抽汽機(jī)組的控制保護(hù)策略優(yōu)化探討

楊永青，鄒 晶，包錦華

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

隨著國(guó)家環(huán)保政策要求的提高，在有供暖或工業(yè)用汽需求的地區(qū)，居民的采暖和工業(yè)用汽逐步從以往分布零散、能耗高、污染大的小鍋爐供熱方式向由大型火電汽輪機(jī)抽汽供熱的方式轉(zhuǎn)變。大型火電機(jī)組抽汽供熱有著良好的經(jīng)濟(jì)性，而且較為環(huán)保，可以做到區(qū)域發(fā)展的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保效能的最佳平衡。

近年來，為不斷提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組的調(diào)節(jié)性能提出了更高要求，需要并網(wǎng)機(jī)組實(shí)時(shí)投入自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)并參與一次調(diào)頻。電網(wǎng)會(huì)對(duì)發(fā)電企業(yè)AGC一次調(diào)頻是否投入、響應(yīng)速度是否達(dá)標(biāo)進(jìn)行考核。而抽汽供熱機(jī)組的運(yùn)行，除受電負(fù)荷的影響，還受供熱負(fù)荷的影響，其控制策略更加復(fù)雜。并且，冬季供暖事關(guān)民生，這就要求發(fā)電企業(yè)供熱機(jī)組具有較高的可靠性，因此，這進(jìn)一步考驗(yàn)著機(jī)組控制保護(hù)策略是否全面、完善。

汽輪機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行(高可利用率)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行(設(shè)備保護(hù)投入)常常存在一定的矛盾。自動(dòng)保護(hù)投入越多，跳機(jī)的可能性就越大，對(duì)汽輪機(jī)可利用率就會(huì)造成負(fù)面影響；自動(dòng)保護(hù)投入過少，又會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的安全構(gòu)成威脅。本文通過分析一個(gè)抽汽機(jī)組的事故案例，探討電力企業(yè)中普遍采用的防止汽輪機(jī)保護(hù)誤動(dòng)措施的利弊，旨在給電力企業(yè)在平衡汽輪機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和汽輪機(jī)安全運(yùn)行方面的控制保護(hù)策略優(yōu)化提供借鑒。

1 事件過程介紹

某抽汽供熱機(jī)組在運(yùn)行中旋轉(zhuǎn)隔板油動(dòng)機(jī)線性可變差動(dòng)傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)發(fā)生斷線故障，導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨跳機(jī)。旋轉(zhuǎn)隔板起著節(jié)流閥的作用，功能和連通管調(diào)節(jié)閥類似。通過閥門開度的變化，調(diào)節(jié)閥前蒸汽壓力，滿足熱網(wǎng)管道的壓力調(diào)節(jié)需要。

現(xiàn)場(chǎng)查詢數(shù)字電液(Digital Electronic Hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)的歷史趨勢(shì)，還原整個(gè)停機(jī)過程：

1)某日，機(jī)組旋轉(zhuǎn)隔板油動(dòng)機(jī)LVDT發(fā)生斷線故障，閥門開度反饋為壞點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉；此時(shí)推力軸承瓦溫和軸向位移均在正常運(yùn)行值范圍內(nèi)。

2)旋轉(zhuǎn)隔板的關(guān)閉導(dǎo)致低壓缸通流量減小，機(jī)組整體出力降低，機(jī)組電負(fù)荷快速下降，而機(jī)組以協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System，CCS)/自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control, AGC)閉環(huán)方式運(yùn)行，故CCS指令增加，高調(diào)閥開度于LVDT斷線后13 s達(dá)到全開。

3)高調(diào)閥全開后，汽輪機(jī)推力平衡于LVDT斷線后17 s被破壞，軸向位移由-0.2 mm下降至超過負(fù)量程(-2 mm)，下降過程不足1 s，此時(shí)機(jī)組未遮斷；DEH歷史站記錄刷新周期為1 s，未能記錄軸向位移變化的過程。

4)推力軸承調(diào)閥端瓦塊金屬溫度于LVDT斷線后75 s上升至150 ℃(設(shè)計(jì)遮斷值為107 ℃，實(shí)際機(jī)組未遮斷)。

5)高壓缸脹差于LVDT斷線后83 s達(dá)到遮斷值9.18 mm(實(shí)際機(jī)組未遮斷)，并于LVDT斷線后165 s達(dá)到最大值12.48 mm。

6)動(dòng)靜碰磨造成了汽輪機(jī)1號(hào)瓦、2號(hào)瓦軸振過大，導(dǎo)致跳機(jī)，汽輪機(jī)開始惰走。

事件發(fā)生后，開缸檢查發(fā)現(xiàn)主要損傷如下：

1)轉(zhuǎn)子推力盤調(diào)閥端嚴(yán)重磨損，粗測(cè)磨損量達(dá)3.5 mm，表面硬度最高達(dá)540 HB(該轉(zhuǎn)子材料正常硬度范圍在220～260 HB)；推力軸承調(diào)閥端瓦塊嚴(yán)重磨損，粗測(cè)磨損量達(dá)4.5 mm。

2)高壓葉輪和隔板碰磨約1 mm；高中壓徑向汽封、隔板汽封和平衡活塞汽封磨損，高齒被推平。

3)動(dòng)靜碰磨致使轉(zhuǎn)子、汽缸、持環(huán)、隔板和螺栓均有不同程度的磁性，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示，部分螺栓最大磁力達(dá)到0.03 T，汽缸、持環(huán)、隔板部分位置最大達(dá)到0.006 T。

2 非正常停機(jī)事件分析

2.1 LVDT故障后旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉

機(jī)組采用ABB公司生產(chǎn)的控制系統(tǒng)，其閥門伺服卡件的特性為：當(dāng)LVDT發(fā)生故障時(shí)，其卡件輸出至伺服線圈的電流清零。按汽輪機(jī)廠原設(shè)計(jì)理念，斷電、斷線等故障狀態(tài)下油動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠控制抽汽調(diào)節(jié)閥全開。根據(jù)油動(dòng)機(jī)的油路設(shè)計(jì)，伺服閥應(yīng)為正零偏型伺服閥，型號(hào)應(yīng)當(dāng)為3034B。實(shí)際該現(xiàn)場(chǎng)使用的伺服閥型號(hào)為3033B，為負(fù)零偏型的伺服閥，故當(dāng)LVDT發(fā)生故障時(shí)，伺服卡件輸出電流為零，油動(dòng)機(jī)使旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉。

在LVDT發(fā)生故障，伺服閥發(fā)生故障，卡件故障和伺服閥斷線的情況下，應(yīng)該保證抽汽調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)全開，查明故障原因以后再進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 汽輪機(jī)推力平衡破壞

旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉時(shí)，機(jī)組推力瓦溫和軸向位移均正常。然而，由于機(jī)組投入CCS/AGC，當(dāng)機(jī)組電負(fù)荷指令不變，而實(shí)際電負(fù)荷功率下降時(shí)，控制系統(tǒng)就要求機(jī)組升負(fù)荷，汽輪機(jī)高調(diào)閥受指令打開至全開。期間汽輪機(jī)通流各監(jiān)視壓力升高，其中4號(hào)抽汽壓力升高，達(dá)到抽汽壓力高限1.4 MPa時(shí)，就會(huì)觸發(fā)DEH保護(hù)，以5%的閥門流量指令速率關(guān)閉高調(diào)門。然而由于CCS指令升高速率較大，沒有產(chǎn)生實(shí)際作用。汽輪機(jī)缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)隔板前各級(jí)壓力持續(xù)異常升高，最終導(dǎo)致了推力平衡被破壞。

汽輪機(jī)在事故狀態(tài)下，即不穩(wěn)定的調(diào)節(jié)情況下，應(yīng)該自動(dòng)解除CCS/AGC。同時(shí)，在主蒸汽和再熱蒸汽不穩(wěn)定，即鍋爐和旁路裝置發(fā)生故障的情況下，應(yīng)當(dāng)要求退出AGC。

2.3 軸位移保護(hù)系統(tǒng)未輸出跳機(jī)信號(hào)

推力平衡破壞后，軸向位移在1 s內(nèi)超出負(fù)量程，顯示壞點(diǎn)，但汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)儀表(Turbine Supervisory Instrumentation，TSI)未輸出軸位移跳機(jī)信號(hào)。

為了區(qū)分正常測(cè)量到達(dá)報(bào)警值觸發(fā)報(bào)警，和傳感器通道的異常斷線、電壓異常(超量程)等觸發(fā)報(bào)警，電廠使用德國(guó)EPRO公司生產(chǎn)的監(jiān)測(cè)儀表，其卡件在組態(tài)時(shí)可以選擇報(bào)警抑制功能。軸位移通道輸出組態(tài)選項(xiàng)如圖1所示，其中，閉鎖即為報(bào)警抑制。

圖1 軸位移通道輸出組態(tài)選項(xiàng)

在啟用“報(bào)警抑制”功能的情況下，當(dāng)汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量到跳機(jī)值時(shí)，在到達(dá)設(shè)定的延時(shí)結(jié)束前，若通道狀態(tài)正常，則遮斷繼電器會(huì)發(fā)生動(dòng)作。如果在設(shè)定的延時(shí)結(jié)束前測(cè)量到跳機(jī)值，通道已發(fā)生故障報(bào)警，則遮斷繼電器不會(huì)動(dòng)作。

在關(guān)閉“報(bào)警抑制”功能的情況下，當(dāng)傳感器斷線或者超過量程，則通道發(fā)起故障報(bào)警，通道在設(shè)定的延時(shí)結(jié)束后觸發(fā)遮斷繼電器，使其發(fā)生動(dòng)作。

本次事件機(jī)組監(jiān)測(cè)儀表的軸向位移啟用了報(bào)警抑制功能，從正常值到超過跳機(jī)值，再到超量程(通道狀態(tài)為故障)，總的時(shí)間小于1 s，而通道輸出設(shè)置了1 s的延時(shí)，最終沒有觸發(fā)通道至危急遮斷系統(tǒng)(Emergency Trip System, ETS)的遮斷繼電器，未能使遮斷繼電器發(fā)生動(dòng)作。

對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和軸向位移這2個(gè)變量，在任何工況下都不能在其控制邏輯中加延遲時(shí)間。為了保證不發(fā)生誤跳機(jī)，應(yīng)該采用三選二或者四選二的邏輯。建議將這些邏輯做在ETS保護(hù)柜內(nèi)，即使線路上有干擾信號(hào)，也能保證汽輪機(jī)的安全。

2.4 推力軸承金屬溫度保護(hù)系統(tǒng)未輸出跳機(jī)信號(hào)

根據(jù)汽輪機(jī)廠要求，推力軸承金屬溫度保護(hù)系統(tǒng)在107 ℃時(shí)即應(yīng)當(dāng)輸出跳機(jī)信號(hào)。實(shí)際上，出于減少機(jī)組非正常停機(jī)的考慮，國(guó)內(nèi)不少發(fā)電企業(yè)自行決定將此跳機(jī)條件取消。經(jīng)了解，該機(jī)組同樣取消了推力軸承溫度過高的跳機(jī)保護(hù)機(jī)制，僅設(shè)置了報(bào)警，由運(yùn)行人員判斷是否停機(jī)。實(shí)際事件發(fā)生時(shí)，由于諸多參數(shù)報(bào)警異常，運(yùn)行人員應(yīng)接不暇，因此未能在短時(shí)間內(nèi)快速判斷決定。

推力軸承金屬溫度是使用熱電阻或者熱電偶測(cè)量的，這2種測(cè)量元器件的抗干擾能力都比較差，如果直接投入自動(dòng)保護(hù)，勢(shì)必會(huì)引起誤跳機(jī)。建議采取冗余配置并進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理[1]，即使用同一面的溫度點(diǎn)采用二選二的模式，再加2～3 s的延時(shí)，投入自動(dòng)保護(hù)。

2.5 高壓缸脹差保護(hù)系統(tǒng)未輸出跳機(jī)信號(hào)

經(jīng)了解，機(jī)組高壓缸脹差保護(hù)系統(tǒng)為單點(diǎn)保護(hù)，業(yè)主擔(dān)心這樣會(huì)造成機(jī)組誤跳，遂自行決定取消了高壓缸脹差保護(hù)機(jī)制，造成了非正常停機(jī)事件發(fā)生期間，高壓缸脹差達(dá)到遮斷值時(shí)無法輸出跳機(jī)信號(hào)，致使機(jī)組繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，加重了設(shè)備損傷。

正常情況下，高壓缸脹差和低壓缸脹差在啟停機(jī)時(shí)參數(shù)有變化，在機(jī)組達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，其參數(shù)變化量很小。正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組參數(shù)發(fā)生很大變化的時(shí)候，機(jī)組故障肯定已經(jīng)產(chǎn)生。機(jī)組測(cè)量脹差，有的使用渦流傳感器，有的使用LVDT形式，其抗干擾能力一般，所以建議采用二選二的模式，再加上適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，投入自動(dòng)保護(hù)。

2.6 振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)輸出跳機(jī)信號(hào)

汽輪機(jī)廠要求X向或Y向任意通道振動(dòng)值達(dá)到遮斷值時(shí)，振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)即輸出跳機(jī)信號(hào)。實(shí)際上，出于減少因信號(hào)干擾、探頭故障等造成的機(jī)組非正常停機(jī)的考慮，國(guó)內(nèi)不少發(fā)電企業(yè)自行決定將此跳機(jī)條件修改為同一軸瓦的X通道報(bào)警且Y通道跳機(jī)(或X通道跳機(jī)且Y通道報(bào)警)輸出[2]。該機(jī)組正是采用了上述避免誤跳機(jī)的方案。然而，盡管機(jī)組最終是通過振動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)輸出了跳機(jī)信號(hào)，卻由于采取了上述避免誤跳的設(shè)置，導(dǎo)致機(jī)組在第一次1X振動(dòng)值達(dá)到遮斷值時(shí)未能及時(shí)跳機(jī)，而等到近30 s后，1X和1Y滿足一個(gè)報(bào)警、一個(gè)遮斷的條件時(shí)，才最終輸出跳閘信號(hào)，造成了設(shè)備損傷進(jìn)一步加重。

根據(jù)國(guó)家最新的25項(xiàng)措施[3]，保護(hù)系統(tǒng)必須采用二選二，或者三選二的模式，不能采用單點(diǎn)保護(hù)。但是，振動(dòng)和軸瓦溫度的測(cè)量感應(yīng)元件沒有辦法安裝在同一點(diǎn)上，根據(jù)實(shí)踐，即使二者安裝在非常靠近的位置，其測(cè)量出來的數(shù)據(jù)差別也很大。汽輪機(jī)在事故狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子在大部分情況下往一個(gè)方向偏，往往是一個(gè)方向的振動(dòng)先大起來，等到發(fā)生碰磨到一定程度以后兩邊的振動(dòng)再同時(shí)大起來。非正常停機(jī)時(shí)間過程曲線如圖2所示。

圖2 非正常停機(jī)事件過程曲線

3 事件總結(jié)與控制優(yōu)化

經(jīng)過對(duì)上述非正常停機(jī)事件發(fā)生過程的分解和分析，從機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況出發(fā)，基于汽輪機(jī)安全運(yùn)行要求，對(duì)抽汽機(jī)組的控制保護(hù)策略優(yōu)化的總結(jié)和建議如下：

1)在機(jī)組油動(dòng)機(jī)的維護(hù)調(diào)試時(shí)，應(yīng)確保伺服閥斷線時(shí)，油動(dòng)機(jī)的動(dòng)作方向有利于機(jī)組的安全。高壓主汽閥、高壓調(diào)閥、中壓調(diào)閥在油動(dòng)機(jī)伺服閥斷線的情況下應(yīng)關(guān)閉，旋轉(zhuǎn)隔板或者連通管壓力調(diào)節(jié)閥在油動(dòng)機(jī)伺服閥斷線的情況下應(yīng)打開。

2)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)油動(dòng)機(jī)LVDT發(fā)生故障時(shí)，確保伺服卡輸出的指令有利于機(jī)組的安全。

3)取消TSI監(jiān)測(cè)儀表的報(bào)警抑制功能，斷線或超限等狀態(tài)應(yīng)當(dāng)直接觸發(fā)繼電器，使其發(fā)生動(dòng)作。探頭安裝調(diào)試時(shí)應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，確保軸向位移在通道故障情況下正確輸出跳機(jī)保護(hù)信號(hào)[4]?？梢钥紤]將每個(gè)軸向位移探頭的跳機(jī)輸出信號(hào)單獨(dú)接入ETS，由ETS進(jìn)行“四選二”輸出保護(hù)。

4)推力瓦溫度保護(hù)機(jī)制的投入可以采用推力瓦金屬溫度“二選二”的模式，避免單點(diǎn)保護(hù)影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

5)對(duì)于旋轉(zhuǎn)隔板突然關(guān)閉的情況，應(yīng)切除協(xié)調(diào)，將DEH由遙控模式切換成操作員自動(dòng)模式運(yùn)行，確保汽輪機(jī)維持原來的狀態(tài)。同樣，應(yīng)當(dāng)對(duì)連通管壓力調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉后切除協(xié)調(diào)等邏輯進(jìn)行完善。

6)增加一套脹差信號(hào)，以配合原始的脹差信號(hào)。脹差信號(hào)進(jìn)行“二選二”投入保護(hù)。通過增加冗余的方式，確保保護(hù)信號(hào)的可靠，使其有利于汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

7)為防止誤跳機(jī)，發(fā)電企業(yè)往往將軸振保護(hù)跳機(jī)邏輯設(shè)置為“X通道報(bào)警且Y通道跳機(jī)”，或“X通道跳機(jī)且Y通道報(bào)警”，實(shí)際上，極端情況下會(huì)出現(xiàn)某一方向振動(dòng)值在報(bào)警范圍內(nèi)，而另一方向振動(dòng)值遠(yuǎn)超跳機(jī)值。故建議將振動(dòng)保護(hù)跳機(jī)邏輯調(diào)整為：任意方向(X或Y)振動(dòng)達(dá)到跳機(jī)值，系統(tǒng)即輸出跳機(jī)信號(hào)。考慮信號(hào)干擾因素，振動(dòng)信號(hào)尤其是瓦振信號(hào)可增加3 s濾波。

4 結(jié) 論

汽輪機(jī)控制保護(hù)策略關(guān)系著機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，而抽汽機(jī)組的復(fù)雜性更是對(duì)其提出了極高的要求。本文深入分析討論了某抽汽機(jī)組動(dòng)靜碰磨事件，獲得了汽輪機(jī)，尤其是抽汽機(jī)組的控制保護(hù)策略的優(yōu)化方案。方案可操作性強(qiáng)，在汽輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性之間找到了最佳平衡點(diǎn)。研究成果可為國(guó)內(nèi)日趨復(fù)雜的運(yùn)行工況和寬負(fù)荷的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)運(yùn)行提供借鑒和參考。