西门子超超临界汽轮机跳闸条件分析

谢尉扬

(浙江浙能能源技术有限公司，杭州市，310052)

0 引言

上海汽轮机有限公司引进德国西门子公司技术，在国内生产和投运了大量1 000 MW和660 MW超超临界汽轮机组。西门子超超临界汽轮机主要技术特点有:单轴四缸四排汽;反动式机型;全周进汽+补汽阀调节;高压缸为单流向、内外缸，外缸为桶形、内缸为垂直中分结构;中压缸为双流向、内外缸、水平中分结构;2个低压缸均为双流向、三层缸体、水平中分结构;2个低压内缸及与中压缸的连接采用推拉杆方式;低压外缸与凝汽器刚性连接;落地式轴承，轴系采用单轴承N+1支承模式。这些特点决定了西门子超超临界汽轮机结构紧凑，启动应力低、胀差小、速度快，并且机组效率高、运行平稳、负荷适应能力强。

1 汽轮机故障处理

为保护超超临界汽轮机设备(包括发电机及励磁机)安全运行不受损坏，机组运行中发生故障需要停机时，一般按不同故障情况进行处理:(1)出现紧急故障，如汽轮机超速、润滑油压低、凝汽器压力高等，严重危及机组安全，汽轮机组直接跳闸;(2)发生严重设备安全故障，如汽轮机轴封或油挡冒火花、汽轮机内部有明显的金属撞击声、汽轮机发生水冲击、主蒸汽或再热蒸汽温度10 min内突降50℃、机组周围着火、主机润滑油或发电机密封油大量喷泄等，紧急手动停机;(3)发生故障或运行参数接近控制限值，还不会立即造成严重后果，如汽轮机胀差接近限值、汽水品质恶化、油质恶化、油箱液位很低、密封油油氢差压无法维持、定子线圈温差或线圈出水温差超限等，采取措施后仍无法控制，应进行故障停机。

2 汽轮机跳闸保护

西门子公司设置了大量的汽轮机直接跳闸保护，这些保护除满足有关标准要求外，还增加了大量汽轮机组常规保护中没有的内容，从而大大提高了汽轮机运行的安全性，但也增加了机组跳闸的概率，降低了机组运行的经济性。西门子公司设置的跳闸保护见表1。有些电厂根据实际情况以及对保护的理解，已经对部分保护进行了修改或删除。为便于对照，表1也列出了日立超超临界汽轮机、东芝超超临界汽轮机的跳闸保护条件，以及 IEC 60045－1:1991、JIS B8101:2003和DL/T 892—2004标准的要求［1-3］。从表1可知，第1～13项是常规保护内容，其余各项为非常规保护内容，本文将对后者分类进行讨论。

表1 超超临界汽轮机跳闸保护Tab.1 Trip protection of USC turbine

3 非常规汽轮机跳闸保护分析

3.1 汽温保护3项

汽温保护3项即为低压缸排汽温度高、高压叶片温度高(有些厂家称为“高压缸排汽温度高”)、主汽温度高。

低压缸排汽温度高是为了保护汽轮机低压叶片，防止由于鼓风引起叶片高温而损坏，是汽轮机厂家设置的常规保护，但在IEC 60045－1:1991，JIS B8101: 2003和DL/T 892—2004中未作直接跳闸要求。高压叶片温度高是防止机组甩负荷后且再热压力较高时出现的高温，保护汽轮机高压叶片以及汽缸。主汽温度高是防止温度过高引起主汽门、汽缸、叶片和转子等材料强度降低。由于温度的升高不是一个突变过程，不一定设置为自动跳闸保护。当发现温度超标后应立即采取措施，如果无法控制，可以手动紧急停机。

3.2 液位保护5项

液位保护5项即为主油箱液位高、主油箱液位低、控制油箱液位低、凝汽器水位高、发电机检漏仪液位高。

主油箱液位升高可能原因是油系统进水(如冷油器泄漏)。进水后，液位缓慢上升，导致润滑油乳化，从而降低润滑油的粘度，造成轴承润滑油油膜厚度减薄甚至破坏，可能会使轴承金属温度上升甚至烧瓦。由于液位上升有一个过程，润滑油的粘度也不会突然下降，当主油箱液位升高时运行人员已经在采取措施，故主油箱液位高不必设置自动跳闸。主油箱液位升高也可能是相连的其他油系统漏油过来所致，则更不必跳闸汽轮机。

主油箱液位降低是油系统泄露造成的，如果是压力油系统泄漏(如法兰泄漏)，若泄漏量大，液位下降很快，并且现场也无法有效处理，应紧急停机。若泄漏量小，且能够处理，则无需停机。如果是非压力油系统泄漏，液位下降不会很快，有足够时间进行处理，也不必立即停机。对于主油箱液位低保护，为防止非因液位急速下降而跳闸汽轮机，可以增加一个液位下降速率判断信号。

控制油箱液位低是由于油系统泄漏或蓄能器气囊破裂引起，控制油箱液位低并不直接影响汽轮机的安全运行，当油位低到控制油泵跳闸时，由于控制油压低，汽轮机也会自动跳闸，因而可以取消该保护。

凝汽器水位信号取自热井液位，凝汽器水位高可能是热力系统回水或除盐水补充造成，这并不影响凝结水水质，而且由于凝汽器容积巨大，水位不会快速上升，这期间有充足的时间可以处理。对于汽轮机高位布置向下排汽，凝汽器布置在下方的，即使水位上升到淹没凝汽器冷却管，首先受影响的也是凝汽器背压，当背压不能维持时汽轮机也会自动跳闸。如果汽轮机低位布置轴向排汽，凝汽器也是轴向布置，为防止末叶进水，凝汽器水位高跳闸有一定的合理性。凝汽器水位高也可能是由于循环冷却水大量泄漏造成，在线水质分析仪能及时发现，可以根据相应情况采取措施，如果需要故障停机处理，手动跳闸也来得及，因而可以取消凝汽器水位高跳闸信号。

发电机检漏仪安装在发电机下方，是数个仅有几L容积的小容器，当容器中液体达到相应刻度时发出液位高信号，即使由于上部液体泄漏较快，液位快速上升到发电机定子底部，由于定子底部(包括出线端)有相当大的空间，也不致使发电机定子铁芯、线圈或转子马上损坏，运行人员有足够的时间进行故障处理，若无法处理可故障停机，因而发电机检漏仪液位高跳闸保护可以取消。

3.3 定冷水保护2项

定冷水保护2项即为定冷水流量低和定冷水温度高。

定冷水流量低的原因有调节阀故障、水泵故障、过滤器堵塞、线圈内部堵塞等，将引起定子线圈和铁芯的发热量无法及时带走，造成温度升高绝缘损坏，甚至线圈烧损，因而必须保护。但发热量与发电机负荷有直接关系，不根据温升情况直接跳闸过于保守，只要定冷水流量没有中断，都可以通过先减负荷来保证发电机安全，然后再查找原因进行处理。在IEC标准中，对由发电机或其辅助系统引起的跳闸，特别举例为定冷水失去，而不是定冷水流量低。在JIS标准中，对由发电机系统异常引起的跳闸，已经删除了定冷水失去跳闸的要求。建议修改该保护，可先根据定冷水流量或线圈温度来限制发电机负荷，而不是直接跳闸，只有在定冷水完全失去时才直接跳闸汽轮机。

定冷水温度高就跳闸汽轮机过于谨慎，线圈进口的定冷水温度高一般是由于换热器一次冷却水侧流量不足、二次侧调节阀故障或冷却器结垢等原因引起，实际上真正对发电机安全有影响的是线圈层间温度和线圈出水温度，如果遇到这种情况，即使原因不清、无法及时处理也可以先通过减负荷来保证安全运行，不需要直接跳闸。

3.4 风温保护2项

风温保护2项即为氢冷器出口氢温高和励磁机热风温度高。

气侧温度高可能是由于冷却器的冷却水流量不足、内部积气、内部结垢等原因引起，这些原因不会引起气侧温度突升，运行人员有足够时间进行处理，在无法及时处理时也可以先减负荷来保证机组安全运行，不需要直接跳闸。

3.5 控制油压力高保护

控制油压力高保护信号出现的可能原因包括油泵故障、泄压阀故障或压力测量回路故障，应先检查原因，或者切换油泵运行，不需要直接跳闸。

3.6 润滑油及控制油紧急停运按钮动作

当发现油系统泄漏或火灾事故或油箱液位低时才动作，至于油系统泄漏及油箱液位低，应根据具体情况判断是否需要动作该按钮。润滑油紧急停运按钮动作后主油泵停运，直流润滑油泵自动启动，控制油紧急停运按钮动作后控制油泵停运，不管哪个按钮动作，汽轮机必须跳闸。

4 结语

汽轮机跳闸保护设置的目的是为了保证汽轮机的安全运行，过多的保护虽然提高了机组运行的安全性，但也会增加汽轮机组跳闸的次数，降低机组运行的经济性。当故障发生时，如果来不及处理就要影响机组的安全性，则必须直接跳闸汽轮机。由于故障发生前已经有报警信号，如果运行人员采取措施后能够控制故障状态，并能保证机组安全运行的，则可以不用直接跳闸汽轮机。除常规的汽轮机跳闸保护外，西门子公司设置的许多非常规汽轮机跳闸保护可以取消或进行优化。运行人员加强运行监护，提高故障处理能力，可以保证汽轮发电机组的安全运行。

［1］IEC 60045－1—1991 Steam turbines part 1:specifications［S］.Geneva，Switzerland:IEC，1991.

［2］JIS B8101—2003蒸気タ－（Ⅳ）ン一般仕様［S］.東京:日本規格協会，2003.

［3］DL/T 892—2004电站汽轮机技术条件［S］.北京:中国电力出版社，2005.

［4］GB/T 5578—2007固定式发电用汽轮机规范［S］.北京:中国电力出版社，2007.

［5］DL/T 332.2—2010塔式炉超临界机组运行导则第2部分:汽轮机运行导则［S］.北京:中国电力出版社，2011.

［6］1000 MW超超临界中间再热凝汽式蒸汽轮机说明书［R］.上海:上海汽轮机厂，2008.

［7］N 1000—25.0/600/600型汽轮机运行说明书［R］.四川德阳:东方汽轮机厂，2006.

［8］CCLN 1000—25/600/600型汽轮机运行说明书［R］.哈尔滨:哈尔滨汽轮机厂，2010.

［9］DL 5000—2000火力发电厂设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2001.

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［11］华洪.西门子1 000 MW超超临界汽轮机的技术特点［J］.上海电力，2005，18(4):408-412.