1 000 MW汽轮机超速保护改进分析

吴公宝, 武振清

(1. 珠海市钰海电力有限公司， 广东珠海 519055；2. 神华(福州)罗源湾港电有限公司， 福州 350512)

汽轮机在高温、高压工况条件下高速运转，其旋转部件承受巨大的离心力。该离心力与转速的平方成正比，随着转速的升高，其离心力将快速上升。因此，汽轮机转速是电厂所有监控保护系统中最重要的参数之一，汽轮机超速保护装置及危急遮断保护系统设计的可靠性、合理性是保证机组安全稳定经济运行的有效保障。汽轮机超速保护设计有机械式超速保护与电子超速保护，笔者以某1 000 MW超临界燃煤发电机组汽轮机超速保护装置改进为例进行了分析。

1 机械超速保护改进的必要性

该1 000 MW超超临界燃煤发电机组汽轮机采用超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽N1000-28/600/620型汽轮机，机组配置一台100%锅炉最大连续蒸发量(BMCR)汽动给水泵、100%容量高压旁路，汽轮机数字电液控制系统(DEH)采用Ovation系统，汽轮机跳闸保护系统(ETS)采用Symphony Plus系统，汽轮机的安全监测系统(TSI)采用CIS6500系统。汽轮机超速保护系统设置2套电子超速保护，1套机械超速保护。

1.1 机械超速保护设计

机械超速及手动停机装置包含危急遮断器、危急遮断器滑阀以及保安操纵装置。机械超速保护的飞锤偏心装在汽轮机转轴上，并被压缩弹簧压在飞锤端部的定位块上，汽轮机转速在3 000 r/min时，由于飞锤的离心力小于阻止飞锤移动的弹簧压缩力，飞锤不能飞出；当汽轮机转速达到额定转速的110%～112%时，飞锤的离心力克服了弹簧的约束力，飞锤飞出打击危急遮断器滑阀扳机，使危急遮断器滑阀向右移动，于是保安油与排油相通，致使薄膜阀迅速打开，危急遮断油路(AST)泄压，所有的主汽门和调节门关闭，汽轮机紧急停机，保护了汽轮机的安全(见图1)。

图1 机械超速保护装置原理图

1.2 改进的必要性

机械超速遮断装置由于受复杂系统和油质等因素影响，存在较严重的运行安全问题，如危急遮断器飞锤卡涩不能正常出击、危急遮断器滑阀不能正常远方挂闸、危急遮断器飞锤间隙调整不当造成机组在运行中跳闸等，降低了机组稳定运行的安全性。另外，机械超速遮断装置只能单一配置，任一环节故障都会导致系统失效，产生“拒动”或“误动”，无法做到系统“容错”。而在电子超速保护装置中，通过采用适当的冗余技术，可以实现不同程度的容错，提高了系统的可靠性和机组的安全性，因此有必要改进汽轮机超速保护系统配置。

2 超速保护改进和应用

采用全电子超速保护，不采用机械超速保护。共设置3套独立的三冗余电子式转速测量和超速保护装置，其中在DEH和TSI分别设计三冗余转速测量和超速保护装置，通过ETS进行三取二表决后驱动AST/OPC(汽轮机超速保护)电磁阀组跳闸实现超速保护[2]。为保证转速测量的独立性，TSI和DEH的测速分别设在盘车齿轮和前箱测速齿轮。另外，设计一套独立的三冗余超速保护系统，该系统由3个独立的转速测量/超速保护模块、2路独立电源装置以及辅助设备组成，每个模块独立于其他模块进行转速测量和超速判断，保护输出(见图2)。

图2 全电子超速保护系统示意图

通过2套独立的“两或一与”跳闸电磁阀组(AST/OPC和超速电磁阀组)实现超速保护。在前箱设计一套手动打闸装置，直接作用于保安油路(AST油路)。

2.1 DEH 110%超速

DEH系统的三个测速磁阻探头(位于前箱转子延伸轴处)测得的转速，经DEH三取中后做高限判断，送出三路冗余DO去ETS[3]，跳常规AST电磁阀组的四个电磁阀，四个电磁阀在就地油路中做“两或一与”，实现汽轮机超速跳机。

2.2 TSI 110%超速

TSI系统的三个测速涡流探头(位于盘车齿轮处)测得的转速，经三块TSI转速卡做高限判断，并对结果进行三取二处理，然后送出三路冗余DO去ETS[4]，跳常规AST电磁阀组的四个电磁阀，四个电磁阀在就地油路中做“两或一与”，实现汽轮机超速跳机。

2.3 独立电子超速保护

独立电子超速保护系统(见图3)共有3个模块，每个模块接收独立于其他系统的1路转速信号(位于1号低压缸5号轴瓦处)，并对转速做高限判断，然后送出两路继电器输出经三取二表决后扩展为7路继电器输出，其中4路(K1～K4)切断4个独立跳闸电磁阀的供电回路，另外3路(K5～K7)连锁ETS跳闸并实现SOE(事件顺序记录)功能。ETS设计相关试验逻辑实现独立跳闸电磁阀在线试验。

图3 独立电子超速保护回路图

转速测量一次元件在独立电子超速装置中进行三取二判断，送入ETS再次进行三取二跳机。

2.4 关键技术性能

独立电子超速保护系统能够可靠而准确地识别超速工况并发出停机指令，确保机组的安全。整个系统没有单点故障能影响系统的可用性。具有故障诊断和报警功能，并且实现在线部件维修或热替换等特点，控制周期小于20 ms，转速测量为1～30 000 r/min，测量精度低于1 r/min。除具有主要的超速保护功能外，还具有如下性能：

(1) 独立电超速保护电子硬件独立于DEH、ETS及TSI，是一个以三冗余超速保护控制器为核心的完全独立系统，控制周期可小于20 ms, 任何模块故障不停机，具有在线热替换功能。

(2) 独立超速保护共有三个模块，每个模块都接收独立于其他系统的转速信号并做高限判断，输出各自超速信号。

(3) 3个超速信号进行三取二表决，经扩展继电器驱动“两或一与”电磁阀组，同时经扩展继电器输出至ETS控制常规AST电磁阀组，独立超速保护装置采用双电源冗余供电。

(4) 独立电超速系统可进行电磁阀做在线试验，通过压力开关的反馈判断所试验的电磁阀是否动作。

2.5 技术对比

从测量、执行、维护等环节进行技术对比，独立电超速保护具有三重冗余、在线试验、精确度高、调整方便、多级容错等诸多优点，系统安全性和可靠性更高(见表1)。

表1 独立电超速与机械超速技术对比

3 安全性和可靠性分析

优化的汽轮机超速保护系统增加了一套独立的电子超速保护系统，总共有3套电子超速检测装置和2套危急遮断保护装置，提高了系统的可靠性。汽轮机危急遮断保护电磁阀组件集中设计、布置，增加的一套AST电磁阀采用“两或一与”设计方式，与原AST电磁阀组共同构成了危急遮断回路，任意一组电磁阀组动作，机组都将跳闸，能够有效防止误动，提升了机组的安全性。

3.1 SIL3级三冗余控制器

独立电超速保护装置采用经过TUV认证的满足IEC 61508 要求的SIL3级安全相关系统，选用伍德沃德Protech GII三冗余控制器，具有转速升速率保护、停机首出原因指示及记录等功能，具有超速预测逻辑，系统安全性和可靠性更高。

3.2 AST电磁阀组独立供电

1号～4号AST电磁阀组与5号～8号AST电磁阀组工作电源分别独立供电，确保AST电磁阀组动作准确、可靠、安全。独立电超速保护系统设置两路110 V电源，一路用于AST 5号和7号电磁阀跳闸回路，另一路用于AST 6号和8号电磁阀跳闸回路，4个电磁阀采用“两或一与”保护方式，电磁阀跳闸回路采用失电动作跳机方式，系统可靠性更高。

3.3 独立的跳机继电器

每个AST电磁阀设置独立的跳机信号输出继电器，继电器线圈电压和触点容量与电磁阀电源匹配。超速跳机继电器采用内部冗余24 V(DC)电源驱动(见图4)。

图4 供电回路图

采用基于计算机电子技术的电子超速保护代替机械超速保护后，当发生电磁炸弹袭击等不可抗拒的灾害而造成电子设备故障时，为保证电超速保护动作安全、准确、可靠，电子超速保护装置转速控制模件在220 V(AC)电源均失去时，超速保护系统不发出跳机指令，超速跳机继电器保持当前状态，并且电超速保护系统就地AST(1号～8号)电磁阀跳闸回路均采用失电动作跳机方式，确保发生电源全部消失等极端恶劣工况时，AST电磁阀动作， EH油回油管路接通，汽轮机主汽门、调节门关闭，汽轮机安全停止运行。

4 结语

1 000 MW汽轮机超速保护及危急遮断保护系统优化改进后，采用了全电超速保护，取消前轴承箱内危急遮断装置及飞锤，取消隔离、喷油、复位3个电磁阀及相应管道,取消隔膜阀及隔膜阀前后管道，使前轴承箱系统简单，且无需进行在线喷油及超速试验，避免了因试验不当而导致机组跳闸的危险性，简化了超速试验程序和系统，提高了控制系统的运行效率和机组安全性。通过增加一套转速测量保护装置和独立于OPC/AST电磁阀组的电超速电磁阀组，配置设备性能优良的经过TUV认证的三冗余控制器，设计可靠的电源供电回路，能够可靠、准确地识别超速工况并发出停机指令的功能，比机械液压超速保护系统有更高的超速跳闸识别准确性、功能完整性和设计可靠性，提高了机组的安全性，可为同类型汽轮机超速保护的优化改进提供参考。

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