提高機組超速保護裝置可靠性分析研究

郭 勇，張海衛，楊詩茹，陳長和，張大壯

（浙江浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325600）

0 引言

某機組采用上海汽輪機有限公司生產的660 MW 超超臨界、中間再熱式、四缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機，ETS（汽輪機跳閘保護系統）取消了傳統的機械危機遮斷器，由2 套電子式超速保護裝置構成，該裝置接收來自DCS（分散控制系統）組態和硬回路的所有停機信號，使停機電磁閥動作，遮斷機組。

該超速保護裝置是由德國BRAUN 公司生產的E16 型三通道轉速監測系統，其組成如圖1 所示， 其中每套超速保護裝置包括3 個測速模塊（E1655）和1 個測試模塊（E1696），3 個轉速通道獨立測量顯示機組轉速。每個轉速模塊不僅接收本通道的測速信號，而且接收其它2 個通道的信號。監控模塊持續地檢查3 個通道信號的數值，如果某通道的測量值與其他2 個通道的數值有明顯偏差，則認定該通道傳感器故障，任何一個模塊故障都會發出報警信號。每套超速保護系統還包含1 個獨立的數字信號發生器，用以模擬轉速信號。 在機組運行時，定期對轉速模塊進行測試，保證超速保護系統繼電器動作的可靠性。

圖1 E16 型超速保護裝置的組成

2 套超速保護裝置控制汽輪機進汽閥門油動機上的快關電磁閥的電源供應。當該裝置接收到發電機保護、鍋爐保護MFT（主燃料跳閘）、緊急停機按鈕及汽輪機保護等外部信號及超速保護內部信號時，2 套裝置同時對輸入信號進行三取二判定，當其中任意一套裝置動作，所有油動機的快關電磁閥將失電，閥門在關閉彈簧的作用下快速關閉，使汽輪機組停機，危急遮斷系統原理如圖2 所示。

本文通過對案例機組因超速保護裝置故障引起的非計劃停運事件進行分析和故障檢查，介紹多種高效試驗方法及可靠的優化方案。

1 超速保護裝置控制原理

1.1 超速保護裝置的控制邏輯

由邏輯觸發跳閘的信號有軸向位移大、軸承絕對振動高、停機電磁閥故障等13 項，最終動作信號通過DO（數字量輸出）卡控制油動機快關電磁閥。當這些信號超過預設的報警值時，發出報警。當參數繼續變化超過遮斷值時，發出遮斷信號，動作停機電磁閥，遮斷機組，如圖3 所示。

由圖4 可以看出，1 號主汽門和1 號主調閥的4 個跳閘電磁閥中任一個故障且2 號主汽門和2 號主調閥的4 個跳閘電磁閥中任一個故障，即每個電磁閥的2 路指令跟2 路反饋都不一致，系統保護停機。

1.2 超速保護裝置的硬件回路

1.2.1 繼電器硬回路

圖5 所示為ETS 系統硬件布置和超速保護裝置硬回路原理，由圖5 可以看出：轉速模塊發出的動作信號通過繼電器回路，進行硬件的三取二邏輯處理。2 套處理系統串聯到快關電磁閥電源供給回路，能夠直接切斷電磁閥的電源，快速停機。這是硬回路停機的一種方式。

1.2.2 控制室內停機按鈕硬回路

同時，控制室內停機按鈕是ETS 的第二種硬回路停機方式，采用雙按鈕形式，每個按鈕有4副NC（常閉）和1 副NO（常開）觸點。 其中3 副NC 觸點進入DCS 控制器，三取二后停機。還有1路信號接到電磁閥供電回路，直接動作電磁閥，其原理如圖6 所示。

圖2 危急遮斷系統原理

從上述超速保護裝置控制軟邏輯及硬回路原理的分析中可以得出：該套ETS 最終是由E16型超速保護裝置和集控室按鈕2 種方式觸發硬回路電源使得快關磁閥失電，油動機快速泄油，進而達到停機目的。邏輯組態中觸發的停機則是通過超速系統中外部信號的形式得以實現。

2 超速保護裝置異常動作事件經過

2016 年4 月11 日19：25：08，某發電廠8 號機組運行在AGC（自動發電控制）方式下，負荷369 MW，機組跳閘，首出超速保護動作，隨后機組MFT。跳閘后超速保護裝置無異常報警，轉速都為141 r/min。隨后機組盤車時超速保護裝置第1套轉速保護裝置的A 測速模塊報傳感器故障（代碼：SE-40），測試模塊報故障（代碼C0-E1）A 通道不能工作。從SOE（歷史事件記錄）可查：19：25：05 超速保護裝置開始自檢，19：25：08 巡檢到第2路轉速卡時，第1 路轉速傳感器故障信號發出，觸發超速保護三取二信號動作，機組跳閘。跳閘歷史曲線記錄如圖7 所示。

圖3 汽輪機跳閘邏輯

圖4 跳閘電磁閥故障邏輯

圖5 超速保護系統硬回路

圖6 控制室停機按鈕原理

3 原因檢查

3.1 現場設備位置檢查

對現場轉速探頭、中間接線盒的安裝位置、溫度、振動、外觀進行檢查，檢查情況如表1 及圖8 所示。 現場檢查發現：轉速探頭冷卻風風壓、風向、風量正常，探頭溫度正常，中間接線盒現場安裝位置不合理，內電纜雜亂無序，接線盒進線孔只有一個小孔，電纜難以抽拉，在故障排查和更換單獨轉速探頭線纜時容易誤碰，部分電纜標牌丟失，安裝工藝不規范。同時發現第一路轉速傳感器的中間接線盒處有1 根信號線松動，2 號端子下接線松。轉速表顯示轉速有向下的波動，緊固接線后恢復正常。

圖7 機組跳閘歷史曲線記錄

表1 轉速探頭布置及溫度

圖8 中間接線盒位置及內部

3.2 超速保護裝置直流電源性能檢查

通過查看設備說明書以及現場設備銘牌可知， 系統采用Weidmuller 型雙電源冗余供電方案，額定功率為960 kW，通過計算得出系統實際最大可能功率為150 kW，遠小于系統額定功率，8 號機組電子室內溫度、濕度符合電源要求，使用KH300AG 多功能記錄儀對系統電壓持續檢測，通過連續的檢測數據可知，運行時電源電壓在24 V±0.5 V，系統動作時電源電壓穩定無波動。

3.3 聯鎖保護邏輯檢查

檢查ETS 中跳閘條件及組態實現方法并與控制說明核對，同時詢問運行和設備部門相關技術人員，并通過聯鎖試驗檢查實際動作情況。檢查結果為：聯鎖邏輯合理，系統動作準確可靠，符合要求。

3.4 接觸器性能檢查

對ETS 系統硬回路中6 個接觸器進行外觀檢查，發現接觸器外表無破損、無燒焦，觸點無銹跡，可初步斷定接觸器外觀完好。同時，對接觸器進行了可靠性動作試驗，通過仿真使其反復超速動作100 次，動作正確率為100%。

3.5 E16 型超速保護系統性檢查

對裝置進行測速準確性、保護動作快速性測試，測試結果為：測速動作值偏差小于1 r/min；超速保護動作的反應時間約為20 ms（含測試用繼電器的動作時間），以上事實說明，E16 型電子超速保護裝置的各種功能和性能指標完全滿足汽輪機超速保護系統的要求，測試原理如圖9 所示。

圖9 裝置快速性測量原理

3.6 報警、監視功能檢查

通過查看ETS 系統的異動報告及現場試驗發現：在某次因超速系統故障而導致機組停機前一段時間，轉速的歷史曲線已出現大幅度波動并間斷出現異常值，但沒有觸發聲光報警，錯失處理故障最佳時機。同時發現，ETS 系統的2 套超速保護裝置現場轉速探頭共有7 個（6 用1 備），但DCS 側能夠監視的只有其中1 套的3 個轉速信號，若因無法監視的轉速裝置故障而引起機組誤動，將對事件分析造成極大困難。

3.7 E16 型超速保護裝置參數檢查

事件發生時超速保護裝置BRAUN 卡參數設置如下：

（1）P02.01=0（測試模塊E1696 設置成當發現有通道故障時取消自動巡檢功能）。

（2）P02.02=702（自動巡檢的周期702 min）。

（3）P02.03=0（巡檢方式整定為“自動巡檢”方式，同時操作E1696 面板上的“Δ”和”P”鍵也可以啟動“自動巡檢”功能）。

（4）P02.04=1（傳感器出現故障輸出跳機保護信號）。

通過上述分析可知，機組跳閘前，1 號轉速上下大幅波動，且1 號超速保護通道1 未跳閘頻繁出0，1 號超速保護傳感器1 無故障頻繁出0。在第1 套E16 型超速保護裝置自檢到轉速2 測試模件時，1 號超速保護通道2 未跳閘出0，同時故障的1 號轉速信號從0 向上升，超速保護1動作機組跳閘。從現場設備檢查發現：1 號超速保護中的轉速1 探頭就地接線盒中1 線松動，造成轉速1 探頭信號故障不時發信號。 在第1 套E16 型超速保護裝置自檢到轉速2 測速模件時，轉速2 超速保護輸出，同時轉速1 的探頭信號故障發保護輸出，滿足超速三取二條件，導致汽機跳閘。

4 改進措施

經過上述原因分析，有針對性地采取了改進措施，并進行了實際驗證。

4.1 中間接線盒改造

更換開孔合理、抗震、端子質量好的接線盒，將原接線盒從原位置調整到至附近振動小、溫度低的位置，同時把端子排從原反饋裝置中移出，并接到新增的獨立中間接線盒中，對缺失的電纜標牌進行增補，并按照DL/T 261—2012《火力發電廠熱工自動化系統可靠性評估技術導則》中相關規程對接線工藝進行優化。

更換中間接線盒后，在機組正常運行時，使用便攜式振動儀測量接線盒外殼振動值，發現現場接線盒振動大幅度降低，由改造前的0.8 mm 降為改造后的0.15 mm。

4.2 增加轉速通道送信及聲光報警

增加第2 套超速保護的3 個轉速信號接入DCS 顯示。DCS 綜合畫面主機轉速報警，包括6個超速保護傳感器故障、保護，以及2 套保護裝置各自3 個探頭的轉速偏差，做相關試驗報警正常。增加轉速卡及其邏輯組態后，用信號發生器模擬轉速信號驗證DCS 側邏輯組態、聲光報警正常。

4.3 修改BRAUN 相關參數

根據超速保護裝置傳感器故障監測功能試驗報告、自診斷功能試驗報告，制定BRAUN 參數修改方案并進行修改。參數設置優化如下：

（1）P02.01=1；由0 改為1，當傳感器發生故障時，則停止自動巡檢。直到人工干預處理好故障，復位故障以后再手動啟動巡檢功能。

（2）P02.02=9 998；自動巡檢的周期702 min修改為9 998 min（最大值），周期設置為9 999 無效，為不巡檢。

參數修改完成后，進行了傳感器故障監測功試驗、自診斷功能試驗，轉速信號故障實時報警，頻繁報警需手動確認后才可自動巡檢，滿足設備可靠性要求。

改造后機組可靠運行，未出現其轉速信號故障、偏差大等報警，可初步判斷超速保護裝置的可靠性得到了提高。

5 結論

（1）超速保護裝置故障會導致控制系統對汽輪機轉速信號誤判，當機組運行時會導致超速保護回路誤動，機組非正常停運。通過BRAUN 卡件參數的優化和修改能夠避免此類誤動。

（2）在DCS 側完善轉速信號的監視和報警功能，當任一轉速原件損壞或信號抖動等故障現象出現時能夠及時發現，相關人員能夠及時處理，同時改善現場設備安裝環境能夠降低轉速測量回路的故障率。

（3）此次改造中對超速保護裝置測量回路故障診斷、性能檢測的試驗方法、診斷思路對同類型機組具有很好的借鑒意義。此次改造的方案、試驗方法、邏輯試驗方法、方案等已納入檔案庫，并在公司內同類型機組內推廣使用。