技術 | 這套電超速保護一上 機械超速可拆除了

［摘要］針對某1 000 MW機組汽輪機控制系統的配置和機械超速保護的設計方案，分析了超速保護系統改進的必要性和可行性，以及汽輪機超速保護的改進和應用，為同類型汽輪機超速保護的優化改進提供了參考。

（來源：《發電設備》  作者：珠海市鈺海電力有限公司吳公寶  神華(福州)羅源灣港電有限公司武振清）

汽輪機在高溫、高壓工況條件下高速運轉，其旋轉部件承受巨大的離心力。該離心力與轉速的平方成正比，隨著轉速的升高，其離心力將快速上升。因此，汽輪機轉速是電廠所有監控保護系統中最重要的參數之一，汽輪機超速保護裝置及危急遮斷保護系統設計的可靠性、合理性是保證機組安全穩定經濟運行的有效保障。汽輪機超速保護設計有機械式超速保護與電子超速保護，筆者以某1 000 MW超臨界燃煤發電機組汽輪機超速保護裝置改進為例進行了分析。

1機械超速保護改進的必要性

該1 000 MW超超臨界燃煤發電機組汽輪機采用超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽N1000-28/600/620型汽輪機，機組配置一臺100%鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)汽動給水泵、100%容量高壓旁路，汽輪機數字電液控制系統(DEH)采用Ovation系統，汽輪機跳閘保護系統(ETS)采用Symphony Plus系統，汽輪機的安全監測系統(TSI)采用CIS6500系統。汽輪機超速保護系統設置2套電子超速保護，1套機械超速保護。

1.1機械超速保護設計

機械超速及手動停機裝置包含危急遮斷器、危急遮斷器滑閥以及保安操縱裝置。機械超速保護的飛錘偏心裝在汽輪機轉軸上，并被壓縮彈簧壓在飛錘端部的定位塊上，汽輪機轉速在3 000 r/min時，由于飛錘的離心力小于阻止飛錘移動的彈簧壓縮力，飛錘不能飛出；當汽輪機轉速達到額定轉速的110%～112%時，飛錘的離心力克服了彈簧的約束力，飛錘飛出打擊危急遮斷器滑閥扳機，使危急遮斷器滑閥向右移動，于是保安油與排油相通，致使薄膜閥迅速打開，危急遮斷油路(AST)泄壓，所有的主汽門和調節門關閉，汽輪機緊急停機，保護了汽輪機的安全(見圖1)。

圖1 機械超速保護裝置原理圖

1.2改進的必要性

機械超速遮斷裝置由于受復雜系統和油質等因素影響，存在較嚴重的運行安全問題，如危急遮斷器飛錘卡澀不能正常出擊、危急遮斷器滑閥不能正常遠方掛閘、危急遮斷器飛錘間隙調整不當造成機組在運行中跳閘等，降低了機組穩定運行的安全性。另外，機械超速遮斷裝置只能單一配置，任一環節故障都會導致系統失效，產生“拒動”或“誤動”，無法做到系統“容錯”。而在電子超速保護裝置中，通過采用適當的冗余技術，可以實現不同程度的容錯，提高了系統的可靠性和機組的安全性，因此有必要改進汽輪機超速保護系統配置。

2超速保護改進和應用

采用全電子超速保護，不采用機械超速保護。共設置3套獨立的三冗余電子式轉速測量和超速保護裝置，其中在DEH和TSI分別設計三冗余轉速測量和超速保護裝置，通過ETS進行三取二表決后驅動AST/OPC(汽輪機超速保護)電磁閥組跳閘實現超速保護[2]。為保證轉速測量的獨立性，TSI和DEH的測速分別設在盤車齒輪和前箱測速齒輪。另外，設計一套獨立的三冗余超速保護系統，該系統由3個獨立的轉速測量/超速保護模塊、2路獨立電源裝置以及輔助設備組成，每個模塊獨立于其他模塊進行轉速測量和超速判斷，保護輸出(見圖2)。

圖2 全電子超速保護系統示意圖

通過2套獨立的“兩或一與”跳閘電磁閥組(AST/OPC和超速電磁閥組)實現超速保護。在前箱設計一套手動打閘裝置，直接作用于保安油路(AST油路)。

2.1DEH110%超速

DEH系統的三個測速磁阻探頭(位于前箱轉子延伸軸處)測得的轉速，經DEH三取中后做高限判斷，送出三路冗余DO去ETS[3]，跳常規AST電磁閥組的四個電磁閥，四個電磁閥在就地油路中做“兩或一與”，實現汽輪機超速跳機。

2.2TSI110%超速

TSI系統的三個測速渦流探頭(位于盤車齒輪處)測得的轉速，經三塊TSI轉速卡做高限判斷，并對結果進行三取二處理，然后送出三路冗余DO去ETS[4]，跳常規AST電磁閥組的四個電磁閥，四個電磁閥在就地油路中做“兩或一與”，實現汽輪機超速跳機。

2.3獨立電子超速保護

獨立電子超速保護系統(見圖3)共有3個模塊，每個模塊接收獨立于其他系統的1路轉速信號(位于1號低壓缸5號軸瓦處)，并對轉速做高限判斷，然后送出兩路繼電器輸出經三取二表決后擴展為7路繼電器輸出，其中4路(K1～K4)切斷4個獨立跳閘電磁閥的供電回路，另外3路(K5～K7)連鎖ETS跳閘并實現SOE(事件順序記錄)功能。ETS設計相關試驗邏輯實現獨立跳閘電磁閥在線試驗。

圖3 獨立電子超速保護回路圖

轉速測量一次元件在獨立電子超速裝置中進行三取二判斷，送入ETS再次進行三取二跳機。

2.4關鍵技術性能

獨立電子超速保護系統能夠可靠而準確地識別超速工況并發出停機指令，確保機組的安全。整個系統沒有單點故障能影響系統的可用性。具有故障診斷和報警功能，并且實現在線部件維修或熱替換等特點，控制周期小于20 ms，轉速測量為1～30 000 r/min，測量精度低于1 r/min。除具有主要的超速保護功能外，還具有如下性能：

(1) 獨立電超速保護電子硬件獨立于DEH、ETS及TSI，是一個以三冗余超速保護控制器為核心的完全獨立系統，控制周期可小于20 ms, 任何模塊故障不停機，具有在線熱替換功能。

(2) 獨立超速保護共有三個模塊，每個模塊都接收獨立于其他系統的轉速信號并做高限判斷，輸出各自超速信號。

(3) 3個超速信號進行三取二表決，經擴展繼電器驅動“兩或一與”電磁閥組，同時經擴展繼電器輸出至ETS控制常規AST電磁閥組，獨立超速保護裝置采用雙電源冗余供電。

(4) 獨立電超速系統可進行電磁閥做在線試驗，通過壓力開關的反饋判斷所試驗的電磁閥是否動作。

2.5技術對比

從測量、執行、維護等環節進行技術對比，獨立電超速保護具有三重冗余、在線試驗、精確度高、調整方便、多級容錯等諸多優點，系統安全性和可靠性更高(見表1)。

表1獨立電超速與機械超速技術對比

3安全性和可靠性分析

優化的汽輪機超速保護系統增加了一套獨立的電子超速保護系統，總共有3套電子超速檢測裝置和2套危急遮斷保護裝置，提高了系統的可靠性。汽輪機危急遮斷保護電磁閥組件集中設計、布置，增加的一套AST電磁閥采用“兩或一與”設計方式，與原AST電磁閥組共同構成了危急遮斷回路，任意一組電磁閥組動作，機組都將跳閘，能夠有效防止誤動，提升了機組的安全性。

3.1SIL3級三冗余控制器

獨立電超速保護裝置采用經過TUV認證的滿足IEC 61508 要求的SIL3級安全相關系統，選用伍德沃德Protech GII三冗余控制器，具有轉速升速率保護、停機首出原因指示及記錄等功能，具有超速預測邏輯，系統安全性和可靠性更高。

3.2AST電磁閥組獨立供電

1號～4號AST電磁閥組與5號～8號AST電磁閥組工作電源分別獨立供電，確保AST電磁閥組動作準確、可靠、安全。獨立電超速保護系統設置兩路110 V電源，一路用于AST 5號和7號電磁閥跳閘回路，另一路用于AST 6號和8號電磁閥跳閘回路，4個電磁閥采用“兩或一與”保護方式，電磁閥跳閘回路采用失電動作跳機方式，系統可靠性更高。

3.3獨立的跳機繼電器

每個AST電磁閥設置獨立的跳機信號輸出繼電器，繼電器線圈電壓和觸點容量與電磁閥電源匹配。超速跳機繼電器采用內部冗余24 V(DC)電源驅動(見圖4)。

圖4 供電回路圖

采用基于計算機電子技術的電子超速保護代替機械超速保護后，當發生電磁炸彈襲擊等不可抗拒的災害而造成電子設備故障時，為保證電超速保護動作安全、準確、可靠，電子超速保護裝置轉速控制模件在220 V(AC)電源均失去時，超速保護系統不發出跳機指令，超速跳機繼電器保持當前狀態，并且電超速保護系統就地AST(1號～8號)電磁閥跳閘回路均采用失電動作跳機方式，確保發生電源全部消失等極端惡劣工況時，AST電磁閥動作， EH油回油管路接通，汽輪機主汽門、調節門關閉，汽輪機安全停止運行。

4結語

1 000 MW汽輪機超速保護及危急遮斷保護系統優化改進后，采用了全電超速保護，取消前軸承箱內危急遮斷裝置及飛錘，取消隔離、噴油、復位3個電磁閥及相應管道,取消隔膜閥及隔膜閥前后管道，使前軸承箱系統簡單，且無需進行在線噴油及超速試驗，避免了因試驗不當而導致機組跳閘的危險性，簡化了超速試驗程序和系統，提高了控制系統的運行效率和機組安全性。通過增加一套轉速測量保護裝置和獨立于OPC/AST電磁閥組的電超速電磁閥組，配置設備性能優良的經過TUV認證的三冗余控制器，設計可靠的電源供電回路，能夠可靠、準確地識別超速工況并發出停機指令的功能，比機械液壓超速保護系統有更高的超速跳閘識別準確性、功能完整性和設計可靠性，提高了機組的安全性，可為同類型汽輪機超速保護的優化改進提供參考。

參考文獻：

[1] 林秀華. 超高效1 000 MW汽輪機關鍵技術應用與分析[J]. 中國電力, 2016, 49(10): 33-37.[2] 仵華南, 郝德興. 超超臨界機組汽輪機電超速保護控制單元及其調試方法[J]. 熱力發電, 2012, 41(3): 12-14.[3] 李科. 汽輪機超速保護系統的優化[J]. 發電設備, 2014, 28(4): 296-299.[4] 吳公寶, 宋超. 1 000 MW機組汽輪機主保護設計與優化[J]. 神華科技, 2015, 13(4): 57-60, 89.

注：原文發表于《發電設備》2018年第5期