超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量回路優(yōu)化與改造

袁岑頡

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

0 引言

上海汽輪機(jī)廠（簡(jiǎn)稱“上汽”）超超臨界汽輪機(jī)采用德國(guó)西門子技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于660 MW、1 000 MW等大型火電項(xiàng)目[1]，該類型機(jī)組共安裝了6個(gè)A5S05系列霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)速探頭和2套E16型轉(zhuǎn)速處理單元。每套E16型轉(zhuǎn)速處理單元包括1塊E1696管理模塊和3塊E1655測(cè)速模塊，每塊E1696管理模塊負(fù)責(zé)本框架內(nèi)的3塊E1655測(cè)速模塊的管理和測(cè)試。

本類型汽輪機(jī)超速保護(hù)分為A通道和B通道，6個(gè)霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)速探頭采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)分為2組分別送至2套E16型轉(zhuǎn)速處理單元內(nèi)，單通道“三取二”判斷后通過(guò)軟硬回路對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行遮斷[2]。E16型轉(zhuǎn)速處理單元在進(jìn)行超速保護(hù)的同時(shí)，還將轉(zhuǎn)速頻率信號(hào)送至ADDFEM高速采集模件（西門子T-3000系統(tǒng)）或者SS測(cè)速模件（艾默生ovation系統(tǒng)）進(jìn)行采集處理，常規(guī)配置均為A通道1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制，B通道4，5，6號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)僅用于畫(huà)面監(jiān)視[3]。

1 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集回路優(yōu)化

1.1 事件概述

2018-03-01 T 16：28，某電廠 8號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)停盤車，發(fā)現(xiàn)DEH（數(shù)字電液控制）系統(tǒng)畫(huà)面1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)顯示停止刷新，4，5，6號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)由盤車轉(zhuǎn)速正常降至“0”，汽輪機(jī)頂軸油泵無(wú)法聯(lián)鎖停運(yùn)。

本類型機(jī)組超速保護(hù)分為兩通道，單通道動(dòng)作后通過(guò)軟硬回路對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行遮斷。布朗轉(zhuǎn)速卡在進(jìn)行超速保護(hù)的同時(shí)，還將轉(zhuǎn)速信號(hào)送至ADDFEM高速采集模件，如圖1所示。A通道的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)同時(shí)送至AB和 AC兩塊ADDFEM模件，F(xiàn)M控制邏輯中將AB和AC兩塊ADDFEM模件采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行高值選擇后生成汽輪機(jī)控制用的轉(zhuǎn)速信號(hào)1，2，3。B通道的4，5，6號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)送至AD單塊ADDFEM模件，這3個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)僅用于監(jiān)視[4]。

圖1 轉(zhuǎn)速信號(hào)采集回路

結(jié)合歷史曲線對(duì)此次故障原因進(jìn)行分析。2018-02-27 8號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)盤車期間，2號(hào)ADDFEM模件故障信號(hào)已經(jīng)觸發(fā)，該模件采集的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)保持故障前的盤車轉(zhuǎn)速，由于此時(shí)1號(hào)ADDFEM模件正常工作，在高選作用下畫(huà)面中的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)仍能夠正常顯示。2018-03-11 T 16：28，汽輪機(jī)開(kāi)始停盤車，1號(hào)ADDFEM模件采集的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)正常降至“0”，2號(hào)ADDFEM模件采集的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)保持故障前的盤車轉(zhuǎn)速，在高選作用下畫(huà)面中的1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)無(wú)法顯示停盤車后的轉(zhuǎn)速，畫(huà)面顯示2號(hào)ADDFEM模件故障前的盤車轉(zhuǎn)速并停止刷新。

1.2 存在的問(wèn)題

目前A通道1，2，3號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)同時(shí)送至AB和AC兩塊ADDFEM高速采集模件，并將AB和AC兩塊ADDFEM模件采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行高選處理后用于汽輪機(jī)控制，采用這種方法配置轉(zhuǎn)速信號(hào)，如果機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生單塊ADDFEM模件故障，轉(zhuǎn)速信號(hào)將失控。

1.3 優(yōu)化措施

針對(duì)上述問(wèn)題，需要對(duì)該回路進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化措施主要有兩方面：

（1）利用組態(tài)中ADDFEM通信收發(fā)功能塊“CRV”和“CTV”產(chǎn)生的通信報(bào)警，作為轉(zhuǎn)速信號(hào)質(zhì)量判斷的條件。引入ADDFEM1和ADDFEM2通信中斷報(bào)警，如果某塊ADDFEM模件發(fā)生故障，則屏蔽高選回路，選擇未報(bào)警的ADDFEM模件采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)用于汽輪機(jī)控制[5]。

（2）參考功率、壓力信號(hào)的配置方法，將3個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)分別送至3塊ADDFEM模件，并在邏輯中進(jìn)行“三取二”信號(hào)選擇，通過(guò)這種方法能夠避免單塊ADDFEM模件故障引起轉(zhuǎn)速失控。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速信號(hào)采集回路如圖2所示，優(yōu)化后能夠最大程度消除ADDFEM模件故障對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的影響[6]。

圖2 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)速信號(hào)采集回路

2 布朗卡件參數(shù)設(shè)置優(yōu)化

2.1 事件概述

2016-04-11，某電廠8號(hào)機(jī)組360 MW負(fù)荷AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）方式運(yùn)行，19：25 8號(hào)機(jī)組跳閘，機(jī)組MFT（主燃料跳閘）動(dòng)作，ETS（緊急跳閘系統(tǒng)）跳閘，首出為超速保護(hù)動(dòng)作。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，A通道的1號(hào)轉(zhuǎn)速探頭接線松動(dòng)，造成探頭信號(hào)故障不定時(shí)發(fā)訊，由于測(cè)速模塊E1655中的P02.04參數(shù)設(shè)置為傳感器出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行報(bào)警，因此轉(zhuǎn)速1發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。由于E1696管理模塊會(huì)定期對(duì)單元內(nèi)的E1655測(cè)速模塊進(jìn)行自檢，自檢時(shí)強(qiáng)制觸發(fā)E1655測(cè)速模塊保護(hù)信號(hào)輸出，因此當(dāng)A通道的E1696管理模塊自檢到2號(hào)E1655測(cè)速模件時(shí)，轉(zhuǎn)速2超速保護(hù)信號(hào)輸出，同時(shí)轉(zhuǎn)速1的故障保護(hù)動(dòng)作信號(hào)已經(jīng)輸出，單通道滿足超速“三取二”條件，導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘。

2.2 存在的問(wèn)題

本次保護(hù)誤動(dòng)事件的一個(gè)重要原因是E16型轉(zhuǎn)速處理單元參數(shù)設(shè)置不夠合理，當(dāng)1號(hào)轉(zhuǎn)速探頭發(fā)生故障時(shí)（即輸出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)），E1696管理模塊會(huì)定期對(duì)單元內(nèi)的E1655測(cè)速模塊進(jìn)行自檢，一旦自檢到另一塊E1655即會(huì)滿足單通道“三取二”保護(hù)動(dòng)作條件。如果能夠?qū)16型轉(zhuǎn)速處理單元參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，本次保護(hù)誤動(dòng)事故就能夠避免[7]。

2.3 優(yōu)化措施

針對(duì)E16型轉(zhuǎn)速處理單元參數(shù)設(shè)置不夠合理的情況進(jìn)行分析和論證，并對(duì)上汽出廠設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行了修改。

（1）考慮到本類型機(jī)組超速保護(hù)設(shè)置為兩通道，當(dāng)單個(gè)轉(zhuǎn)速探頭發(fā)生故障時(shí)，如果保護(hù)動(dòng)作信號(hào)不觸發(fā)不會(huì)給機(jī)組帶來(lái)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議將測(cè)速模塊E1655中的P02.04參數(shù)由“1”設(shè)置為“0”，即當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)不會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

（2）管理模塊E1696中的P02.01參數(shù)建議由“1”設(shè)置為“0”，即當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)取消自動(dòng)巡檢。建議延長(zhǎng)監(jiān)視模塊E1696的自檢周期，并將 P02.02 參數(shù)由“720”修改為“9999”[8]， 推薦的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 E16型轉(zhuǎn)速處理單元推薦設(shè)置參數(shù)

需要注意的是，很多同類型機(jī)組對(duì)監(jiān)視模塊E1696中的P02.03參數(shù)也進(jìn)行了修改，將巡檢方式設(shè)置為手動(dòng)巡檢，即取消了自動(dòng)巡檢功能，這樣會(huì)導(dǎo)致E1655測(cè)速模塊的工作狀態(tài)失去監(jiān)控，當(dāng)E1655測(cè)速模塊發(fā)生故障時(shí)無(wú)法在面板中顯示故障代碼，因此建議保留自動(dòng)巡檢功能。

3 轉(zhuǎn)速探頭選型與安裝環(huán)境優(yōu)化

3.1 事件概述

2014-11-10，某電廠7號(hào)機(jī)組850 MW負(fù)荷AGC方式運(yùn)行，14：10機(jī)組協(xié)調(diào)控制負(fù)荷閉鎖，DEH系統(tǒng)“control not ok”故障報(bào)警。經(jīng)檢查DEH系統(tǒng)采集的1號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)大幅度跳變，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制偏差異常報(bào)警并觸發(fā)“control not ok”。檢查機(jī)柜發(fā)現(xiàn)1號(hào)布朗卡件面板顯示值同樣存在跳變現(xiàn)象，檢查轉(zhuǎn)速尖峰值已達(dá)到3 250 r/min，拆除1號(hào)轉(zhuǎn)速信號(hào)電源接線，轉(zhuǎn)速顯示為0，同時(shí)“control not ok”信號(hào)復(fù)歸，機(jī)組負(fù)荷控制恢復(fù)正常。

機(jī)組停機(jī)前檢查發(fā)現(xiàn)安裝轉(zhuǎn)速支架的2號(hào)瓦殼體溫度高達(dá)95℃，轉(zhuǎn)速探頭保護(hù)套管有明顯燙傷。機(jī)組停機(jī)后檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)轉(zhuǎn)速探頭航插接口存在燙傷情況，對(duì)轉(zhuǎn)速探頭阻值進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)1號(hào)轉(zhuǎn)速探頭阻值異常，由此判斷此次轉(zhuǎn)速探頭故障是由于安裝環(huán)境惡劣、環(huán)境溫度過(guò)高所致。

3.2 存在的問(wèn)題

上汽超超臨界機(jī)組2號(hào)瓦溫度過(guò)高現(xiàn)象并不是個(gè)例，目前已經(jīng)投產(chǎn)的上汽超超臨界機(jī)組運(yùn)行期間2號(hào)瓦溫度均偏高，由于溫度過(guò)高導(dǎo)致轉(zhuǎn)速信號(hào)異常的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生[9]。主要有以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）轉(zhuǎn)速探頭選型不合理，未采用耐高溫探頭；（2）上汽超超臨界機(jī)組2號(hào)瓦溫度偏高，布置在該位置的元件與尾線容易發(fā)生高溫燙損。

3.3 優(yōu)化措施

針對(duì)上述問(wèn)題，采取以下優(yōu)化措施：

（1）對(duì)霍爾轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行改型。取消帶航插的探頭，選用耐溫程度較高且無(wú)航插的一體式霍爾探頭。同時(shí)在原轉(zhuǎn)速測(cè)量盤上增加轉(zhuǎn)速探頭安裝孔，增加一套備用轉(zhuǎn)速探頭，在其他任意一套轉(zhuǎn)速探頭失效時(shí)使用。

（2）對(duì)2號(hào)瓦的高溫環(huán)境進(jìn)行改善。在2號(hào)瓦正上方增加軸流風(fēng)扇，在轉(zhuǎn)速盤四周增加用于冷卻的儀用空氣管路，同時(shí)在2號(hào)瓦勵(lì)端軸頸漏氣處采用特殊的保溫材料，并加裝隔熱金屬板，改造后的2號(hào)瓦處如圖3所示。

圖3 改造后的2號(hào)瓦處實(shí)物

4 超速旁路改造

4.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

上汽超超臨界汽輪機(jī)DEH系統(tǒng)和ETS主要采用西門子T-3000和艾默生ovation兩種控制系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)超速保護(hù)的控制實(shí)現(xiàn)方法大同小異[10]。

對(duì)于采用西門子T-3000系統(tǒng)的機(jī)組：E16型轉(zhuǎn)速處理單元將采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)在轉(zhuǎn)速卡內(nèi)部進(jìn)行判斷后輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，開(kāi)關(guān)量信號(hào)送至超速繼電器的同時(shí)通過(guò)并接的方式直接送至FDI卡件（安全故障型開(kāi)關(guān)量輸入卡件）。超速繼電器的觸點(diǎn)直接串入停機(jī)電磁閥供電回路，汽輪機(jī)超速時(shí)直接斷開(kāi)該回路；FDI卡件通過(guò)邏輯“三取二”判斷后輸出保護(hù)信號(hào)觸發(fā)汽輪機(jī)遮斷。以上兩個(gè)回路即為超速硬回路和軟回路保護(hù)[11]。

對(duì)于采用艾默生ovation系統(tǒng)的機(jī)組：超速硬回路和西門子T-3000系統(tǒng)完全一致，軟回路則是通過(guò)E16型轉(zhuǎn)速處理單元將采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)在轉(zhuǎn)速卡內(nèi)部進(jìn)行處理后輸出頻率信號(hào)至SS測(cè)速模件，SS測(cè)速模件通過(guò)定值設(shè)置輸出動(dòng)作信號(hào)至ETS，ETS通過(guò)“三取二”判斷后觸發(fā)汽輪機(jī)遮斷[12]。

4.2 存在的問(wèn)題

西門子T-3000系統(tǒng)和艾默生ovation系統(tǒng)同時(shí)存在以下問(wèn)題：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速卡件輸出送至硬回路的開(kāi)關(guān)量信號(hào)均為閉合狀態(tài)，如果發(fā)生任意轉(zhuǎn)速探頭或者轉(zhuǎn)速卡件故障時(shí)，無(wú)法在線強(qiáng)制超速硬回路保護(hù)[13]。

由于西門子T-3000系統(tǒng)F型邏輯無(wú)法在線強(qiáng)制，對(duì)于采用信號(hào)并接方式直接送至FDI卡件的西門子T-3000系統(tǒng)，軟、硬回路均無(wú)法在線強(qiáng)制，遇到轉(zhuǎn)速探頭或者轉(zhuǎn)速卡件故障時(shí)存在較大的操作安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的處理[14]。

4.3 旁路改造

針對(duì)超速保護(hù)無(wú)法在線強(qiáng)制的問(wèn)題，對(duì)保護(hù)回路進(jìn)行了優(yōu)化和改造，增加超速保護(hù)旁路功能，通過(guò)增加外部24 V直流供電電源和新增端子短接排的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)的旁路，從而保證超速保護(hù)能夠在線強(qiáng)制[15]。西門子T-3000系統(tǒng)超速旁路改造如圖4所示。

圖4 超速旁路改造

圖4中+BA-X2的5號(hào)，6號(hào)端子即為轉(zhuǎn)速1的跳閘觸點(diǎn)，其中觸點(diǎn)5為24 V直流供電電源，觸點(diǎn)6分兩路送到超速硬回路和FDI卡件中。CA008和DA008為兩塊冗余配置的FDI卡件，F(xiàn)DI卡件可以實(shí)現(xiàn)左右冗余，跳閘觸點(diǎn)首先進(jìn)入CA008的一個(gè)通道，然后進(jìn)入CA008的冗余通道，再進(jìn)入DA008的一個(gè)通道，最后進(jìn)入DA008的冗余通道。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，+BA-X2的5號(hào)，6號(hào)端子導(dǎo)通，超速保護(hù)跳閘觸點(diǎn)進(jìn)入硬回路和FDI卡時(shí)均帶有24 V直流電壓，因此若要增加超速保護(hù)屏蔽回路，需要保證+BA-X2的6號(hào)端子一直有一個(gè)穩(wěn)定的24 V直流供電電源，基于這個(gè)原理，新增了端子短接排X10，增加外部供電電源X03：9引至端子排X10的1號(hào)端子。當(dāng)機(jī)組發(fā)生1號(hào)轉(zhuǎn)速探頭或者1號(hào)測(cè)速卡件故障，需要在線強(qiáng)制超速保護(hù)時(shí)，短接端子排X10的1號(hào)，2號(hào)端子即可，其他通道依次類推，通過(guò)這種方法能夠達(dá)到屏蔽超速保護(hù)的目的。

5 改造后可靠度預(yù)測(cè)

以嘉興發(fā)電廠8號(hào)機(jī)組為例，對(duì)優(yōu)化改造前后的可靠度進(jìn)行定量估算。

轉(zhuǎn)速測(cè)量回路的主要故障單元為轉(zhuǎn)速探頭、E16型卡件、轉(zhuǎn)速信號(hào)采集卡、繼電器等元器件、電纜，其中任一單元故障都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速測(cè)量回路失準(zhǔn)，以上5個(gè)單元組成了一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)[16]。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各單元的故障率統(tǒng)計(jì)，引入基本失效率λ（10-4次/h）?？煽慷扔?jì)算公式為：

式中： RS（t）為轉(zhuǎn)速測(cè)量回路可靠度； Ri（t）為第 i個(gè)單元的可靠度；n為單元總數(shù)；t為運(yùn)行時(shí)間。

設(shè)單元 i的失效率為 λi（t），則

式（3）中的 λS（t）為單元失效率的總和，由于系統(tǒng)失效率 λS（t）為常量[17]， 因此

式（1）和式（2）合并帶入后得到

各單元的失效率統(tǒng)計(jì)如表2所示，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后可得改造前、后的λS分別為19.5和6.8， 則改造前可靠度 RS1=exp（-19.5×10-4t）， 改造后可靠度 RS2=exp（-6.8×10-4t）。

表2 改造前、后的轉(zhuǎn)速測(cè)量回路故障單元失效率

該測(cè)量回路部件一般按照每月（30天）周期進(jìn)行設(shè)備點(diǎn)檢，由此可得轉(zhuǎn)速控制回路改造前后可靠度預(yù)測(cè)對(duì)比如圖5所示。

圖5 改造前后可靠度預(yù)測(cè)對(duì)比

由圖5可知，優(yōu)化改造后的可靠度較改造前有了大幅度的提高，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，可靠度仍保持在0.9左右，達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié)語(yǔ)

ADDFEM模件故障會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速失控，機(jī)組運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重影響甩負(fù)荷和一次調(diào)頻控制，通過(guò)邏輯修改和信號(hào)采集回路優(yōu)化能夠避免ADDFEM模件故障給機(jī)組轉(zhuǎn)速控制帶來(lái)的影響；對(duì)布朗卡件參數(shù)的優(yōu)化和修改能夠避免因轉(zhuǎn)速探頭故障引起的機(jī)組誤動(dòng)；對(duì)探頭進(jìn)行改型并改善安裝環(huán)境能夠降低轉(zhuǎn)速探頭的故障率；增加超速旁路能夠?qū)Τ倩芈愤M(jìn)行在線強(qiáng)制，確保機(jī)組運(yùn)行時(shí)能夠?qū)收咸筋^和卡件進(jìn)行在線更換和處理。通過(guò)以上4個(gè)方面的優(yōu)化改造，基本能夠消除上汽超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量回路存在的問(wèn)題，提高該類型機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量控制的可靠性。