上汽西门子机组超速保护系统分析

史琨

摘要：文章介绍了上海汽轮机厂引进的德国西门子汽轮机的超速保护系统，以及与传统美国西屋、日本日立等汽轮机的超速保护系统的区别，对超速保护系统故障导致机组停运的现象进行分析并提出改进措施。

关键词：汽轮机;超速保护;故障;

汽轮机是高速转动的设备，转动部件的离心力与转速的平方成正比。当汽轮机转速超过额定转速的20%时，离心应力接近额定转速下应力的1.5倍，此时转动部件将发生松动，同时离心力将超过材料所允许的强度极限使部件损坏。为此，汽轮机均设置超速保护装置，它能在汽轮机转速超过额定转速的9-11%时动作，迅速切断汽轮机进汽停机。

近年来，随着上海外高桥第二发电厂进口西门子汽轮机，外高桥第三发电厂、华能玉环电厂等上海汽轮机厂引进型西门子技术的汽轮机组投产，上汽西门子的超临界、超超临界机组在中国投产的越来越多，伴随而来的就是它的汽轮机控制系统与传统西屋、东芝、日立等技术的本质上的区别。同样，在超速保护这一方面区别也是很大的。

一、传统的汽轮机超速保护装置

早期美国西屋、日本东芝、日立等机组超速保护的手段主要有DEH电超速、TSI超速和机械超速等。

DEH电超速是指三个转速信号超过3300rpm经逻辑判断后输出软逻辑信号至ETS逻辑，发出汽轮机停运指令;超速超过3300rpm，同时转速卡发出超速开关量信号，送至ETS硬回路，动作相应继电器。这两种方式均能发出汽机停运指令信号，使得ATS电磁阀失电，快速卸去高压安全油，汽轮机各汽阀快速关闭，汽轮机停运。

TSI超速是指另外三个转速信号送至汽轮机监视系统（Turbine Supervisory Instruments，简称 TSI），当测得的数值超过设定值3300rpm时，TSI发出三组超速动作开关量送至ETS软逻辑回路，发出汽轮机停运指令。

机械超速遮断系统是一套飞锤式机械超速保护机构，不同于电超速，它不受电信号的影响而能够直接遮断汽轮机。危急遮断器安装在转子的延伸端上，飞锤的重心与汽机的轴线有偏心，转子转动后带动危急遮断器转动，飞锤因偏心而产生离心力。在额定转速运行时，飞锤的离心力小于弹簧的预压缩力，因此飞锤不能击出。当机组转速超过额定转速的9%-11%时，飞锤产生的离心力克服弹簧的预压缩力而击出，击打碰钩，使碰钩旋转，带动危急遮断滑阀移动，打开机械超速与手动遮断母管的泄油口，从而使隔膜阀打开，泄去高压抗燃油的安全油AST油压，造成所有的汽阀关闭，使机组紧急遮断。

机械超速保护原理图

可以看出，传统机组在对于汽轮机超速保护中设置了多重冗余手段，以防止任一方式失效而导致汽轮机转速飞升后打闸失败。

二、上汽西门子超速保护装置

上汽引进型机组的超速保护主要是依靠两套独立的德国Braun公司生产的E16A超速保护装置，其细分类型有E16A323和E16A342两种。

不论哪种型号，Braun超速保护装置的逻辑设计基础是失电跳闸，它接收现场来的三组转速信号，转速信号在braun卡件里进行分析比较，当转速大于设定值时，保护装置发出汽机跳闸开关量信号，立即断开汽轮机各个汽阀上的两个快关电磁阀的电源，汽阀在弹簧力的作用下迅速关闭，隔绝汽轮机进汽，从而遮断汽轮机。

E16A323型超速保护装置配置了3块相互冗余而独立的测速模块E1655和一个负责监控所有测速模块和本身工作状态的测试模块E1696。三个转速通道独立测量和显示机组转速，每个E1655测速模块不仅接收本通道的转速信号，而且还接收其他两个通道的信号。E1696监视模块持续第检查三个通道的转速值。如果某个通道的测量值与其他两个通道有着明显偏差，则认定该通道传感器故障，发出报警信号。当转速值超过设定限制时，测试模块E1655输出三个常闭跳闸信号，跳闸信号与外部继电器、接触器常开接点等串联，组成跳闸电磁阀的电源的“三取二”硬回路。一旦转速超过3300rpm，常闭接点断开，电磁阀失电，汽阀关闭，汽机跳闸。

E16A323超速保护回路

E16A342型超速保护装置，系统配置了包括3个冗余而独立的测速模块E1667，每个测速模块都接收3路转速传感器的信号并计算出相应的转速值;一個测试接口E1691处理跳闸信号机跳机状态。不同的是，342型超速保护装置没有采用323型卡件输出串联外部“三取二”硬继电器回路的配置，而是将核心的“三取二”继电器回路集成在超速装置内部，每个输出的跳闸信号均是3取2判断之后的信号。并且输出的三个跳闸信号，只取了两个作为冗余信号使用。跳闸信号与主跳闸继电器串联，一旦超速信号发出，主继电器失电，继电器常开接点断开，所有汽阀上的快关电磁阀失电，汽阀迅速关闭，汽机跳闸。

E16A342超速保护回路

上汽西门子机组的超速保护系统完全依靠一对电子式保护装置，并且任一个保护装置动作，汽机即跳闸。它取消了TSI超速保护、机械超速保护，没有AST电磁阀等高压保安装置和润滑油的低压保安装置，在机头前部没有飞锤等装置，润滑油系统及EH油系统结构简单。

三、Braun超速保护装置的保护误动作分析

德国BraunE16超速保护装置具有在线自诊断功能，每隔恒定时间对测速模块发出超速跳机、低速不跳机、强制跳机信号，以保证测速模块正常、可靠运行。每个测速模块单独、分别进行自诊断，诊断期间该通道会真实发出通道跳闸信号，若检测到任一通道故障，则不进行诊断。调研若干电厂有超速保护误动作情况发生，动作原因为：某通道接线松动，导致该通道时好时坏，在自诊断期间，被诊断通道与故障通道同时发出跳闸信号，超速保护动作，机组跳闸。

事后改进措施，在对现场及ETS柜内接线全面检查紧固之后，取消了Braun卡件的自诊断功能，同时为了检验卡件正常，在每次机组停运之后进行手动自检。

四、结束语

上汽西门子机型的超速保护系统与传统机组的超速保护系统差别很大，取消了TSI超速保护、机械超速保护，电超速保护的设置也有很大的不同。它的超速保护装置E16A功能十分强大，对于新接触该装置的技术人员是一个较大的挑战。

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