350MW超临界机组TSI系统控制回路及逻辑风险分析及优化

刘威 张浩龙 张倍尧

【摘 要】汽轮机安全监视系统（TSI）单点保护的不可靠以及测量系统设计的不合理，已经成为威胁机组安全稳定运行的隐患。论文分析某电厂2×350MW 热电联产工程中TSI系统振动保护控制回路及逻辑存在的风险，如振动控制单元组态不合理、振动保护控制回路存在安全隐患以及振动保护逻辑单点控制等，并通过修改设计组态、增加继电器、修改柜内配线和更改振动保护逻辑来解决安全隐患，提高了机组的安全性和经济性。

【Abstract】The unreliability of the single-point protection of TSI system and irrationality of the design of the measurement system have become the hidden danger to the safe and stable operation of the unit. The paper analyzes the vibration protection control loop and logical risks of the TSI system in 2×350MW cogeneration project of a power plant， such as the configuration of the vibration control unit is unreasonable， the hidden danger of the vibration protection control loop and the single point control of the vibration protection logic. The hidden danger of safety is solved through modifying the design configuration， adding relays， modifying the wiring in the cabinet and changing the vibration protection logic， which can improve the safety and economy of the unit.

【关键词】TSI系统；轴振；控制回路；风险分析；优化

【Keywords】TSI system； axial vibration； control loop； risk analysis； optimization

【中图分类号】TK323 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）10-0173-02

1 引言

为保证汽轮机组安全运行和提高汽轮机的可用率，现代大型机组都配备了汽轮机安全监视系统（TSI）。TSI系统主要通过监视汽轮机的转速、键相、相对振动（轴振）、绝对振动（瓦振）、轴位移、相对热膨胀（胀差）、绝对热膨胀（缸胀）、偏心等汽轮机各项重要参数[1]，帮助运行人员判断汽轮机的运行状

况、检修人员分析汽轮机可能的故障，从而避免设备损坏或防止事故扩大，进而提高汽轮机的安全性和可用率。

《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中明确规定：“机组主、辅设备的保护装置必须正常投入。各种超速保护均应正常投入，超速保护不能可靠时，禁止机组运行。偏心、轴位移、胀差、低油压、和振动保护等未正常投入禁止启动。”这就对汽轮机安全监视系统提出了很高的要求。近年来TSI系统问题导致机组跳机情况呈上升趋势，容易出现拒动、误动的情况，这也引起了各个电厂的广泛关注。

本文将通过对某电厂2×350MW超临界热电联产机组的TSI系统的控制回路分析，进而提出合理的优化方案，为其他电厂优化改造提供参考。

2 概况

某电厂2×350MW超临界热电联产项目TSI系统采用德国epro公司的MMS6000系统。测量信号包括：轴振、轴位移、胀差、瓦振、转速、键相、偏心，跳机保护信号包括：胀差、轴位移、超速、轴振、瓦振。测量信号送入电子间TSI系统控制柜。DEH系统、ETS系统和TDM系统分别在电子间TSI系统控制柜取信号，实现相应的控制保护功能。

3 TSI系统控制回路存在的风险

3.1 大机轴振与瓦振组态风险分析

轴振控制单元采用MMS6110双通道轴振动测量模块，监测轴的径向相对振动。瓦振控制单元采用MMS6120双通道轴振动测量模块，监测轴的径向绝对振动。它们有三种工作模式：①双通道模式。两个通道相互独立，每个通道的参数（量程范围，传感器类型，限值等）单独设置。每个通道计算各自的特征值并监测其是否超限。②Smax模式。在一个测点以X，Y方式测量轴振动时，分别得到振动幅值S1（通道1）和S2（通道2），其矢量和Sm（t）=。在一个采样周期中，其最大值Smax作為特征值输出。③Sppmax模式。在一个测点以X，Y方式测量轴振动时，分别得到振动幅值S1（通道1）和S2（通道2），两个值中的最大值Sppmax作为特征值输出。

轴振和瓦振控制单元默认的组态方式为Smax模式，这种模式是以X、Y方向轴振或#1、#2瓦振得到两个通道的振动数值S1、S2，采用其矢量和作为特征值输出，机组升降负荷引起转子油膜振荡使振动数值偏大，会导致系统判断和实际存在偏差。另外一种控制模式Sppmax，即为双振幅模式，也可能有测量数值偏大而机组误动的风险。

3.2 大机轴振与瓦振控制回路风险分析

轴振和瓦振的控制回路原设计为X、Y向轴振及瓦振信号通过探头采集经前置器送入振动卡件，通过组态运算，把电压信号转换为4～20mA模拟量信号，当达到报警或危险值时分别输出开关量信号，使继电器线圈带电，常开接点闭合进而把信号输送至ETS系统作为振动保护。

瓦振信号由安装在轴承处的探头测得的轴相对振动信号和安装在轴承上的速度（加速度）探头测得的轴承绝对振动信号叠加得到。

由于瓦振信号需经过一次积分转换成所需要的位移信号，其转换公式为：D=1000V/3.14f

式中：D为位移，mm；V为速度，mm/s；f为频率，Hz。

由于积分过程中，速度信号会受到与频率有关的增益影响，低频增益大，高频增益小。当速度探头受到低频干扰时，有可能会影响输出信号发生突变，复合后将输出一个较大的瓦振虚假信号，增大了保护误动作的概率[1]。

通过控制回路我们可以发现，同瓦X方向轴振、Y方向轴振、瓦振三者为“或”关系输出信号输出至ETS系统。这种保护逻辑组合将瓦振与轴振信号等同看待，没有考虑汽轮机不同部位轴振与瓦振的不同特性，支撑刚度大时，升速过程中瓦振较小，轴振较大。支撑刚度小时，升速过程中相对轴振较小，瓦振很大。由于瓦振受外界影响较大，振动幅值偏大，就可能造成机组误动风险。

3.3 TSI系统保护逻辑风险分析

为保护系统动作的及时性，TSI系统振动保护信号采用单点且不加延时，且保护逻辑为X向轴振危险、Y向轴振危险、瓦振危险三者“或”关系。但由于TSI 系统运行在强电磁场环境，来自其内部的异常和外部环境因素产生的干扰都可能引发保护系统误动作。为减少单点信号引起的保护误动，则需要增加证实信号，保护逻辑修改为二选二。假如更改为“同瓦X向轴振报警‘与Y向轴振危险”这种保护逻辑，由于同瓦的X向轴振信号和Y向轴振信号都进入同一卡件，如果TSI内部软件设置不当、维护不及时或卡件故障，同样会导致机组误跳闸。

4 TSI系统控制回路优化

4.1 大机轴振与瓦振组态优化

根据轴振与瓦振控制单元工作模式的分析，采用双通道模式组态，双通道模式为最优工作模式。它可以监视每个通道的特征值再通过逻辑判断，即减少设备拒动和误动风险。

4.2 大机轴振与瓦振控制回路优化

根据TSI系统控制回路的分析，将轴振X、Y方向振动信号通过卡件输出至报警继电器和危险继电器，再通过硬接线将每个瓦的轴振报警和危险输出至DCS逻辑组态分析组合判断，作为振动报警和危险信号。具体实际优化方案为：取消MMS6110和MSS6120卡件之间轴振和瓦振信号之间的环线，通过增加继电器的方法使X向轴振和Y向轴振报警及危险信号分别输出ETS系统再通过DCS组态逻辑判断进行综合优化。

4.3 TSI系统保护逻辑优化

軸振保护逻辑回路改为“同瓦的X方向报警与同瓦的Y方振动危险信号相与后跳机”或“同瓦的Y方向报警或同瓦的X方向振动危险信号相与后跳机”，并且为防止信号误发引起机组误动的问题，更改原设计“同瓦的X、Y方向轴振动探头经前置器判断后的信号分别进入同一卡件”的设计方式为“同瓦X向轴振信号和临瓦X向轴振信号分别进入同一卡件，同瓦Y向轴振信号和临瓦Y向轴振信号分别进入同一卡件”。为保持原设计进入ETS系统、TDM系统和DEH系统的配线方式不变，因此保护逻辑的优化通过更改TSI系统控制柜内的配线来实现以上功能。

5 结论

TSI系统振动保护系统优化为：取消瓦振危险信号，通过增加继电器把X、Y向轴振报警和危险分别引出，把振动保护逻辑修改为“同瓦的X方向报警与同瓦的Y方向振动危险信号相与后跳机”或“同瓦的Y方向报警或同瓦的X方向振动危险信号相与后跳机”。通过修改柜内配线实现振动保护信号的相对独立性。通过对TSI系统控制回路的优化改造，只是通过增加继电器就提高了机组运行的稳定性和安全性。

【参考文献】

【1】国家能源局.防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义[M].北京：中国电力出版社，2014.