全容量給水泵汽輪機保護系統(tǒng)可靠性分析及優(yōu)化措施

馬仁婷

(大唐華中電力試驗研究院，鄭州 450000)

0 引言

給水泵汽輪機作為火電機組重要的輔機之一，其投資在全廠輔機中占有較大比重，同時對機組的安全、經(jīng)濟運行起著重要作用。隨著汽輪機制造工藝的不斷發(fā)展以及對節(jié)能減排要求的不斷提高，全容量給水泵汽輪機逐漸應(yīng)用于大型新建機組中。在某超超臨界新建機組設(shè)計工況運行中，采用上海汽輪機廠生產(chǎn)的ND103/97/06型變轉(zhuǎn)速凝汽式汽輪機單機運行，用于驅(qū)動660 MW等級汽輪發(fā)電機組全容量汽動給水泵(以下簡稱汽泵)。該汽輪機有足夠的功率與轉(zhuǎn)速裕度，在采用單機運行時能驅(qū)動給水泵超負荷運行，使得單臺汽泵供給鍋爐全容量的給水量。給水泵汽輪機單機配置方式雖能節(jié)能降耗降低發(fā)電成本，但從機組非停情況來看系統(tǒng)的可靠性有所下降。因此，在全容量給水泵汽輪機系統(tǒng)的設(shè)計上，對于其保護系統(tǒng)的可靠性要求較高，給水泵汽輪機保護的重要性幾乎等同于大機主保護。本文利用解析法從保護用信號、控制邏輯以及硬回路構(gòu)成3個方面對某660 MW新建機組全容量給水泵汽輪機保護系統(tǒng)(METS)的可靠性進行分析評價，并在原出廠設(shè)計的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化措施，為整個機組的安全、經(jīng)濟運行提供可靠保障［1］。

1 保護信號的可靠性分析及優(yōu)化

給水泵汽輪機保護系統(tǒng)接受傳感器、分散控制系統(tǒng)(DCS)或來自給水泵汽輪機軸系監(jiān)視系統(tǒng)(MTSI)的重要保護信號，保護信號來源的可靠性是整個系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。本文從信號冗余、電纜冗余、控制柜通道冗余以及信號類型幾個方面對參與給水泵汽輪機保護的重要信號進行可靠性分析。

給水泵汽輪機保護項目及其保護信號來源原設(shè)計見表1，在保護信號來源的可靠性上發(fā)現(xiàn)以下4個隱患：(1)汽泵及給水泵汽輪機軸承溫度保護均為單測點，未實現(xiàn)信號冗余;(2)除控制油壓低停機保護以及汽泵進口壓力低低保護外，其余保護信號均未實現(xiàn)電纜獨立;(3)軸承振動各測點和軸向位移各測點有公用一排MTSI機柜背板的現(xiàn)象，未嚴格實現(xiàn)保護信號通道獨立;(4)潤滑油壓低停機保護、控制油壓低保護以及排汽壓力高的保護信號為經(jīng)給水泵汽輪機數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(MEH)3取2判斷后的網(wǎng)絡(luò)點，信號可靠性較差。綜合以上可靠性評價，該給水泵汽輪機的各保護信號未實現(xiàn)測點冗余以及全程信號獨立，不符合《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中“保護信號應(yīng)遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則”［2］。

表1 給水泵汽輪機保護項目及其保護信號來源Tab.1 Feedwater pump turbine protection project and its protection signal source

為保障重要保護信號的可靠性，本文提出以下優(yōu)化措施：

(1)汽泵及給水泵汽輪機軸承溫度保護信號增加冗余測點，若無法滿足測點冗余的要求，建議將單點保護取消或在保護邏輯上進行優(yōu)化;

(2)未實現(xiàn)電纜獨立的信號需進行電纜拆分改造，確保保護信號的冗余測點位于不同根多芯電纜，實現(xiàn)電纜獨立;

(3)對MTSI機柜的測點通道位置進行改造，使得來自MTSI的保護信號冗余測點位于不同卡件且位于MTSI機柜的不同背板;

(4)將MEH判斷后的潤滑油壓低停機保護、控制油壓低保護以及排汽壓力高保護信號的網(wǎng)絡(luò)點改為3路硬接線，送出3路DO信號，在METS進行3取2邏輯判斷，以提高保護信號的可靠性。

2 控制邏輯的可靠性分析及優(yōu)化

給水泵汽輪機的保護邏輯在METS控制器的工程組態(tài)中完成，設(shè)計嚴謹合理的保護邏輯是提高保護系統(tǒng)可靠性的有效手段。通過對表1中13項保護項目的邏輯設(shè)計進行可靠性分析，該廠的給水泵汽輪機保護邏輯主要存在以下2項問題和隱患。首先，某些保護項目測點安裝無法實現(xiàn)3個以上冗余，原設(shè)計中進行2取1或1取1邏輯判斷觸發(fā)保護信號，該邏輯不僅會增大保護誤動的概率，更是違背了《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中“所有重要的主保護都應(yīng)采用3取2的邏輯判斷方式”的原則［2］。其次，某些保護用測點較為敏感，受干擾易引起信號跳變造成保護誤動，因此除了做好各個測點的屏蔽措施以外，需增加重要測點的質(zhì)量判斷回路以及速率變化限制判斷功能［3－8］。下面以軸承振動大停機和軸承溫度高2個保護項目的控制邏輯為例，給出針對以上設(shè)計隱患的邏輯優(yōu)化措施。

2.1 軸承振動大停機邏輯設(shè)計

該汽泵共安裝8個軸承振動測點，分別安裝在汽輪機前軸承、汽輪機后軸承、給水泵前軸承、給水泵后軸承4個位置上，每個軸承相近位置設(shè)置2個測點。通過MTSI將軸振跳機的開關(guān)量信號送入METS進行邏輯判斷，原邏輯設(shè)計中采用2取1邏輯判斷，即只要有1個軸承振動超出設(shè)定值便會觸發(fā)保護信號使得給水泵汽輪機跳閘，且在給水泵汽輪機轉(zhuǎn)速過臨界過程中，發(fā)現(xiàn)汽輪機前后軸承振動較大，超出軸承振動保護定值［9］。針對該設(shè)計隱患，給出以下優(yōu)化方案，以汽輪機前后軸承振動大保護為例，優(yōu)化后的邏輯原理圖如圖1所示。給水泵汽輪機在轉(zhuǎn)速未過臨界時，每個軸振信號在MTSI側(cè)輸出報警、停機的開關(guān)量信號，送至METS，當任一軸振到達跳閘值且除本身外的任一軸振達到報警值，該保護動作。在轉(zhuǎn)速過臨界時，給水泵汽輪機軸振保護使用另一套保護定值，有任一軸振信號到達跳閘值，給水泵汽輪機軸振大保護動作。

2.2 軸承溫度保護邏輯設(shè)計

圖1 給水泵汽輪機軸振大保護邏輯原理圖Fig.1 Schematic diagram of high vibration protection logic for the feedwater pump turbine

該汽泵組共有18個軸承溫度測點，軸承溫度保護的原設(shè)計邏輯均為單點保護，保護誤動的風(fēng)險較大，且無質(zhì)量判斷回路以及速率變化限制判斷功能。針對單點保護，本文給出以下優(yōu)化措施，即同一軸承的相鄰溫度測點進行相互驗證，一點溫度到達跳閘值且任一相鄰溫度測點到達報警值，進行軸承溫度高保護動作。

為了避免信號干擾以及電纜損壞導(dǎo)致溫度突變或溫度信號壞質(zhì)量，從而引起軸承溫度高保護動作誤動，建議增加溫度質(zhì)量判斷回路。以任一軸承溫度測點為例，溫度質(zhì)量判斷邏輯原理圖如圖2所示，軸承溫度測點品質(zhì)壞或溫度變化超速率均判斷為軸承溫度壞質(zhì)量，壞質(zhì)量的軸承溫度測點不參與保護動作。

3 跳閘硬回路的可靠性分析及優(yōu)化

給水泵汽輪機跳閘硬回路主要由繼電器、停機按鈕以及硬接線搭建而成，硬回路是保護系統(tǒng)的重要組成部分，也是系統(tǒng)能夠安全停機的最后保障［10］。該機組的給水泵汽輪機跳閘硬回路原理如圖3所示，2套超速保護裝置的繼電器和機頭停機按鈕、集控室手動停機按鈕的部分觸點串聯(lián)在跳機電磁閥的供電回路中，當汽輪機超速或手動緊急停機時電磁閥失電，給水泵汽輪機跳閘。

圖2 軸承溫度質(zhì)量判斷邏輯原理圖Fig.2 Schematic diagram of quality judgment logic of the bearing temperature

圖3 給水泵汽輪機跳閘硬回路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the tripping of the hard circuit in feedwater pump turbine

本文主要從硬件配置的冗余性和各硬件自身的性能上對該跳閘硬回路的可靠性進行分析。首先，對硬件配置的冗余性進行分析。超速保護采用了6個轉(zhuǎn)速探頭組成2組3通道的超速保護裝置，每組3個超速動作信號通過繼電器回路進行3取2邏輯處理，2組超速保護裝置串聯(lián)進跳機電磁閥的供電回路中，任一超速裝置動作，跳機電磁閥失電，機組遮斷。機頭停機按鈕和集控室停機按鈕均冗余連接2對常閉觸點，2對常閉觸點并聯(lián)，當任一停機按鈕的2對觸點均為開位，跳機電磁閥失電，機組跳閘。綜上所述，該跳閘硬回路的硬件配置冗余性較好。其次，跳閘硬回路中核心元件是繼電器，因此，選擇合適性能的繼電器是硬回路正確動作的有效保障。該給水泵汽輪機在第1次沖轉(zhuǎn)進行硬回路超速保護試驗時，硬回路動作后汽機遮斷，隨后汽機又自動重新掛閘，導(dǎo)致超速試驗不成功。而后對該跳閘硬回路的硬件進行排查分析，發(fā)現(xiàn)硬回路中跳閘繼電器無自保持功能，導(dǎo)致汽機在硬回路跳閘條件恢復(fù)后自動掛閘、使得硬回路動作不正確。

針對以上硬件性能缺陷，對該跳閘硬回路進行優(yōu)化改造，即在原有的保護硬回路基礎(chǔ)上增加2個帶有自保持功能的繼電器，當給水泵汽輪機手動掛閘后，繼電器才能復(fù)位;將原有繼電器觸點引線至事件順序記錄(SOE)，增加硬回路保護動作的事故追憶功能，在硬回路跳閘后能夠準確查找出硬回路跳閘動作時間。

4 結(jié)束語

全容量汽泵保護系統(tǒng)的可靠性分析評價在新建機組調(diào)試過程中必不可少，本文通過對該機組汽泵保護系統(tǒng)的可靠性進行分析，利用解析法對該保護系統(tǒng)的缺陷隱患進行全面排查，并針對較為重要的設(shè)計缺陷給出了合理的優(yōu)化改造方案，提高了汽泵保護系統(tǒng)的可靠性，為整套機組的順利啟動和穩(wěn)定運行提供了可靠保障。