发电厂

盖新华 陈滨（新海发电有限公司） 杨建明（东南大学）
1． 背景与目的
　　国内200MW汽轮机在现代化技术改造中，大多采用基于高压抗燃油数字电液(DEH)控制系统替代原有机械液压调节系统，不仅极大地改善了调节系统的调节品质，而且工作稳定性、可靠性和安全性也有很大提高。然而，作为机组超速保护一道重要屏障的机械超速危急遮断系统仍然被保留了下来，并且继续与润滑系统共用油源。机械超速危急遮断系统是一种机械液压超速保护装置，由离心式超速危急保安器、危急遮断错油门和隔膜阀等组成。当机组转速达到超速危急保安器动作转速时，在离心力的作用下危急保安器的飞锤或飞环飞出，击打危急遮断错油门使之动作，释放机械超速危急遮断油压，导致隔膜阀动作， DEH系统中自动停机遮断（AST）油压被释放，使主汽门和调节汽门快速关闭。
　　机组DEH改造后保留机械超速危急遮断系统，其固有缺陷仍然困扰着机组的运行安全，突出表现为下列三个方面：
　　第一，试验、检测极不方便且充满风险。超速危急保安器是一个机械部件，要检测和调整其动作转速，必须在高速旋转状态下进行，无论采用什么方式设定动作转速（如在机组或专用试验装置上进行设定），最终都必须在机组的超速试验中加以验证。在危急保安器动作值大于电子超速保护装置动作值的机组中，在做机械超速危急遮断系统动作试验时，要在其它超速保护装置全部解除情况下将机组缓慢升至危急保安器的动作转速。这种情况下，机械超速危急遮断系统往往就是机组超速保护的最后一道屏障。如果试验时蒸汽参数较高、试验操作升速速率过快，超速危急遮断器或危急遮断一旦存在故障，很容易引发超速，乃至发生毁机恶性事故。据美国保险公司统计[1]，汽轮发电机组发生超速毁机恶性事故，50%发生于超速试验中。我国发电厂的超速毁机也大多发生于超速试验中。
　　其次，国产200MW机组轴封系统蒸汽泄漏问题仍是十分棘手的难题，油中带水严重影响机械超速保护系统的工作可靠性。润滑油系统油中带水、机械杂质等油液污染对机械超速危急遮断系统部件产生锈蚀、卡涩的隐患依然存在，机械超速危急遮断系统工作可靠性差。很多机组在进行检修后的超速试验中，曾多次发生过(包括DEH 改造前)挂闸电磁阀卡涩和机械超速危急遮断系统拒动故障，既影响了正常生产和增加了调试费用，又留下了巨大的安全隐患。
　　最后，机械超速危急遮断系统在线试验检测不完整，运行中不能及时发现故障和通过活动试验防止故障发生。国产200MW汽轮机机械超速危急遮断系统的在线喷油试验仅能检测和活动超速危急保安器，但不能检测危急遮断错油门，危急遮断错油门长期不动，在油液污染时极易造成动作迟缓和卡涩。
　　国产200MW机组现存润滑供油系统与机械超速危急遮断系统的固有不足及超速试验潜在风险，威胁着机组的运行安全。为了适应日益增长的安全、可靠、高效的电力生产要求，利用新技术，正确理解和认识国外机组先进的设计理念，突破现行法规和设计规范滞后于技术发展的束缚，睿智地选择可靠性更高、能方便和无风险地进行在线或离线试验、并能在线进行自检和维护的新型超速遮断系统，以取代机械超速危急遮断系统，理所当然的就成为机组技术进步关注的重点。

2. 电子超速保护系统的组成和特点

2.1 电子超速保护系统的特点
　　电子超速保护系统（Electronic overspeed protection systems,　EOPS）是一种防止旋转机械过速而损害设备的保护装置，以测速齿轮盘、无源（如磁阻式）或有源（如电涡流式、光电式、霍尔等）转速传感器为一次检测元件，以微处理器为核心的监控装置对被检测的转速信号进行计数和逻辑运算后输出相应的保护信号。电子超速保护系统通常用三套相同的监控装置对同一转速进行测量，经“3取2”逻辑运算后输出失电动作（即故障—安全型）的保护信号。它的采样时间一般为5ms，动态响应时间（包括继电器）不大于 40ms。目前，先进的电子超速保护系统还具有智能化自诊断功能，除随时对转速传感器进行无损伤的在线检测、保证一次检测回路的正确可靠外，还能够利用超速保护系统“3取2”冗余逻辑回路单通道故障不会引起机组跳闸跳机的特点，通过模拟产生转速脉冲频率信号定期或不定期地逐一对各监控装置进行全方位的在线检测，及时监视各监控装置的工作状态。这些系统通常还采用了模块化的设计方案，当机组运行期间电子超速保护系统一旦出现故障时能够可以在线更换模件，而不会引起机组跳闸停机。正是因为电子超速保护系统具有的强大的自诊断功能，涵盖了从转速传感器、传输线路直到监控装置的所有设备，所以才最大限度地保证了电子超速保护系统极高的可靠性。
　　同时，电子超速保护系统超速保护动作的定值可按要求任意设置，并且可以用标准转速校验台或用信号发生器代替转速传感器对全系统进行模拟试验，其试验的正确性、重复性、方便性是机械超速危急遮断系统无法比拟的，从而使对机组超速动作转速的检测无需机组旋转即可实现的愿望变为现实。正是由于电子超速保护系统这些突出的优点，使之替代机械超速危急遮断系统的条件已经成熟，所以，一些国际上信誉度很高的标准，如美国石油协会（American Pertroleum Institute API）已经要求汽轮机的超速保护选用基于“3取2”的电子超速保护系统而不选用机械超速保护系统。目前，国际上专业制造电子超速保护系统的厂家有美国的 BENTLY、WOODWARD（GE）和德国BRAUN、EPRO等公司，这些厂家的产品国内都有用户。
2.2 德国BRAUN公司E16型电子超速保护系统
　　E16型电子超速保护系统由三块独立的测速模块E1655、一块测试模块E1696和三只A5S霍尔效应转速传感器组成，外形如图1所示。其主要功能有：
　　2.2.1 三块测速模块E1655配合带推挽输出的A5S系列转速传感器，在机组

静态及运行状态下可以独立地对转速传感器、传输线路进行监测。每块测速模块E1655不仅接受本通道的转速脉冲信号，同时还接受其它两个通道的转速脉冲信号，并持续地对三个通道的转速脉冲信号进行比较，如果某通道的转速信号与其它两个通道的转速信号有明显偏差，则认定该通道传感器有故障。
　　2.2.2 下列三种情况下，E1655的两个超速保护继电器输出两路相互独立的失电跳机信号：
　　⑴、在汽轮机转速超过设定的保护动作转速值时（SP1）；
　　⑵、外部给定了跳闸信号（如压力、温度等越限信号）；
　　⑶、转速传感器故障及供电中断。
　　2.2.3 测试模块E1696可对测速模块E1655 以“外部测试”和“定期自动”两种方式进行自诊断检测。为了避免在对测速通道进行测试时引起误动作，在用“外部测试”方式测试时其它两个通道都被闭锁。测试模块进行定期自动巡检时，依次给各个测速模块输出高于或低于SP1的转速信号，相应通道在高于SP1时出现超速跳机信号，低于SP1时不出现超速跳机信号；最后再依次输出“强制跳机”信号，相应通道出现跳机信号。如果在测试和巡检中发现某一通道出现错误，则巡检过程自动被终止，同时，系统由“3取2”转为“2取1”，并向外发出“系统故障”信号。

3. 改造方案与改造内容

3.1 设备概况和改造设计思想
　　江苏省新海发电有限公司#11机是北京重型电机厂生产的200MW汽轮发电机组，其数字电液控制系统为上海新华控制工程有限公司生产的DEH III型，设置了三道超速保护，即103%超速保护控制(OPC)系统、110%自动停机遮断(AST)系统和112%机械超速危急遮断(MOET)系统。因AST动作值现场不能更改，无法通过超速试验检测和调整机械超速危急保安器动作值，故后将MOET的动作转速提前于AST，约3280rpm。
　　改造的设计思想是拆除原可靠性差、技术落后的机械超速危急遮断系统，增设一套E16型电子超速保护系统及AST电磁阀执行机构，并将主汽门和调节汽门的快速卸载阀改为电磁、液压双作用的快速卸载阀，且在就地设置手动机械打闸阀，从而构成超速保护控制(OPC)、自动停机遮断(AST)和电子超速停机遮断（EOST）3套相对独立工作、并有多重冗余电磁阀超速停机驱动机构的汽轮机超速保护系统。同时将#11机继电器构成的ETS改造为SIEMENS S7-300 PLC可编程控制器。

3.2 改造方案
　　3.2.1 增设一套采用“3取2”保护逻辑的德国BRAUN 公司生产的E16型汽　　轮机专用转速监测系统，设定保护动作转速为3270rpm(109%)。E16型超速保护系统的采样时间为5ms，整体响应时间小于15 ms，满足超速保护快速性要求。该系统能在线地检测转速传感器、电子测量模件E1655和遮断继电器整个通道的工作状态，通过E16编程可自动地产生高于 SP1(设定为3275rpm)、低于SP1(设定为3265rpm)的频率脉冲信号和强制跳闸信号定时检测各通道的工作情况，检测到故障时则通过测试模件E1696发出通道故障报警信号。
　　3.2.2 将#11机由继电器构成的ETS系统改造为用两套并行工作的SIEMENS　S7-300 PLC，以提高机组危急遮断系统的工作可靠性。
　　3.2.3 增装一套与AST电磁阀组结构基本相同的电子超速保护停机遮断电磁阀组（AST2），与原AST电磁阀组（AST1）并列在停机遮断油路上运行。AST2 电磁阀组与AST1同样具有在线试验功能，与E16电子超速保护系统构成了独立于AST1，替代机械超速危急遮断系统的新的超速保护危急遮断系统。为了进一步增加系统的可靠性，在电子超速停机遮断AST2电磁阀组模块上设置一个就地手动停机打闸阀，接入AST油路，该停机遮断阀主要用于就地手动停机操作。
　　改造后的超速保护系统原理如图3所示。

　　3.2.4 更换新型快速卸载阀。为了提高直接驱动主汽门、调速汽门的快速卸载阀的可靠性，将原主汽门、调节汽门的单作用快速卸载阀更换成电磁、液压双作用的快速卸载阀，增加了一个电控卸压通道。新的快速卸载阀的结构如图四所示，是由液控溢流阀(下部)和电磁阀两部分复合而成。电控快速卸载是带电动作电磁阀实现的，在电磁线圈带电时，铁芯带动电磁阀的滑阀右移，开启停机遮断油路与回油油路的通道，使液控溢流阀杯状滑阀上部的液压作用力下降，杯状滑阀在油动机油缸的油压作用下开启，快速地排泄油动机油缸中的油液，从而实现油动机的快速关闭。当电磁、液压双作用的快速卸载阀正常运行时，有两个通道可同时供AST油卸压，当电控通道有故障时，下部的液压通道照常可以卸掉AST油压。这样就实现了从电子超速保护装置，AST超速保护停机遮断电磁阀组直到主汽门和调速汽门的驱动机构都是双通道的冗余配置。

　　3.2.5拆除机械超速危急遮断器，并按原机械超速危急遮断器与高压转子及主油泵齿形联轴器的连接要求，加工制造一了个替代机械超速危急遮断器并与原短轴尺寸相同的的测速小轴，其上有一与小轴整体加工的模数为3，齿数为60的测速齿轮盘，在其相应的位置制作了测速传感器安装支架，将E16型电子超速系统的测速传感器安装在该支架上。新的转速测量位置与原设在主油泵端部的测速齿轮盘同为103%、109%和110%超速保护提供了沿转子轴向两个不同的测量位置，从而消除小轴断裂事故对机组运行安全的威胁。在新的测速传感器安装支架上新设4个A5S型霍尔转速传感器，3个为正常使用，1个作为故障备用。
3.3 汽轮机新的超速保护系统动作逻辑
　　新海发电有限公司#11机组超速保护系统改造后，将形成三道超速保护安全屏障，即OPC、AST和EOPT。按分层保护的设计原则，设计超速保护动作转速分别为103%、109%和110%。即当机组转速上升至103%额定转速时，OPC的“2取1”电磁阀组带电动作，快速关闭调节汽门；超速事故工况下，当转速升至109%额定转速时，E16电子超速保护装置输出两路超速跳机信号，一路不经过ETS直接送AST1、AST2电磁阀组和主汽门、调速汽门的电磁、液压双作用卸载阀的电磁阀，另一路通过ETS送AST1、AST2电磁阀组和主汽门和调速汽门的电磁、液压双作用卸载阀的电磁阀；当转速升至 110%时（包括低真空、低油压等其它保护），DEH通过ETS使AST1和AST2电磁阀组和主汽门、调速汽门的电磁、液压双作用卸载阀的电磁阀动作，快速泄放AST停机遮断油路油压，关闭高、中压主汽门、调速汽门。

4. 结 论
　　新海发电有限公司#11机新的超速保护系统具有两套“3取2”转速测量装置，一套基于双PLC并行工作的ETS，三套冗余设计的停机遮断油路快速泄压执行机构，不仅有力地确保了机组超速工况下保护系统正确、可靠动作，并且通过带电动作和失电动作两种电磁阀的组合，又使超速保护系统误动作的概率降到最低。系统改造后进行了全面的性能试验，各项试验均一次成功，超速动作值正确可靠。特别是电子超速保护系统动作值修改十分方便，在做AST超速试验时，将电子超速保护系统修改动作值作后备保护，彻底消除了超速试验的风险。
　　新海发电有限公司等发电厂对汽轮机组进行的超速保护系统改造，既是技术进步的要求，更是安全生产的迫切需要。新海发电有限公司#11机组调节系统DEH改造后，在机组检修后的超速试验中就曾发生过多起机械超速危急遮系统拒动的故障，处理、调整既影响了机组的正常生产，又消耗了不少人力和试验燃油，造成相当可观的经济损失。虽然机组超速保护有工作较为可靠的OPC和AST作保障，但机械超速危急遮断系统不能可靠工作总是安全运行的隐患。为确保机组运行安全，减少不必要的生产损失，在消化、吸收国外机组系统设计经验和学习国外先进设计理念的基础上，国内多家发电厂对汽轮机组进行了以电子超速保护系统替代机械超速危急遮断系统的现代化改造，他们的成功实践有力地证明了用电子超速保护系统替代机械超速危急遮断系统在技术上是成熟的。这些电厂用自己的创新精神和开拓性工作论证了电子超速保护系统具有强大的生命力，它必将成为彻底根治机械超速危急遮断系统固有缺陷，进一步提高机组安全可靠性的重要手段。我们相信，随着电网对发电厂运行可靠性的要求越来越高，对汽轮机组进行以电子超速保护系统替代机械超速危急遮断系统的现代化改造的思路会被更多的人认知和接受。

参考文献
　　[1] Jeff Rudd,Electronic overspeed detection systems,ORBIT,1999
　　[2] 杨建明，新海发电有限公司#11机组超速保护系统改造可行性研究与设计，2002年3月

来源:  http://www.cec.org.cn/4-6/technology/lwj/lunwen.asp?id=481