文/陶小宇 魏波 陳小強

0 引言

根據(jù)國家發(fā)改委等部門制定的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》，我國2020年焚燒發(fā)電規(guī)模將達到59.14萬噸，焚燒發(fā)電在國內生活垃圾無害化處理中所占比重將增至54%。2019年，我國新增中標垃圾焚燒項目139個，新增垃圾處理產(chǎn)能達14.60萬噸/日。作為焚燒發(fā)電廠的主設備，汽輪機受到垃圾焚燒爐熱量不穩(wěn)定性的影響，運行的可靠性和穩(wěn)定性受到了重大危害。焚燒發(fā)電廠多數(shù)為10MW～25MW的小型汽輪機，汽輪機保護系統(tǒng)沒有按照大型汽輪機的要求設計，供電電源不可靠，存在測點不滿足三取二的要求、測點取樣管沒有獨立設置、保護系統(tǒng)跳閘條件不全、溫度測點沒有防誤動措施等問題。為了保證焚燒發(fā)電廠汽輪機的穩(wěn)定、可靠、安全運行，本文對焚燒發(fā)電廠汽輪機保護系統(tǒng)進行優(yōu)化分析。

1 存在的問題

本文關注某垃圾焚燒發(fā)電廠，該廠有2條600噸/日的機械式爐排垃圾焚燒線和2臺12MW中溫中壓凝汽式汽輪發(fā)電機組，其汽輪機保護系統(tǒng)存在如下問題：（1）汽輪機電液控制系統(tǒng)請求保護系統(tǒng)跳閘為單點保護；（2）汽輪機軸向位移大保護方式為二取一；（3）電超速至保護系統(tǒng)跳閘為單點保護；（4）潤滑油壓力低、凝汽器真空低保護均在同一塊開關量輸入模件中；（5）汽輪機潤滑油箱沒有油位過低保護；（6）跳閘電磁閥為帶電跳機；（7）汽輪機跳發(fā)電機保護沒有設置程序逆功率保護跳發(fā)電機。

以上問題分別違背了《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》（國能安全[2014]161號）第9.4.3條款“所有重要的主、輔機保護都應采取‘三取二’的邏輯判斷方式，保護信號應遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則，確因系統(tǒng)原因測點數(shù)量不夠，應有防保護誤動措施”；第8.4.9條款“應設置主油箱油位低跳機保護，必須采用測量可靠、穩(wěn)定性好的液位測量方法，并采取三取二的方式，保護動作值應考慮機組跳閘后的惰走時間。機組運行中發(fā)生油系統(tǒng)泄漏時，應申請停機處理，避免處理不當造成大量跑油，導致燒瓦”；第8.1.6條款“機組停機時，應先將發(fā)電機有功、無功功率減至零，檢查確認有功功率到零，電能表停轉或逆轉以后，再將發(fā)電機與系統(tǒng)解列，或采用汽輪機手動打閘或鍋爐手動主燃料跳閘聯(lián)跳汽輪機，發(fā)電機逆功率保護動作解列，嚴禁帶負荷解列”的要求。

2 汽輪機保護系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 汽輪機保護系統(tǒng)跳閘條件

為了保障焚燒發(fā)電廠汽輪機的安全穩(wěn)定運行，以及事故狀態(tài)下保護系統(tǒng)可靠快速遮斷，根據(jù)不同汽輪機廠家設備要求，汽輪機保護系統(tǒng)至少應具備如下跳閘條件：（1）汽輪機電超速；（2）汽輪機電液控制系統(tǒng)跳閘；（3）汽輪機潤滑油壓力低；（4）汽輪機潤滑油箱油位過低；（5）汽輪機凝汽器真空低；（6）汽輪機軸向位移超限；（7）汽輪機軸振動超限；（8）汽輪機軸系溫度超限；（9）發(fā)電機主保護動作；（10）手動停機。同時，根據(jù)焚燒發(fā)電廠鍋爐與汽輪機的運行要求，決定是否設置鍋爐總燃料跳閘聯(lián)跳汽輪機的跳閘條件。

2.2 汽輪機保護系統(tǒng)優(yōu)化原則

焚燒發(fā)電廠汽輪機保護系統(tǒng)的設計應遵循“杜絕拒動、防止誤動”的基本配 置原則，應滿足三重冗余保護的測點信號，包括汽輪機電超速、汽輪機潤滑壓力低、汽輪機潤滑油箱油位過低、汽輪機凝汽器真空低、汽輪機軸向位移超限以及汽輪機保安油壓低。

焚燒發(fā)電廠汽輪機保護系統(tǒng)應滿足下列獨立性要求：汽輪機保護系統(tǒng)的邏輯控制器應單獨冗余設置；冗余的輸入/輸出信號應通過不同的輸入/輸出模件輸入和輸出；觸發(fā)汽輪機跳閘的保護信號的取樣管及儀表應單獨設置；機組跳閘指令不應通過通信總線傳送，應通過硬接線方式連接。

控制柜輸入/輸出模件的配置見表1，汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)模件、測點配置見表2。

表1 焚燒發(fā)電廠汽輪機控制柜輸入 / 輸出模件配置

表2 焚燒發(fā)電廠汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)模件和測點配置

2.3 汽輪機電液控制系統(tǒng)跳閘邏輯優(yōu)化

汽輪機電液控制系統(tǒng)控制焚燒發(fā)電廠汽輪機的啟動、沖轉、帶負荷運行，汽輪機電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性影響機組的安全。汽輪機電液控制系統(tǒng)跳閘邏輯應包含以下條件：（1）汽輪機轉速信號故障；（2）汽輪機超速；（3）汽輪機保安油壓力低；（4）汽輪機電液控制系統(tǒng)故障；（5）汽輪機保護系統(tǒng)跳閘；（6）手動停機。

汽輪機電液控制系統(tǒng)跳閘信號通過三個開關量輸出模塊，輸出三個信號至汽輪機保護系統(tǒng)的三個開關量輸入模塊，在汽輪機保護系統(tǒng)內三取二跳閘。為了實現(xiàn)汽輪機電液控制系統(tǒng)失電跳閘功能，汽輪機電液控制系統(tǒng)三個跳閘輸出信號應取輸出繼電器的常閉點。

2.4 汽輪機振動保護邏輯優(yōu)化

焚燒發(fā)電廠汽輪機前后軸水平方向和垂直方向共四個振動測點，汽輪機各軸承振動信號從汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)輸出模擬量信號至分散控制系統(tǒng)，在分散控制系統(tǒng)中進行汽輪機振動保護邏輯組態(tài)。為防止振動保護誤動，應設置品質判斷和限制判斷，并輸出品質壞點報警和振動報警信號（見圖1）。

圖1 焚燒發(fā)電廠汽輪機振動保護邏輯優(yōu)化

汽輪機振動保護邏輯優(yōu)化如下：（1）同一軸承水平方向和垂直方向測點品質均為壞點時，延時1秒觸發(fā)振動保護動作跳閘汽輪機；（2）以前軸水平方向振動保護動作為例，前軸垂直方向振動報警或前軸垂直方向振動品質壞點報警或后軸水平振動報警或后軸垂直方向振動報警任一信號觸發(fā)，與前軸水平方向振動危險動作，延時1秒后觸發(fā)振動保護動作跳閘汽輪機。

2.5 溫度保護邏輯優(yōu)化

為防止溫度保護誤動，應設置溫度測點品質判斷和溫度變化速率判斷。變化速率應具有方向性判斷，即只有當溫度上升速率超過設定值時才能自動閉鎖保護輸出指令。變化速率超限后，應有報警顯示，閉鎖狀態(tài)應具有自保持功能，應設置人工手動恢復（見圖2）。運行人員發(fā)現(xiàn)溫度品質壞點報警或速率超限報警后，通知維護人員處理，隨后進行手動復位溫度測點閉鎖，以防止因誤恢復而導致保護誤動。其中，溫度信號變化速率宜在5℃/s～10℃/s 之間選擇。

圖2 焚燒發(fā)電廠汽輪機溫度保護邏輯優(yōu)化

汽輪機軸系溫度保護和汽輪機振動保護在分散控制系統(tǒng)組成溫度振動保護跳閘信號，通過三個開關量輸出模塊，輸出三個信號至汽輪機保護系統(tǒng)的三個開關量輸入模塊，在汽輪機保護系統(tǒng)內三取二跳閘。

2.6 汽輪機保護動作聯(lián)跳發(fā)電機優(yōu)化

目前焚燒發(fā)電廠的發(fā)電機保護系統(tǒng)沒有設計程序逆功率保護，而汽輪機保護系統(tǒng)設計包括了主汽門關閉聯(lián)跳發(fā)電機保護和汽輪機保護系統(tǒng)跳閘聯(lián)跳發(fā)電機保護。在實際工程應用中，汽輪機跳閘時直接觸發(fā)發(fā)電機保護動作，發(fā)電機帶負荷解列，存在汽輪機超速的風險。

為了防止汽輪機超速的風險，發(fā)電機保護系統(tǒng)增加程序逆功率保護。汽輪機主汽門關閉信號與汽輪機保護系統(tǒng)跳閘信號并聯(lián)后輸出至發(fā)電機保護系統(tǒng)，發(fā)電機保護系統(tǒng)接收到該信號后，判斷發(fā)電機功率減到零，觸發(fā)發(fā)電機逆功率保護動作解列。

2.7 汽輪機跳閘電磁閥失電動作

焚燒發(fā)電廠汽輪機跳閘電磁閥為單路電源且其設計為帶電動作，而跳閘電磁閥的故障狀態(tài)無法監(jiān)視及單路電源失去存在拒動的風險。

為解決汽輪機保護動作后拒動的風險，跳閘電磁閥換型為失電動作跳機，并增加一路電源，兩路電源無擾切換后向跳閘電磁閥供電，提高跳閘電磁閥的電源可靠性。汽輪機保護系統(tǒng)跳閘電磁閥指令輸出繼電器的常開點與手動停機按鈕常閉點串聯(lián)，串入跳閘電磁閥的電源回路中，實現(xiàn)汽輪機保護系統(tǒng)失電跳閘的功能。此外，增加汽輪機電液控制系統(tǒng)跳閘觸發(fā)主汽調節(jié)門的功能，以增強汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性。

3 結論

焚燒發(fā)電廠汽輪機保護系統(tǒng)優(yōu)化后，杜絕了電源系統(tǒng)故障及跳閘電磁故障導致汽輪機保護拒動，防止了測量裝置故障或信號誤報導致汽輪機保護誤動，提高了汽輪機保護系統(tǒng)的可靠性。