TSI超速監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的研究及優(yōu)化

張浩龍，張倍堯，楊明望，劉 威，于年鑫，崔 燦，周瑞志

（華能澠池?zé)犭娪邢挢?zé)任公司，河南 三門峽 472400）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組是一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，轉(zhuǎn)子承受巨大的離心力。離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)強(qiáng)度為額定轉(zhuǎn)速的115%～120%對(duì)應(yīng)的離心力而進(jìn)行設(shè)計(jì)[1,2]，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子所受離心力超過(guò)其強(qiáng)度極限，將造成葉片斷裂、動(dòng)靜碰磨、大軸彎曲、斷軸、推力瓦燒瓦、飛車等嚴(yán)重事故。因此，汽輪機(jī)超速保護(hù)裝置的可靠性是保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的堅(jiān)實(shí)保障。

汽輪機(jī)超速保護(hù)裝置一般設(shè)計(jì)有機(jī)械超速保護(hù)裝置和電超速保護(hù)裝置。其中，電超速保護(hù)裝置設(shè)計(jì)兩套，即DEH110%超速裝置和TSI110%超速保護(hù)裝置。通過(guò)調(diào)查分析，TSI超速保護(hù)系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)及運(yùn)行中其他因素的干擾，造成多起保護(hù)誤動(dòng)作事件，給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)極大的影響。如：2020年1月5日09:18:15，某電廠#1機(jī)組跳閘，跳閘首出為汽輪機(jī)超速停機(jī)。經(jīng)對(duì)汽機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線檢查發(fā)現(xiàn)，汽機(jī)轉(zhuǎn)速維持3000rpm穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)實(shí)際超速現(xiàn)象，可確定TSI系統(tǒng)超速信號(hào)為誤發(fā)，分析最終原因?yàn)楸Ｗo(hù)卡硬件故障導(dǎo)致誤發(fā)跳閘信號(hào)。某電廠超速卡件故障誤發(fā)信號(hào)造成機(jī)組跳閘，某機(jī)組超速卡件1因電磁干擾發(fā)出超速保護(hù)信號(hào)，而超速卡件2因曾經(jīng)發(fā)出保護(hù)跳機(jī)動(dòng)作而沒(méi)有及時(shí)復(fù)位，3取2機(jī)組跳閘[3]。

發(fā)電機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)安全造成很大的影響，非計(jì)劃停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組電量損失和增加機(jī)組的維護(hù)成本，另外大型機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成沖擊導(dǎo)致對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊[4-6]。因此，如何提高TSI超速保護(hù)系統(tǒng)可靠性成為發(fā)電企業(yè)需關(guān)注解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)某電廠德國(guó)Epro系列CSI6300超速保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，研究并給出避免TSI超速保護(hù)誤動(dòng)的解決方案。

1 TSI超速保護(hù)系統(tǒng)

某電廠TSI超速保護(hù)系統(tǒng)信號(hào)流程如圖1。汽輪機(jī)前箱測(cè)速齒盤處安裝3個(gè)電渦流轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒盤的齒頂和齒底經(jīng)過(guò)傳感器，傳感器將周期地改變輸出信號(hào)，即脈沖信號(hào)。超速監(jiān)視器接收到此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、顯示，進(jìn)而測(cè)得轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值＝（脈沖頻率/齒數(shù)）×60。當(dāng)任一轉(zhuǎn)速值超過(guò)設(shè)定值輸出超速保護(hù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)輸出繼電器閉合，輸出超速保護(hù)信號(hào)至DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)進(jìn)行3取2邏輯判斷，輸出超速保護(hù)動(dòng)作信號(hào)至ETS，ETS迅速動(dòng)作，關(guān)閉主汽門和調(diào)門，遮斷汽輪機(jī)，汽輪機(jī)迅速跳閘，達(dá)到汽輪機(jī)超速保護(hù)的目的。

圖1 超速保護(hù)流程圖Fig.1 Overspeed protection flow diagram

CSI6300超速保護(hù)系統(tǒng)主要由3個(gè)電渦流傳感器及配套使用的前置器、3個(gè)A6370轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)卡、3個(gè)模擬量轉(zhuǎn)接端子、1個(gè)集成背板，3根9針SUB-D連接電纜、3根25針SUB-D連接電纜、3個(gè)9針SUB-D轉(zhuǎn)換端子、3個(gè)25針SUB-D轉(zhuǎn)換端子及配套組態(tài)軟件組成[7]。

集成背板設(shè)計(jì)有3個(gè)模擬量9針傳輸接口、3個(gè)25針開關(guān)量傳輸接口、1個(gè)集成端子、1組繼電器。9針模擬量接口用于模擬量數(shù)據(jù)的傳輸，25針開關(guān)量接口用于開關(guān)量傳輸。TRIP信號(hào)和停機(jī)信號(hào)輸出至繼電器通過(guò)集成端子輸出至DCS系統(tǒng)，集成端子可輸出信號(hào)有兩個(gè)經(jīng)組態(tài)3取2邏輯判斷后的超速保護(hù)信號(hào)及3個(gè)超速監(jiān)測(cè)卡的TRIP信號(hào)。

通 過(guò)9針 傳 輸 接 口、9針SUB-D轉(zhuǎn) 換 端 子、9針SUB-D連接電纜實(shí)現(xiàn)模擬量的接收和輸出，如圖2。1/2/3/6/7端子接收電渦流傳感器測(cè)量值傳輸至監(jiān)測(cè)卡，通過(guò)組態(tài)軟件計(jì)算轉(zhuǎn)速值。4/8和5/9端子分別對(duì)應(yīng)輸出組態(tài)設(shè)置的模擬量輸出1、2，模擬量輸出可輸出轉(zhuǎn)速或加速度。

圖2 模擬量接線圖Fig.2 Analog signals connection diagram

通過(guò)25針傳輸接口、25針SUB-D轉(zhuǎn)換端子、25針SUB-D連接電纜實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的接收和輸出，如圖3。25針傳輸接口可傳輸輸入測(cè)試允許、輸入測(cè)試激活、6個(gè)開關(guān)量輸出、脈沖輸出等多個(gè)開關(guān)量信號(hào)。開關(guān)量輸出可通過(guò)組態(tài)設(shè)置輸出大于等于限值、小于等于限值、大于等于限值并保持、小于等于限值并保持、盤車、旋轉(zhuǎn)方向、傳感器錯(cuò)誤、間隙告警、激活測(cè)試值1、激活測(cè)試值2、兩設(shè)置值之間、兩設(shè)置值之外、溫度大于55℃、溫度大于65℃、保護(hù)限值、大于等于加速度限值、小于等于加速度限值、大于等于加速度限值并保持、小于等于加速度限值并保持、兩加速度限值之間等開關(guān)量信號(hào)。

圖3 開關(guān)量接線圖Fig.3 Digital signals connection diagram

2 TSI超速保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題

目前，TSI超速保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)9針轉(zhuǎn)換端子和模擬量傳輸接口接受電渦流傳感器采集信號(hào)至監(jiān)測(cè)卡，將轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值的綜合TRIP信號(hào)作為停機(jī)保護(hù)信號(hào)。通過(guò)集成背板輸出TRIP1、TRIP2、TRIP3三個(gè)超速停機(jī)保護(hù)信號(hào)至DCS系統(tǒng)3取2判斷后，進(jìn)行超速保護(hù)。

機(jī)組運(yùn)行中，超速保護(hù)系統(tǒng)多次誤發(fā)跳閘信號(hào)且轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)的現(xiàn)象，存在多個(gè)嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行的問(wèn)題，具體問(wèn)題如下：

1）TSI轉(zhuǎn)速監(jiān)視器顯示轉(zhuǎn)速不一致且存在跳變，機(jī)組啟動(dòng)期間中、低轉(zhuǎn)速尤其明顯，存在超速保護(hù)誤動(dòng)的嚴(yán)重隱患。

2）個(gè)別TSI轉(zhuǎn)速監(jiān)視器TRIP燈多次報(bào)警，誤發(fā)超速保護(hù)信號(hào)。

3）轉(zhuǎn)速監(jiān)視模塊故障、探頭故障或回路故障無(wú)報(bào)警信號(hào)輸出，無(wú)法第一時(shí)間了解設(shè)備狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障。

4）TSI轉(zhuǎn)速模擬量轉(zhuǎn)速信號(hào)只能在TSI機(jī)柜轉(zhuǎn)速監(jiān)視器處查看，無(wú)法DCS實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5）超速保護(hù)信號(hào)輸出使用為監(jiān)視器TRIP信號(hào)，TRIP信號(hào)觸發(fā)條件較多，超速保護(hù)易誤動(dòng)。

3 TSI超速保護(hù)問(wèn)題分析及解決方案

1）轉(zhuǎn)速跳變?cè)蚍治?/p>

經(jīng)檢查實(shí)際轉(zhuǎn)速跳變過(guò)程中，傳感器間隙電壓范圍－23.25V～－16.07V，監(jiān)測(cè)卡組態(tài)設(shè)置門檻電壓為－14V～－12V，間隙電壓過(guò)大。在中低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子與傳感器之間間隙更大，易造成間隙電壓超出門檻電壓范圍，引起轉(zhuǎn)速無(wú)法正常監(jiān)測(cè)。解決此問(wèn)題需按照廠家規(guī)定要求傳感器安裝間隙電壓控制在0.95mm左右，并確保傳感器端部測(cè)量線圈完全伸出支架，無(wú)金屬干擾。

2）TRIP信號(hào)觸發(fā)原因分析

TRIP信號(hào)觸發(fā)原因較多，見(jiàn)表1。傳感器間隙電壓異常、傳感器電纜損壞、支架松動(dòng)、組態(tài)設(shè)置不當(dāng)、硬件故障、監(jiān)視器超溫均可觸發(fā)TRIP信號(hào)，當(dāng)安裝調(diào)試不當(dāng)、組態(tài)錯(cuò)誤、硬件故障易誤發(fā)跳機(jī)信號(hào)。因此，可通過(guò)修改組態(tài)設(shè)置TRIP限值大于停機(jī)保護(hù)值，將TRIP信號(hào)改造為監(jiān)視器及回路故障報(bào)警信號(hào)，采用開關(guān)量轉(zhuǎn)速大于等于轉(zhuǎn)速限值輸出作為超速停機(jī)保護(hù)信號(hào)，從而解決TRIP報(bào)警導(dǎo)致超速保護(hù)信號(hào)誤發(fā)的問(wèn)題。

表1 TRIP信號(hào)觸發(fā)原因Table 1 Cause of TRIP signal

3）無(wú)監(jiān)視器及回路故障報(bào)警

通過(guò)對(duì)超速組態(tài)和通訊接口分析，可通過(guò)將原TRIP觸發(fā)限值大于轉(zhuǎn)速限值的方法，將原TRIP信號(hào)作為監(jiān)視器及回路故障報(bào)警信號(hào)。

4）DCS無(wú)法進(jìn)行監(jiān)視TSI轉(zhuǎn)速

經(jīng)對(duì)模擬量傳輸接口分析發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)組態(tài)設(shè)置輸出轉(zhuǎn)速和加速度，從9針轉(zhuǎn)換端子輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速至DCS系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視。

5）超速保護(hù)信號(hào)選用不當(dāng)

原超速保護(hù)信號(hào)選用TRIP信號(hào)，其觸發(fā)原因較多，易造成超速保護(hù)信號(hào)誤發(fā)，可通過(guò)開關(guān)量傳輸接口選用轉(zhuǎn)速大于等于轉(zhuǎn)速限值作為超速保護(hù)信號(hào)。

通過(guò)以上分析，在原有超速保護(hù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，解決超速保護(hù)系統(tǒng)不可靠的問(wèn)題。組態(tài)軟件設(shè)置模擬量輸出2為轉(zhuǎn)速輸出并設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速量程，通過(guò)4mA～20mA輸出的方式輸出模擬量轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)9針轉(zhuǎn)換端子5、9端子引入轉(zhuǎn)速至DCS系統(tǒng)。修改TRIP觸發(fā)限值大于轉(zhuǎn)速限值作為故障報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過(guò)集成背板輸出端子至DCS系統(tǒng)。修改開關(guān)量輸出組態(tài)Output4為大于轉(zhuǎn)速限值作為超速保護(hù)信號(hào)，經(jīng)25針轉(zhuǎn)換端子+24V、8輸出超速保護(hù)停機(jī)信號(hào)至DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)中，修改原超速停機(jī)保護(hù)邏輯為每個(gè)監(jiān)測(cè)卡超速停機(jī)、故障報(bào)警取非、模擬量大于轉(zhuǎn)速限值且好質(zhì)量3個(gè)信號(hào)相與后，再3取2觸發(fā)超速保護(hù)停機(jī)信號(hào)至ETS動(dòng)作汽輪機(jī)，如圖4。

圖4 超速保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化后信號(hào)流程圖Fig.4 Signal flow diagram for optimized overspeed protection system

4 優(yōu)化后試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化改造的可靠性，同時(shí)防止測(cè)量失準(zhǔn)導(dǎo)致保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)或拒動(dòng)，進(jìn)行保護(hù)及報(bào)警傳動(dòng)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)如下：

1）線路故障試驗(yàn)

分別在就地前置器處拆除轉(zhuǎn)速1、2、3的探頭側(cè)接線和電纜側(cè)接線，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)卡的TRIP信號(hào)均會(huì)觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點(diǎn)，超速保護(hù)停機(jī)信號(hào)未觸發(fā)。證明線路故障不造成保護(hù)動(dòng)作。

2）監(jiān)測(cè)卡斷電重啟試驗(yàn)

在TSI機(jī)柜處對(duì)應(yīng)超速模件處，將超速1、2、3模件分別拔出，同時(shí)拔出后在插回模件，模件拔出TRIP信號(hào)會(huì)觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點(diǎn)，插回后模件自檢完成，TRIP信號(hào)消失，模擬量恢復(fù)正常，期間超速保護(hù)信號(hào)未觸發(fā)，證明模件斷電重新啟動(dòng)不會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作。

3）電源故障試驗(yàn)

在TSI機(jī)柜處，分別拉開兩個(gè)電源模塊空開，超速1、2、3模件正常運(yùn)行。同時(shí)拉開兩個(gè)電源模塊電源空開，TRIP1、2、3信號(hào)觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點(diǎn)，超速保護(hù)停機(jī)信號(hào)未觸發(fā)，證明電源故障不會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作。

4）轉(zhuǎn)速偏差試驗(yàn)

在就地前置器處用專用信號(hào)發(fā)生器給A6370模件加轉(zhuǎn)速信號(hào)。監(jiān)視器兩兩之間加不同轉(zhuǎn)速信號(hào)，觸發(fā)TRIP信號(hào)，超速停機(jī)信號(hào)未觸發(fā)，證明超速監(jiān)測(cè)卡監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速不同不會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作。

5）超速保護(hù)試驗(yàn)

對(duì)任意兩個(gè)監(jiān)測(cè)卡同時(shí)加信號(hào)到保護(hù)值，剩余監(jiān)測(cè)卡因與另外兩個(gè)模件轉(zhuǎn)速偏差大該監(jiān)測(cè)卡觸發(fā)TRIP信號(hào)，加信號(hào)兩個(gè)監(jiān)測(cè)卡TRIP信號(hào)未觸發(fā)，超速停機(jī)信號(hào)觸發(fā)，保護(hù)邏輯動(dòng)作。對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)同時(shí)加信號(hào)到保護(hù)值，TRIP信號(hào)未觸發(fā)，超速保護(hù)停機(jī)信號(hào)觸發(fā)，保護(hù)邏輯動(dòng)作。因此可知，只有轉(zhuǎn)速達(dá)到保護(hù)定值時(shí)，超速保護(hù)才動(dòng)作。

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)際線路故障、監(jiān)測(cè)卡斷電重啟、電源切換、超速試驗(yàn)，均與上述試驗(yàn)結(jié)果一致，同時(shí)經(jīng)優(yōu)化改造后1年觀察，未發(fā)生轉(zhuǎn)速跳變、超速保護(hù)信號(hào)誤發(fā)的現(xiàn)象，充分驗(yàn)證了優(yōu)化改造后超速保護(hù)系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CSI6300超速保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，針對(duì)機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)速跳變、保護(hù)信號(hào)誤發(fā)等多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行剖析，并提出修改TRIP觸發(fā)定值變?yōu)榭盎芈穲?bào)警、模擬量轉(zhuǎn)速信號(hào)上傳DCS系統(tǒng)，超速保護(hù)信號(hào)優(yōu)化為轉(zhuǎn)速大于保護(hù)值等方法進(jìn)行優(yōu)化改造。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證改造效果，改造后未發(fā)生超速保護(hù)誤動(dòng)情況，在較小的改造成本下達(dá)到增強(qiáng)TSI超速保護(hù)系統(tǒng)可靠性的目的，為其他同類型機(jī)組提供參考。