一種汽輪機保護和脫扣系統(tǒng)的優(yōu)化與改造

湯繼星

南京汽輪電機（集團）有限責任公司 江蘇南京 210000

1 汽輪機保護和脫扣系統(tǒng)介紹

在電廠汽輪機組運行的過程中，汽輪機保護的類型主要有超速保護、甩全負荷保護以及甩部分負荷保護三種。其中甩全負荷保護動作通常應用于電力系統(tǒng)故障導致汽輪機跳閘或是電網(wǎng)解列僅帶廠用電運行的情況下維持汽輪機轉速。甩部分負荷保護動作則發(fā)生在電氣故障引起汽輪機功率突降的情況下。超速保護則是在汽輪機轉速超過額定轉速110%，則通過指令將主汽門和調節(jié)汽門關閉。

汽輪機擁有許多進氣閥門，其自動保護裝置（ETS）提供保護的具體形式就是將所有閥門關閉，即脫扣。在汽輪機組運行的過程中，自動保護裝置會對汽輪機的關鍵參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控，具體包括汽輪機轉速、潤滑油壓、轉子軸向位移、汽輪機軸振動、真空、發(fā)動機保護等，一旦某些參數(shù)超過限值，系統(tǒng)就會自動動作，將汽輪機蒸汽進氣閥門全部關閉，完成緊急停機[1]。

自動脫扣是汽輪機緊急停機的一種特殊保護方式，為了確保其作用能夠充分有效的發(fā)揮，在裝置設計的過程中一定要最大程度的降低“拒動”和“誤動”的可能性，提高ETS系統(tǒng)的可靠性。而ETS系統(tǒng)的可靠性則決定于其元器件的可靠性，系統(tǒng)元器件在壽命周期內的故障率。通過對圖中內容分析可知，ETS系統(tǒng)元器件的故障率曲線可以分為三個階段，按照時間先后分別是早期失效期、偶然故障期以及耗損故障期。第一階段中，元器件因為生產工藝以及質量因素的影響，有著很高的故障率。第二階段中，系統(tǒng)投入使用后逐漸趨于穩(wěn)定，故障多為偶然發(fā)生，隨機性較強。第三階段，系統(tǒng)經(jīng)過長期使用后，其內部元器件逐漸老化，故障率出現(xiàn)明顯的增長。基于此，在設計工作中，可以基于冗余或是容錯理念避免元器件因故障失效影響到系統(tǒng)的可靠性，以此達到降低故障率的效果。其中冗余是指同時設置多個元件，一旦某一個元器件因故障而停止工作，則可立即切換為備用元器件，避免系統(tǒng)運行中斷。容錯是指容許有錯信號的存在，其核心是“冗余+表決”，即在冗余元器件中，通過表決的方法選擇最有效可信的元件應用于系統(tǒng)中。

2 針對超速的汽輪機保護和脫扣系統(tǒng)優(yōu)化改造

2.1 改造前的情況介紹

結合某電廠汽輪機組的運行情況來看，針對超速問題設置有機械超速和手動停機裝置，由危急遮斷器、撞擊子以及保安操縱裝置等部件構成。在理想的狀態(tài)下，一旦汽輪機在運行中的工作轉速超過限值，則機械超速上設置的飛錘式撞擊子的離心力將克服壓縮彈簧的約束力，飛出擊打到危急遮斷器掛鉤，使保安油和排油形成聯(lián)通，此時隔膜閥將會隨之開啟，將高壓遮斷安全油卸掉，完成汽輪機主汽門和調速汽門的關閉。

上述機械超速保護停機裝置存在一個缺陷，即飛錘飛出并擊打危急遮斷器掛鉤這一動作定值整定的難度較高，很難做到完全精確，因此必須通過一些保護試驗對汽輪機保護和脫扣系統(tǒng)的可靠性進行驗證，如手動脫扣試驗、超速試驗等。需注意的是，超速試驗具有一定的危險性，在具體實施的過程中，要防止轉子再出現(xiàn)其他的熱應力，同時也不應在轉子的低溫催化點進行試驗。而且整個試驗的過程不宜過長，一般應控制在2分鐘之中。此外，超速試驗會對汽輪機的葉片產生一定的損傷。結合我國電廠的生產實踐來看，很多發(fā)電廠在開展超速試驗的過程中都出現(xiàn)過汽輪機損壞的情況[2]。

2.2 采取的優(yōu)化改造方案以及效果分析

針對汽輪機機械超速存在的問題，所采取的優(yōu)化改造措施如下：首先，取消機械超速相關的裝置設備，如危急遮斷器、危急遮斷器滑閥、隔膜閥，保留飛錘式撞擊子，但要使用螺絲將其擰緊固定。其次，增設一套獨立電超速裝置、一個三取二跳機模塊、一個帶指示燈的就地跳機繼電器回路、3個轉速探頭。將轉速探頭安裝在前箱部位，替換掉現(xiàn)有的手動打閘和機械超速保護系統(tǒng)。再次，保留ETS目前所擁有的各類設備、組態(tài)以及人機接口硬件，同時在操縱員站的ETS圖形接口界面上增設獨立電超速保護試驗的相關圖形按鈕。在取消機械超速保護的同時，汽輪機前箱的手動停機和試驗裝置也需要撤去，只需在該部位安裝一個停機按鈕即可實現(xiàn)就地打閘功能。新安裝的獨立電超保護裝置獨立于現(xiàn)有的ETS和DEH系統(tǒng)運行，以三冗余超速保護控制器為核心，對汽輪機的轉速信號進行接收并作出判斷。汽輪機轉速信號的獲取通過安裝在前箱部位的測速探頭來完成。一旦汽輪機出現(xiàn)超速現(xiàn)象，超速保護控制器向三取二跳機模塊發(fā)出跳機指令，泄掉EH油，觸發(fā)跳機動作。

整個改造過程是取消機械超速保護，同時增加一路電超保護，形成兩個并聯(lián)布置的跳機模塊，其中新增的三取二跳機模塊，用于實現(xiàn)獨立電超速保護跳機功能。經(jīng)過優(yōu)化改造之后，汽輪機超速試驗過程中的面臨的應力損耗風險將獲得大幅度的降低。不僅如此，改造完成后的超速試驗可以在3000rpm下完成，而且在并網(wǎng)之后不需要再開展這一試驗項目。

此外還需要關注的是EH油壓低跳機定值的優(yōu)化和改造，系統(tǒng)在進行甩負荷OPC動作的過程中，會出現(xiàn)油量短時間內大幅度增長的情況，這會導致系統(tǒng)壓力出現(xiàn)下降，若定值設置過高，容易導致主汽閥關閉，形成誤跳機。因此應在確保系統(tǒng)安全的基礎上，將最低壓力值設定為跳機值[3]。

3 結語

綜上所述，機械超速保護裝置的安裝及維護有比較高的要求，若安裝、維護不當會對汽輪機的安全運行造成重大影響。同時機械超速試驗又存在試驗繁瑣、影響機組壽命等問題。因此，對汽輪機保護和脫扣系統(tǒng)進行優(yōu)化改造可以有效的提升汽輪機組運行的安全和穩(wěn)定，為試驗開展創(chuàng)造更加優(yōu)異的條件，優(yōu)化跳機控制，促進整體經(jīng)濟效益的提升。