上汽西門子機組超速保護系統分析

史琨

摘要：文章介紹了上海汽輪機廠引進的德國西門子汽輪機的超速保護系統，以及與傳統美國西屋、日本日立等汽輪機的超速保護系統的區別，對超速保護系統故障導致機組停運的現象進行分析并提出改進措施。

關鍵詞：汽輪機;超速保護;故障;

汽輪機是高速轉動的設備，轉動部件的離心力與轉速的平方成正比。當汽輪機轉速超過額定轉速的20%時，離心應力接近額定轉速下應力的1.5倍，此時轉動部件將發生松動，同時離心力將超過材料所允許的強度極限使部件損壞。為此，汽輪機均設置超速保護裝置，它能在汽輪機轉速超過額定轉速的9-11%時動作，迅速切斷汽輪機進汽停機。

近年來，隨著上海外高橋第二發電廠進口西門子汽輪機，外高橋第三發電廠、華能玉環電廠等上海汽輪機廠引進型西門子技術的汽輪機組投產，上汽西門子的超臨界、超超臨界機組在中國投產的越來越多，伴隨而來的就是它的汽輪機控制系統與傳統西屋、東芝、日立等技術的本質上的區別。同樣，在超速保護這一方面區別也是很大的。

一、傳統的汽輪機超速保護裝置

早期美國西屋、日本東芝、日立等機組超速保護的手段主要有DEH電超速、TSI超速和機械超速等。

DEH電超速是指三個轉速信號超過3300rpm經邏輯判斷后輸出軟邏輯信號至ETS邏輯，發出汽輪機停運指令;超速超過3300rpm，同時轉速卡發出超速開關量信號，送至ETS硬回路，動作相應繼電器。這兩種方式均能發出汽機停運指令信號，使得ATS電磁閥失電，快速卸去高壓安全油，汽輪機各汽閥快速關閉，汽輪機停運。

TSI超速是指另外三個轉速信號送至汽輪機監視系統（Turbine Supervisory Instruments，簡稱 TSI），當測得的數值超過設定值3300rpm時，TSI發出三組超速動作開關量送至ETS軟邏輯回路，發出汽輪機停運指令。

機械超速遮斷系統是一套飛錘式機械超速保護機構，不同于電超速，它不受電信號的影響而能夠直接遮斷汽輪機。危急遮斷器安裝在轉子的延伸端上，飛錘的重心與汽機的軸線有偏心，轉子轉動后帶動危急遮斷器轉動，飛錘因偏心而產生離心力。在額定轉速運行時，飛錘的離心力小于彈簧的預壓縮力，因此飛錘不能擊出。當機組轉速超過額定轉速的9%-11%時，飛錘產生的離心力克服彈簧的預壓縮力而擊出，擊打碰鉤，使碰鉤旋轉，帶動危急遮斷滑閥移動，打開機械超速與手動遮斷母管的泄油口，從而使隔膜閥打開，泄去高壓抗燃油的安全油AST油壓，造成所有的汽閥關閉，使機組緊急遮斷。

機械超速保護原理圖

可以看出，傳統機組在對于汽輪機超速保護中設置了多重冗余手段，以防止任一方式失效而導致汽輪機轉速飛升后打閘失敗。

二、上汽西門子超速保護裝置

上汽引進型機組的超速保護主要是依靠兩套獨立的德國Braun公司生產的E16A超速保護裝置，其細分類型有E16A323和E16A342兩種。

不論哪種型號，Braun超速保護裝置的邏輯設計基礎是失電跳閘，它接收現場來的三組轉速信號，轉速信號在braun卡件里進行分析比較，當轉速大于設定值時，保護裝置發出汽機跳閘開關量信號，立即斷開汽輪機各個汽閥上的兩個快關電磁閥的電源，汽閥在彈簧力的作用下迅速關閉，隔絕汽輪機進汽，從而遮斷汽輪機。

E16A323型超速保護裝置配置了3塊相互冗余而獨立的測速模塊E1655和一個負責監控所有測速模塊和本身工作狀態的測試模塊E1696。三個轉速通道獨立測量和顯示機組轉速，每個E1655測速模塊不僅接收本通道的轉速信號，而且還接收其他兩個通道的信號。E1696監視模塊持續第檢查三個通道的轉速值。如果某個通道的測量值與其他兩個通道有著明顯偏差，則認定該通道傳感器故障，發出報警信號。當轉速值超過設定限制時，測試模塊E1655輸出三個常閉跳閘信號，跳閘信號與外部繼電器、接觸器常開接點等串聯，組成跳閘電磁閥的電源的“三取二”硬回路。一旦轉速超過3300rpm，常閉接點斷開，電磁閥失電，汽閥關閉，汽機跳閘。

E16A323超速保護回路

E16A342型超速保護裝置，系統配置了包括3個冗余而獨立的測速模塊E1667，每個測速模塊都接收3路轉速傳感器的信號并計算出相應的轉速值;一個測試接口E1691處理跳閘信號機跳機狀態。不同的是，342型超速保護裝置沒有采用323型卡件輸出串聯外部“三取二”硬繼電器回路的配置，而是將核心的“三取二”繼電器回路集成在超速裝置內部，每個輸出的跳閘信號均是3取2判斷之后的信號。并且輸出的三個跳閘信號，只取了兩個作為冗余信號使用。跳閘信號與主跳閘繼電器串聯，一旦超速信號發出，主繼電器失電，繼電器常開接點斷開，所有汽閥上的快關電磁閥失電，汽閥迅速關閉，汽機跳閘。

E16A342超速保護回路

上汽西門子機組的超速保護系統完全依靠一對電子式保護裝置，并且任一個保護裝置動作，汽機即跳閘。它取消了TSI超速保護、機械超速保護，沒有AST電磁閥等高壓保安裝置和潤滑油的低壓保安裝置，在機頭前部沒有飛錘等裝置，潤滑油系統及EH油系統結構簡單。

三、Braun超速保護裝置的保護誤動作分析

德國BraunE16超速保護裝置具有在線自診斷功能，每隔恒定時間對測速模塊發出超速跳機、低速不跳機、強制跳機信號，以保證測速模塊正常、可靠運行。每個測速模塊單獨、分別進行自診斷，診斷期間該通道會真實發出通道跳閘信號，若檢測到任一通道故障，則不進行診斷。調研若干電廠有超速保護誤動作情況發生，動作原因為：某通道接線松動，導致該通道時好時壞，在自診斷期間，被診斷通道與故障通道同時發出跳閘信號，超速保護動作，機組跳閘。

事后改進措施，在對現場及ETS柜內接線全面檢查緊固之后，取消了Braun卡件的自診斷功能，同時為了檢驗卡件正常，在每次機組停運之后進行手動自檢。

四、結束語

上汽西門子機型的超速保護系統與傳統機組的超速保護系統差別很大，取消了TSI超速保護、機械超速保護，電超速保護的設置也有很大的不同。它的超速保護裝置E16A功能十分強大，對于新接觸該裝置的技術人員是一個較大的挑戰。

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