淺析焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化

文/陶小宇 魏波 陳小強(qiáng)

0 引言

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委等部門制定的《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，我國(guó)2020年焚燒發(fā)電規(guī)模將達(dá)到59.14萬(wàn)噸，焚燒發(fā)電在國(guó)內(nèi)生活垃圾無(wú)害化處理中所占比重將增至54%。2019年，我國(guó)新增中標(biāo)垃圾焚燒項(xiàng)目139個(gè)，新增垃圾處理產(chǎn)能達(dá)14.60萬(wàn)噸/日。作為焚燒發(fā)電廠的主設(shè)備，汽輪機(jī)受到垃圾焚燒爐熱量不穩(wěn)定性的影響，運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性受到了重大危害。焚燒發(fā)電廠多數(shù)為10MW～25MW的小型汽輪機(jī)，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)沒有按照大型汽輪機(jī)的要求設(shè)計(jì)，供電電源不可靠，存在測(cè)點(diǎn)不滿足三取二的要求、測(cè)點(diǎn)取樣管沒有獨(dú)立設(shè)置、保護(hù)系統(tǒng)跳閘條件不全、溫度測(cè)點(diǎn)沒有防誤動(dòng)措施等問(wèn)題。為了保證焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)的穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行，本文對(duì)焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 存在的問(wèn)題

本文關(guān)注某垃圾焚燒發(fā)電廠，該廠有2條600噸/日的機(jī)械式爐排垃圾焚燒線和2臺(tái)12MW中溫中壓凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，其汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：（1）汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)請(qǐng)求保護(hù)系統(tǒng)跳閘為單點(diǎn)保護(hù)；（2）汽輪機(jī)軸向位移大保護(hù)方式為二取一；（3）電超速至保護(hù)系統(tǒng)跳閘為單點(diǎn)保護(hù)；（4）潤(rùn)滑油壓力低、凝汽器真空低保護(hù)均在同一塊開關(guān)量輸入模件中；（5）汽輪機(jī)潤(rùn)滑油箱沒有油位過(guò)低保護(hù)；（6）跳閘電磁閥為帶電跳機(jī)；（7）汽輪機(jī)跳發(fā)電機(jī)保護(hù)沒有設(shè)置程序逆功率保護(hù)跳發(fā)電機(jī)。

以上問(wèn)題分別違背了《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國(guó)能安全[2014]161號(hào)）第9.4.3條款“所有重要的主、輔機(jī)保護(hù)都應(yīng)采取‘三取二’的邏輯判斷方式，保護(hù)信號(hào)應(yīng)遵循從取樣點(diǎn)到輸入模件全程相對(duì)獨(dú)立的原則，確因系統(tǒng)原因測(cè)點(diǎn)數(shù)量不夠，應(yīng)有防保護(hù)誤動(dòng)措施”；第8.4.9條款“應(yīng)設(shè)置主油箱油位低跳機(jī)保護(hù)，必須采用測(cè)量可靠、穩(wěn)定性好的液位測(cè)量方法，并采取三取二的方式，保護(hù)動(dòng)作值應(yīng)考慮機(jī)組跳閘后的惰走時(shí)間。機(jī)組運(yùn)行中發(fā)生油系統(tǒng)泄漏時(shí)，應(yīng)申請(qǐng)停機(jī)處理，避免處理不當(dāng)造成大量跑油，導(dǎo)致燒瓦”；第8.1.6條款“機(jī)組停機(jī)時(shí)，應(yīng)先將發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功功率減至零，檢查確認(rèn)有功功率到零，電能表停轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)以后，再將發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)解列，或采用汽輪機(jī)手動(dòng)打閘或鍋爐手動(dòng)主燃料跳閘聯(lián)跳汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作解列，嚴(yán)禁帶負(fù)荷解列”的要求。

2 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳閘條件

為了保障焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及事故狀態(tài)下保護(hù)系統(tǒng)可靠快速遮斷，根據(jù)不同汽輪機(jī)廠家設(shè)備要求，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)至少應(yīng)具備如下跳閘條件：（1）汽輪機(jī)電超速；（2）汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)跳閘；（3）汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓力低；（4）汽輪機(jī)潤(rùn)滑油箱油位過(guò)低；（5）汽輪機(jī)凝汽器真空低；（6）汽輪機(jī)軸向位移超限；（7）汽輪機(jī)軸振動(dòng)超限；（8）汽輪機(jī)軸系溫度超限；（9）發(fā)電機(jī)主保護(hù)動(dòng)作；（10）手動(dòng)停機(jī)。同時(shí)，根據(jù)焚燒發(fā)電廠鍋爐與汽輪機(jī)的運(yùn)行要求，決定是否設(shè)置鍋爐總?cè)剂咸l聯(lián)跳汽輪機(jī)的跳閘條件。

2.2 汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化原則

焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“杜絕拒動(dòng)、防止誤動(dòng)”的基本配 置原則，應(yīng)滿足三重冗余保護(hù)的測(cè)點(diǎn)信號(hào)，包括汽輪機(jī)電超速、汽輪機(jī)潤(rùn)滑壓力低、汽輪機(jī)潤(rùn)滑油箱油位過(guò)低、汽輪機(jī)凝汽器真空低、汽輪機(jī)軸向位移超限以及汽輪機(jī)保安油壓低。

焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)滿足下列獨(dú)立性要求：汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的邏輯控制器應(yīng)單獨(dú)冗余設(shè)置；冗余的輸入/輸出信號(hào)應(yīng)通過(guò)不同的輸入/輸出模件輸入和輸出；觸發(fā)汽輪機(jī)跳閘的保護(hù)信號(hào)的取樣管及儀表應(yīng)單獨(dú)設(shè)置；機(jī)組跳閘指令不應(yīng)通過(guò)通信總線傳送，應(yīng)通過(guò)硬接線方式連接。

控制柜輸入/輸出模件的配置見表1，汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)模件、測(cè)點(diǎn)配置見表2。

表1 焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)控制柜輸入 / 輸出模件配置

表2 焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)模件和測(cè)點(diǎn)配置

2.3 汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)跳閘邏輯優(yōu)化

汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)控制焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)的啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷運(yùn)行，汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性影響機(jī)組的安全。汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)跳閘邏輯應(yīng)包含以下條件：（1）汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障；（2）汽輪機(jī)超速；（3）汽輪機(jī)保安油壓力低；（4）汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)故障；（5）汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳閘；（6）手動(dòng)停機(jī)。

汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)跳閘信號(hào)通過(guò)三個(gè)開關(guān)量輸出模塊，輸出三個(gè)信號(hào)至汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的三個(gè)開關(guān)量輸入模塊，在汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)三取二跳閘。為了實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)失電跳閘功能，汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)三個(gè)跳閘輸出信號(hào)應(yīng)取輸出繼電器的常閉點(diǎn)。

2.4 汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)邏輯優(yōu)化

焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)前后軸水平方向和垂直方向共四個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，汽輪機(jī)各軸承振動(dòng)信號(hào)從汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)輸出模擬量信號(hào)至分散控制系統(tǒng)，在分散控制系統(tǒng)中進(jìn)行汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)邏輯組態(tài)。為防止振動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)設(shè)置品質(zhì)判斷和限制判斷，并輸出品質(zhì)壞點(diǎn)報(bào)警和振動(dòng)報(bào)警信號(hào)（見圖1）。

圖1 焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)邏輯優(yōu)化

汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)邏輯優(yōu)化如下：（1）同一軸承水平方向和垂直方向測(cè)點(diǎn)品質(zhì)均為壞點(diǎn)時(shí)，延時(shí)1秒觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘汽輪機(jī)；（2）以前軸水平方向振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作為例，前軸垂直方向振動(dòng)報(bào)警或前軸垂直方向振動(dòng)品質(zhì)壞點(diǎn)報(bào)警或后軸水平振動(dòng)報(bào)警或后軸垂直方向振動(dòng)報(bào)警任一信號(hào)觸發(fā)，與前軸水平方向振動(dòng)危險(xiǎn)動(dòng)作，延時(shí)1秒后觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘汽輪機(jī)。

2.5 溫度保護(hù)邏輯優(yōu)化

為防止溫度保護(hù)誤動(dòng)，應(yīng)設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)品質(zhì)判斷和溫度變化速率判斷。變化速率應(yīng)具有方向性判斷，即只有當(dāng)溫度上升速率超過(guò)設(shè)定值時(shí)才能自動(dòng)閉鎖保護(hù)輸出指令。變化速率超限后，應(yīng)有報(bào)警顯示，閉鎖狀態(tài)應(yīng)具有自保持功能，應(yīng)設(shè)置人工手動(dòng)恢復(fù)（見圖2）。運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)溫度品質(zhì)壞點(diǎn)報(bào)警或速率超限報(bào)警后，通知維護(hù)人員處理，隨后進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位溫度測(cè)點(diǎn)閉鎖，以防止因誤恢復(fù)而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。其中，溫度信號(hào)變化速率宜在5℃/s～10℃/s 之間選擇。

圖2 焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)溫度保護(hù)邏輯優(yōu)化

汽輪機(jī)軸系溫度保護(hù)和汽輪機(jī)振動(dòng)保護(hù)在分散控制系統(tǒng)組成溫度振動(dòng)保護(hù)跳閘信號(hào)，通過(guò)三個(gè)開關(guān)量輸出模塊，輸出三個(gè)信號(hào)至汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的三個(gè)開關(guān)量輸入模塊，在汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)三取二跳閘。

2.6 汽輪機(jī)保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳發(fā)電機(jī)優(yōu)化

目前焚燒發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)程序逆功率保護(hù)，而汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了主汽門關(guān)閉聯(lián)跳發(fā)電機(jī)保護(hù)和汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳閘聯(lián)跳發(fā)電機(jī)保護(hù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，汽輪機(jī)跳閘時(shí)直接觸發(fā)發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)帶負(fù)荷解列，存在汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)。

為了防止汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)增加程序逆功率保護(hù)。汽輪機(jī)主汽門關(guān)閉信號(hào)與汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳閘信號(hào)并聯(lián)后輸出至發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)接收到該信號(hào)后，判斷發(fā)電機(jī)功率減到零，觸發(fā)發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)動(dòng)作解列。

2.7 汽輪機(jī)跳閘電磁閥失電動(dòng)作

焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)跳閘電磁閥為單路電源且其設(shè)計(jì)為帶電動(dòng)作，而跳閘電磁閥的故障狀態(tài)無(wú)法監(jiān)視及單路電源失去存在拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決汽輪機(jī)保護(hù)動(dòng)作后拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，跳閘電磁閥換型為失電動(dòng)作跳機(jī)，并增加一路電源，兩路電源無(wú)擾切換后向跳閘電磁閥供電，提高跳閘電磁閥的電源可靠性。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)跳閘電磁閥指令輸出繼電器的常開點(diǎn)與手動(dòng)停機(jī)按鈕常閉點(diǎn)串聯(lián)，串入跳閘電磁閥的電源回路中，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)失電跳閘的功能。此外，增加汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)跳閘觸發(fā)主汽調(diào)節(jié)門的功能，以增強(qiáng)汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)論

焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化后，杜絕了電源系統(tǒng)故障及跳閘電磁故障導(dǎo)致汽輪機(jī)保護(hù)拒動(dòng)，防止了測(cè)量裝置故障或信號(hào)誤報(bào)導(dǎo)致汽輪機(jī)保護(hù)誤動(dòng)，提高了汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。