一种汽轮机保护和脱扣系统的优化与改造

汤继星

南京汽轮电机（集团）有限责任公司 江苏南京 210000

1 汽轮机保护和脱扣系统介绍

在电厂汽轮机组运行的过程中，汽轮机保护的类型主要有超速保护、甩全负荷保护以及甩部分负荷保护三种。其中甩全负荷保护动作通常应用于电力系统故障导致汽轮机跳闸或是电网解列仅带厂用电运行的情况下维持汽轮机转速。甩部分负荷保护动作则发生在电气故障引起汽轮机功率突降的情况下。超速保护则是在汽轮机转速超过额定转速110%，则通过指令将主汽门和调节汽门关闭。

汽轮机拥有许多进气阀门，其自动保护装置（ETS）提供保护的具体形式就是将所有阀门关闭，即脱扣。在汽轮机组运行的过程中，自动保护装置会对汽轮机的关键参数进行动态监控，具体包括汽轮机转速、润滑油压、转子轴向位移、汽轮机轴振动、真空、发动机保护等，一旦某些参数超过限值，系统就会自动动作，将汽轮机蒸汽进气阀门全部关闭，完成紧急停机[1]。

自动脱扣是汽轮机紧急停机的一种特殊保护方式，为了确保其作用能够充分有效的发挥，在装置设计的过程中一定要最大程度的降低“拒动”和“误动”的可能性，提高ETS系统的可靠性。而ETS系统的可靠性则决定于其元器件的可靠性，系统元器件在寿命周期内的故障率。通过对图中内容分析可知，ETS系统元器件的故障率曲线可以分为三个阶段，按照时间先后分别是早期失效期、偶然故障期以及耗损故障期。第一阶段中，元器件因为生产工艺以及质量因素的影响，有着很高的故障率。第二阶段中，系统投入使用后逐渐趋于稳定，故障多为偶然发生，随机性较强。第三阶段，系统经过长期使用后，其内部元器件逐渐老化，故障率出现明显的增长。基于此，在设计工作中，可以基于冗余或是容错理念避免元器件因故障失效影响到系统的可靠性，以此达到降低故障率的效果。其中冗余是指同时设置多个元件，一旦某一个元器件因故障而停止工作，则可立即切换为备用元器件，避免系统运行中断。容错是指容许有错信号的存在，其核心是“冗余+表决”，即在冗余元器件中，通过表决的方法选择最有效可信的元件应用于系统中。

2 针对超速的汽轮机保护和脱扣系统优化改造

2.1 改造前的情况介绍

结合某电厂汽轮机组的运行情况来看，针对超速问题设置有机械超速和手动停机装置，由危急遮断器、撞击子以及保安操纵装置等部件构成。在理想的状态下，一旦汽轮机在运行中的工作转速超过限值，则机械超速上设置的飞锤式撞击子的离心力将克服压缩弹簧的约束力，飞出击打到危急遮断器挂钩，使保安油和排油形成联通，此时隔膜阀将会随之开启，将高压遮断安全油卸掉，完成汽轮机主汽门和调速汽门的关闭。

上述机械超速保护停机装置存在一个缺陷，即飞锤飞出并击打危急遮断器挂钩这一动作定值整定的难度较高，很难做到完全精确，因此必须通过一些保护试验对汽轮机保护和脱扣系统的可靠性进行验证，如手动脱扣试验、超速试验等。需注意的是，超速试验具有一定的危险性，在具体实施的过程中，要防止转子再出现其他的热应力，同时也不应在转子的低温催化点进行试验。而且整个试验的过程不宜过长，一般应控制在2分钟之中。此外，超速试验会对汽轮机的叶片产生一定的损伤。结合我国电厂的生产实践来看，很多发电厂在开展超速试验的过程中都出现过汽轮机损坏的情况[2]。

2.2 采取的优化改造方案以及效果分析

针对汽轮机机械超速存在的问题，所采取的优化改造措施如下：首先，取消机械超速相关的装置设备，如危急遮断器、危急遮断器滑阀、隔膜阀，保留飞锤式撞击子，但要使用螺丝将其拧紧固定。其次，增设一套独立电超速装置、一个三取二跳机模块、一个带指示灯的就地跳机继电器回路、3个转速探头。将转速探头安装在前箱部位，替换掉现有的手动打闸和机械超速保护系统。再次，保留ETS目前所拥有的各类设备、组态以及人机接口硬件，同时在操纵员站的ETS图形接口界面上增设独立电超速保护试验的相关图形按钮。在取消机械超速保护的同时，汽轮机前箱的手动停机和试验装置也需要撤去，只需在该部位安装一个停机按钮即可实现就地打闸功能。新安装的独立电超保护装置独立于现有的ETS和DEH系统运行，以三冗余超速保护控制器为核心，对汽轮机的转速信号进行接收并作出判断。汽轮机转速信号的获取通过安装在前箱部位的测速探头来完成。一旦汽轮机出现超速现象，超速保护控制器向三取二跳机模块发出跳机指令，泄掉EH油，触发跳机动作。

整个改造过程是取消机械超速保护，同时增加一路电超保护，形成两个并联布置的跳机模块，其中新增的三取二跳机模块，用于实现独立电超速保护跳机功能。经过优化改造之后，汽轮机超速试验过程中的面临的应力损耗风险将获得大幅度的降低。不仅如此，改造完成后的超速试验可以在3000rpm下完成，而且在并网之后不需要再开展这一试验项目。

此外还需要关注的是EH油压低跳机定值的优化和改造，系统在进行甩负荷OPC动作的过程中，会出现油量短时间内大幅度增长的情况，这会导致系统压力出现下降，若定值设置过高，容易导致主汽阀关闭，形成误跳机。因此应在确保系统安全的基础上，将最低压力值设定为跳机值[3]。

3 结语

综上所述，机械超速保护装置的安装及维护有比较高的要求，若安装、维护不当会对汽轮机的安全运行造成重大影响。同时机械超速试验又存在试验繁琐、影响机组寿命等问题。因此，对汽轮机保护和脱扣系统进行优化改造可以有效的提升汽轮机组运行的安全和稳定，为试验开展创造更加优异的条件，优化跳机控制，促进整体经济效益的提升。