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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速110%，則通過指令將主汽門和調(diào)節(jié)汽門關(guān)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(guān)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(guān)鍵參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控，具體包括汽輪機轉(zhuǎn)速、潤滑油壓、轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(nèi)的故障率。通過對圖中內(nèi)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(chǎn)工藝以及質(zhì)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(nèi)部元器件逐漸老化，故障率出現(xiàn)明顯的增長。基于此，在設(shè)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(shè)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(yīng)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(jié)合某電廠汽輪機組的運行情況來看，針對超速問題設(shè)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(gòu)成。在理想的狀態(tài)下，一旦汽輪機在運行中的工作轉(zhuǎn)速超過限值，則機械超速上設(shè)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(diào)速汽門的關(guān)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(zhuǎn)子再出現(xiàn)其他的熱應(yīng)力，同時也不應(yīng)在轉(zhuǎn)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(yīng)控制在2分鐘之中。此外，超速試驗會對汽輪機的葉片產(chǎn)生一定的損傷。結(jié)合我國電廠的生產(chǎn)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(guān)的裝置設(shè)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(shè)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(zhuǎn)速探頭。將轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)獨立電超速保護試驗的相關(guān)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(zhuǎn)速信號進行接收并作出判斷。汽輪機轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)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(nèi)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(shè)置過高，容易導致主汽閥關(guān)閉，形成誤跳機。因此應(yīng)在確保系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上，將最低壓力值設(shè)定為跳機值[3]。

3 結(jié)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。