AST電磁閥失電開啟將AST母管卸壓。遙控信號包括所有汽輪機本體的自動脫扣信號和來自反應堆的保護信號以及由主控室緊急停機按鈕發出的手動脫扣信號，為了實現汽機保護系統具有穩定的安全性和可靠性，汽輪機遙控脫扣信號通道也設置了兩個獨立的保護通道。

4 汽機監視保護的應用與展望

目前國內大型機組的汽輪機監視保護儀表系統基本被美國本特利、日本新川、德國飛利浦及瑞典等國家的產品所壟斷。由于客觀因素的限制，國內用于汽輪機控制與保護的電子系統硬件水平、產品硬件質量、制造工藝水平距離發達國家還有很大差距，使得國產的TSI可靠性、穩定性相對較差。導致國內的大多數用戶對國產的TSI系統失去較大的信心，因而影響了國內TSI的發展速度。所以國內從事TSI開發的研究所、企業及相關部門轉而研究基于進口硬件的故障軟件分析系統或研究生產一些附屬產品。

不過國內的國產TSI在近10年來也有較大的發展。國內在電子技術領域由于吸收世界先進科技和自己的自力更生有了很大的進步；結合本廠的汽輪機監視保護儀表現狀，并分析研究目前比較流行的汽輪機監視保護儀表系統。個人認為目前系統的不足之處主要體現在設備可靠性、系統智能性、通信技術的有線性、監視參數局限性等。針對以上不足之處，以后TSI系統的發展方向歸納如下：

1）不斷提高設計水平、生產工藝水平、安裝水平、運行維護水平等，以不斷提升汽機監視保護系統的可靠性。

2）隨著微電腦技術及軟件技術的發展，電廠中各子系統如各種PLC子系統、基地式調節儀系統都歸納到DCS的主控系統中，所以TSI系統以后應該也會納入主系統之中。不像現在本廠的DCS、DEH、GME、PLC基調儀等各自為主。雖然也同樣存在一些數據交換，但幾個控制系統仍然相對較為獨立。相信在不久的將來會將幾大系統完全整合至一個系統，這樣本廠常規島系統則由完善的一個主腦控制，相應的控制、保護動作協調將更加優化，減少不必要的人力干預，走向智能化道路。當然這種智能主系統也必須具備冗余性、可靠性。

3）目前汽機監視保護的一個突出難點是：在核能發電廠里有大量的高速旋轉機械，除汽輪發電機主機外，還存在著大量的輔助設備，如電動給水泵、風機、馬達等旋轉機械，對這些設備的振動監測是確保這些設備安全可靠運行的重要手段，但是由于設備比較分散，處于電廠的各個位置，且數量較多，距離中控室的距離較遠。目前均采用電纜傳輸信號方式，不僅長距離有線傳輸，數據存在失真，而且電纜敷設的工作量大，成本也相當昂貴。相信在以后，等無線通信抗干擾技術得到提升后，無線技術（藍牙、WIFI等）將廣泛應用于下一代汽機監視保護產品之中。

5 結束語

其實汽輪機組的監視、控制、保護基本可以用人體功能來對比。視、聽、嗅、觸、味相當于監視；我們的大腦則相當于GME、DEH、DCS的控制樞紐；通過邏輯判斷、綜合分析發出指令去動作、協調保護肢體則相當于汽機的控制與保護。因此，最終汽輪機組的監視保護發展趨勢應該是趨向于智能一體化。

針對核電廠汽輪機監視保護系統改進方向，這樣可以降低發電廠的發電成本，提高電廠勞動生產率，提高供給電網的用電質量，為核電機組的安全穩定運行奠定可靠的基礎，也是核電機組正常運行時導出反應堆熱量用于發電的可靠保證。因此，對該系統的可靠性要求也尤其之高，必須作為以后選型及改造所考慮因素重中之重。