容錯型汽輪機(jī)電超速遮斷系統(tǒng)的設(shè)計與實施

張 瑩，付 星，魏 靜

（1.新疆華能輪臺熱電分公司，新疆 庫爾勒 841600；2.國家電投集團(tuán)平潭能源有限公司，福建 福州 350440；3.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

汽輪機(jī)超速遮斷系統(tǒng)是汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（Emergency Trip System，簡稱ETS）的一個重要組成部分，起著汽輪機(jī)安全監(jiān)控和保護(hù)的重要作用。當(dāng)系統(tǒng)檢測到機(jī)組超速信號時，通過邏輯判斷后自動驅(qū)動停機(jī)電磁閥，實現(xiàn)緊急停機(jī)，以避免汽輪機(jī)超速事故發(fā)生。傳統(tǒng)超速遮斷系統(tǒng)中，一般設(shè)置兩套電子式超速（簡稱電超速）保護(hù)裝置及一套機(jī)械超速保護(hù)裝置。電超速保護(hù)裝置中每個轉(zhuǎn)速檢測模塊僅能處理一路轉(zhuǎn)速測量信號，停機(jī)電磁閥組僅設(shè)計一套，整個系統(tǒng)容錯性不高。當(dāng)ETS故障或轉(zhuǎn)速檢測模塊、停機(jī)電磁閥組故障時，將會發(fā)生超速保護(hù)拒動，嚴(yán)重時將會造成汽輪機(jī)飛車的重大事故。本文對汽輪機(jī)超速遮斷系統(tǒng)進(jìn)行完善，將超速遮斷系統(tǒng)的部件設(shè)計為冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的容錯性，降低任一環(huán)節(jié)故障引起系統(tǒng)誤動和拒動的風(fēng)險。

1 常規(guī)設(shè)計方案

1.1 電超速遮斷裝置

根據(jù) 《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》，汽輪發(fā)電機(jī)組軸承應(yīng)安裝兩套轉(zhuǎn)速監(jiān)測裝置，并分別裝設(shè)在不同的轉(zhuǎn)子上。常規(guī)超速遮斷系統(tǒng)中，一般設(shè)置有兩套電超速保護(hù)裝置，每套電超速保護(hù)裝置均設(shè)置3個測速探頭[1]。其中一套電超速保護(hù)裝置的3個測速探頭布置在汽輪機(jī)前軸承座，轉(zhuǎn)速信號采集至汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electro-Hydraulic Control System，簡稱DEH），經(jīng)DEH的3塊轉(zhuǎn)速采集卡，三取中后做高限判斷。高限設(shè)定值為3 300 r／min，送出三路冗余超速信號至ETS，最終通過ETS輸出超速跳機(jī)指令，遮斷停機(jī)電磁閥，將汽輪機(jī)進(jìn)汽閥油動機(jī)的動力油迅速泄去，使進(jìn)汽閥快速關(guān)閉，實現(xiàn)停機(jī)。另一套電超速保護(hù)裝置的3個測速探頭布置在汽輪機(jī)前軸承座，轉(zhuǎn)速信號輸入至汽輪機(jī)監(jiān)測儀表 （Turbine Supervisory Instrumentation，簡稱TSI）系統(tǒng)，經(jīng)3塊TSI的轉(zhuǎn)速卡進(jìn)行高限判斷，對結(jié)果進(jìn)行三取二處理后，輸出3路冗余指令至ETS，ETS遮斷停機(jī)電磁閥，實現(xiàn)跳機(jī)。

上述兩套電超速遮斷裝置，均是通過ETS實現(xiàn)保護(hù)動作，而且最終遮斷動作的是同一套停機(jī)電磁閥。當(dāng)ETS或停機(jī)電磁閥發(fā)生故障時，這兩套電超速保護(hù)裝置都將失效，無法有效遮斷停機(jī)電磁閥實現(xiàn)自動停機(jī)。

1.2 機(jī)械超速遮斷裝置

常規(guī)超速遮斷系統(tǒng)，除了上述兩套電超速遮斷裝置之外，還包括一套機(jī)械超速遮斷裝置。機(jī)械超速遮斷裝置是汽輪機(jī)的另一套安全保障系統(tǒng)，是電超速遮斷裝置的后備停機(jī)手段，機(jī)械超速遮斷裝置和電超速遮斷裝置兩者整定在相同的超速遮斷值上。

機(jī)組正常運行時，機(jī)械超速遮斷裝置的飛錘由彈簧和彈簧定位圈固定住。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速的10%時，增加的離心力就會克服彈簧的壓力，使飛錘向外擊出，推動遮斷滑閥向蓋板方向移動，將進(jìn)汽閥動力油總管中的隔膜閥薄膜上的控制油排出，控制油壓降低，打開隔膜閥，從而將進(jìn)汽閥的動力油總管中的油泄去，關(guān)閉所有進(jìn)汽閥，實現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。這種方式不通過停機(jī)電磁閥泄去隔膜閥的控制油壓，不受ETS的影響而直接使汽輪機(jī)停機(jī)。

相對于電超速遮斷裝置，機(jī)械超速遮斷裝置的動作值會有一定的誤差。另外，由于環(huán)節(jié)復(fù)雜且不具冗余性，機(jī)械超速保護(hù)裝置會發(fā)生誤動和拒動，可靠性較低。

2 容錯型超速保護(hù)設(shè)計方案

為了提高超速遮斷動作的可靠性，防止因超速飛車造成安全事故，有必要取消可靠性較低的機(jī)械超速遮斷裝置[2]，設(shè)計具有高度容錯特性的汽輪機(jī)電超速遮斷系統(tǒng)。系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)均設(shè)計三重冗余或二重冗余結(jié)構(gòu)，即設(shè)計3套冗余的電超速保護(hù)裝置、兩套冗余的汽輪機(jī)停機(jī)電磁閥組以及軟件邏輯保護(hù)與硬回路保護(hù)相結(jié)合的超速停機(jī)驅(qū)動回路[3]，確保系統(tǒng)中任一部件故障時，系統(tǒng)都不會發(fā)生誤動和拒動。

2.1 設(shè)計冗余的電超速保護(hù)裝置

汽輪機(jī)共設(shè)計3套冗余的電超速保護(hù)裝置。每套超速保護(hù)裝置由3個相同而獨立的轉(zhuǎn)速檢測模塊組成，而且每個轉(zhuǎn)速檢測模塊均設(shè)計3個輸入通道，能同時接收3路轉(zhuǎn)速測量信號。每個轉(zhuǎn)速檢測模塊對輸入的3路信號進(jìn)行中值選擇后，再作為該模塊的最終有效輸入。本設(shè)計方法的信號檢測環(huán)節(jié)有很強(qiáng)的容錯功能，任何一個輸入通道或測速探頭故障時，系統(tǒng)仍能可靠動作。

2.2 設(shè)計冗余的汽輪機(jī)停機(jī)電磁閥組

為避免前文多套超速遮斷裝置共用的一套停機(jī)電磁閥發(fā)生故障，導(dǎo)致整個機(jī)組的超速遮斷系統(tǒng)無法正常動作，本方案設(shè)計完全相同的兩套停機(jī)電磁閥組。兩套電磁閥組獨立并行工作，任何一套故障，另一套仍能保證汽輪機(jī)超速時停機(jī)。每套停機(jī)電磁閥組均包括4個自動停機(jī)電磁閥，并分為奇數(shù)和偶數(shù)兩個通道，奇數(shù)通道包括電磁閥1和電磁閥3，電磁閥1與電磁閥3并聯(lián)；偶數(shù)通道包括電磁閥2和電磁閥4，電磁閥2與電磁閥4并聯(lián)，奇數(shù)通道與偶數(shù)通道串聯(lián)。若兩個通道中各有一個電磁閥無故障可正常打開時，汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的動力油總管中的油壓就能泄掉，關(guān)閉所有進(jìn)汽閥，使汽輪機(jī)超速時停機(jī)。這樣設(shè)計可有效防止任何一個電磁閥故障時系統(tǒng)發(fā)生誤動和拒動，保證系統(tǒng)可靠工作。

2.3 軟件邏輯保護(hù)與硬回路保護(hù)相結(jié)合

為了避免ETS發(fā)生故障，控制系統(tǒng)無法正常工作，本方案設(shè)計了ETS軟件邏輯保護(hù)與硬回路保護(hù)相結(jié)合的停機(jī)驅(qū)動方式。除了采用三取二軟件邏輯通過ETS控制停機(jī)電磁閥組的方案外，還同時設(shè)計由電超速保護(hù)裝置輸出繼電器搭接的三取二邏輯保護(hù)硬回路。每個轉(zhuǎn)速模塊發(fā)出的動作信號通過繼電器回路，進(jìn)行硬件的三取二邏輯處理。每套超速保護(hù)裝置都設(shè)計有3個輸出繼電器，這3個繼電器分別由轉(zhuǎn)速模塊輸出動作，作為三取二表決通道。3個繼電器輸出接點先兩兩串聯(lián)，再把上述3個串聯(lián)組合并聯(lián)起來，作為整個超速遮斷裝置的最終輸出遮斷信號。當(dāng)ETS故障時，硬回路繼電器輸出信號用以直接切斷停機(jī)電磁閥組的供電回路，將汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的動力油總管中的油壓泄掉，關(guān)閉所有進(jìn)汽閥，實現(xiàn)快速可靠停機(jī)。這種設(shè)計兼顧了遮斷動作的安全性和可靠性。

3 實施方式

具有高度容錯特性的汽輪機(jī)電超速遮斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1）在汽輪機(jī)3個不同軸承座處分別設(shè)置一組測速探頭，每組3個測速探頭的測量信號分別輸入至3套電超速保護(hù)裝置。在汽輪機(jī)高壓缸前軸承箱軸瓦處設(shè)置3個測速探頭，其測量信號輸入至電超速保護(hù)裝置A中；在汽輪機(jī)低壓缸后軸承箱（位于低壓缸B后的軸瓦處）設(shè)置3個測速探頭，其測量信號輸入至電超速保護(hù)裝置B中；在汽輪機(jī)中壓缸后軸承箱（位于盤車齒輪處）設(shè)置3個測速探頭，其測量信號輸入至電超速保護(hù)裝置C中。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容錯性能，每套電超速保護(hù)裝置也采用3套冗余的容錯型結(jié)構(gòu)。每套電超速遮斷裝置包括3個相同的轉(zhuǎn)速檢測模塊，而且每個轉(zhuǎn)速檢測模塊均同時接收3路測速信號，并對這3路測速值進(jìn)行比較，去除最大值和最小值，取中值后作為該模塊的最終有效輸入。當(dāng)某通道的測量值與其他兩通道的數(shù)值有明顯偏差時，系統(tǒng)將判定該通道傳感器故障，任何一個故障都發(fā)出報警信號。

2）設(shè)置兩套獨立工作、獨立供電的停機(jī)電磁閥組。停機(jī)電磁閥組A接收ETS三取二超速邏輯判斷后的遮斷動作控制信號，并同時接收兩套電超速保護(hù)裝置A和B中的繼電器三取二邏輯判斷后的動作信號。電超速保護(hù)裝置A和B獨立于ETS工作，即使ETS故障，電超速保護(hù)裝置A和B仍能可靠動作，實現(xiàn)安全停機(jī)。同時，停機(jī)電磁閥組B接收電超速保護(hù)裝置C的繼電器三取二邏輯判斷后的動作信號，保證停機(jī)電磁閥組A故障時，若機(jī)組轉(zhuǎn)速超過安全設(shè)定值，系統(tǒng)可通過控制停機(jī)電磁閥組B實現(xiàn)停機(jī)，防止機(jī)組超速飛車造成設(shè)備損壞和安全事故。

3）為提高系統(tǒng)工作電源的可靠性，整個系統(tǒng)的3套超速保護(hù)裝置和ETS均采用各自獨立的雙電源冗余供電，每個裝置的電源與其他裝置的電源都互不影響，這樣設(shè)計保障了整個機(jī)組超速遮斷系統(tǒng)供電的可靠性。

圖1 具有高度容錯特性的汽輪機(jī)電超速遮斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語

常規(guī)汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)，電超速保護(hù)裝置僅設(shè)置兩套，均通過控制系統(tǒng)軟邏輯實現(xiàn)。本文針對常規(guī)汽輪機(jī)超速遮斷系統(tǒng)動作可靠性不高的現(xiàn)狀，提出了一種具有高度容錯特性的汽輪機(jī)電超速遮斷系統(tǒng)的設(shè)計方法，將超速遮斷系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)均設(shè)計為三重冗余或二重冗余結(jié)構(gòu)，設(shè)計了3套冗余電超速保護(hù)裝置，以及兩套冗余的汽輪機(jī)停機(jī)電磁閥組以及軟件邏輯保護(hù)與硬回路邏輯保護(hù)相結(jié)合的超速停機(jī)驅(qū)動回路。該方案增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯性，解決了傳統(tǒng)汽輪機(jī)超速遮斷系統(tǒng)中，任一環(huán)節(jié)故障時系統(tǒng)容易發(fā)生誤動和拒動，遮斷動作可靠性低的難題。該設(shè)計方法，對于取消了機(jī)械超速保護(hù)裝置，超速保護(hù)冗余度不夠的汽輪機(jī)具有良好的應(yīng)用前景。