試論冗余改造技術(shù)在汽輪機(jī)熱工保護(hù)中的運(yùn)用

馬新立

（國電懷安熱電有限公司，河北 張家口 075000）

隨著汽輪機(jī)工作中頻頻暴露的問題，人們開始意識到加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際改造的重要性，而通過對兩個或兩個以上單元的并聯(lián)工作模型進(jìn)行拓展，使各單元平均各自負(fù)擔(dān)工作，減輕單元的工作負(fù)荷，進(jìn)而減少汽輪機(jī)超速引起的軸斷裂現(xiàn)象，此項(xiàng)技術(shù)被稱為冗余改造技術(shù)。從冗余改造技術(shù)基本原理來看，其分為工作冗余和后備冗余兩種，簡單來說，冗余技術(shù)就是分擔(dān)原來各單元的工作負(fù)荷，然后在通過時間、指令、空間等進(jìn)行冗余，如利用時間冗余來阻礙干擾信號、通過冗余指令來協(xié)調(diào)各個單元工作程序，使其之間互不干擾、通過利用空間冗余判斷辨別干擾或轉(zhuǎn)換硬件等。

1 汽輪機(jī)熱工保護(hù)概述

結(jié)合汽輪機(jī)熱工程的內(nèi)容來看，其保護(hù)概述可以從保護(hù)目的和保護(hù)原則兩方面進(jìn)行介紹，具體如下：第一、汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)目的。熱輪機(jī)熱工程中，如何保證汽輪機(jī)飛行在正常的頻率范圍內(nèi)是其主要目的，但是在現(xiàn)實(shí)中熱輪機(jī)在工作中因過大的工作負(fù)荷，經(jīng)常會出現(xiàn)汽輪機(jī)排汽倒流的現(xiàn)象，這就好比高速飛行轉(zhuǎn)動的電機(jī)突然遭遇液體和氣體的襲擊，所以常常會出現(xiàn)汽輪機(jī)飛行超速的現(xiàn)象；同樣工作負(fù)荷過大會導(dǎo)致電機(jī)異常負(fù)荷而出現(xiàn)一些列的事故，影響汽輪機(jī)的工作，因此說加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)其實(shí)是在規(guī)避排汽倒流或發(fā)電機(jī)異常負(fù)載而導(dǎo)致的汽輪機(jī)飛行超速現(xiàn)象。同樣值得注意的是，加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)其本質(zhì)是提高汽輪機(jī)熱工程保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，使其既要保證機(jī)組運(yùn)行的安全性，同時還要最大限度的降低或避免失誤操作[1]；第二、汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)原則。汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)原則和其保護(hù)改造的目的息息相關(guān)，其保護(hù)目的決定了其保護(hù)的原則和宗旨，而保護(hù)原則則是保護(hù)目的措施的進(jìn)一步細(xì)化。首先，我們在保護(hù)改造的過程中要首先保持各單元冗余改造中的融合性及協(xié)同性，不能因改造而致使各單元之間出現(xiàn)系統(tǒng)排斥的現(xiàn)象；其次，我們要在保護(hù)改造的過程中減少失誤操作的現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，例如結(jié)合改造的實(shí)際情況，采取有序漸進(jìn)的方案進(jìn)行保護(hù)；最后，在保護(hù)改造的過程中要將可靠性之外的意外情況考慮在其中，例如電路改造、電氣主汽門聯(lián)動關(guān)閉、電汽供應(yīng)熱保護(hù)等，降低意外情況發(fā)生。

2 汽輪機(jī)熱工程保護(hù)的重要意義

汽輪機(jī)熱工程保護(hù)是汽輪機(jī)正常工作的前提基礎(chǔ)，加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)有著重要的意義，現(xiàn)將其總結(jié)如下：第一、是汽輪機(jī)熱工程保護(hù)技術(shù)發(fā)展的所需和必然趨勢。在不斷的發(fā)展中，汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)不斷在升高，隨之熱力系統(tǒng)也會開始變得復(fù)雜起來，而為了保證汽輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和工作，我們就要對汽輪機(jī)的機(jī)組進(jìn)行安全維護(hù)，因此需要對其進(jìn)行改造。一般對汽輪機(jī)的改造技術(shù)要充分考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性兩方面，即改造技術(shù)要運(yùn)用有限的資源進(jìn)行優(yōu)化配置，同時要保證汽輪機(jī)機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)營的可靠性，例如在汽輪機(jī)的機(jī)件間隙等相關(guān)的設(shè)計(jì)上，讓蒸汽參數(shù)實(shí)際縮小、在汽輪機(jī)的機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行、停機(jī)以及啟動的操作時，通過規(guī)范操作讓其運(yùn)轉(zhuǎn)速度處于正常范疇內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)的目的；第二、可以有效保障汽輪機(jī)機(jī)組的安全運(yùn)行、啟動和停機(jī)。汽輪機(jī)熱工程在現(xiàn)實(shí)中為了將保護(hù)工作做到位，一般會對相關(guān)的蒸汽參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以便在參數(shù)數(shù)值不正常時可以發(fā)出預(yù)警，提前相關(guān)人員或者實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動斷開，降低故障事項(xiàng)。加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程保護(hù)可以有效解決上述實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控，同時如若在運(yùn)行的過程中，出現(xiàn)參數(shù)數(shù)值異常，系統(tǒng)會自動啟動停機(jī)狀態(tài)，從而防止系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)安全事故等；第三、降低汽輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的意外事故概率[2]。汽輪機(jī)在運(yùn)行中極易因各種因素出現(xiàn)意外停機(jī)等現(xiàn)象，對此加強(qiáng)對其熱工程的保護(hù)，簡單來說就是降低各種意外故障出現(xiàn)的概率。一方面，隨著汽輪機(jī)機(jī)組容量增加和汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)的快速提升，汽輪機(jī)運(yùn)行熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度也在不斷升高，表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性和多元性，另一方面在實(shí)際運(yùn)行中為保障汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行的高效性，通常大家會選擇縮小設(shè)計(jì)機(jī)組中的機(jī)組間隙和軸縫隙，以此來提高汽輪機(jī)機(jī)組之間的穩(wěn)定性能。

3 冗余改造技術(shù)在汽輪機(jī)熱工程保護(hù)中具體應(yīng)用

3.1 保護(hù)回路冗余改造技術(shù)

保護(hù)回路指的是對汽輪機(jī)的各獨(dú)立回路進(jìn)行保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立回路之間的安全運(yùn)行，保障汽輪機(jī)的安全停機(jī)，而保護(hù)回路冗余改造對于汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行、機(jī)組啟動停止、指令執(zhí)行的準(zhǔn)確性和及時性等發(fā)揮了重要的保障作用。首先，傳統(tǒng)回路保護(hù)是通過單一的主回路進(jìn)行回路保護(hù)設(shè)計(jì)，而改造后的冗余保護(hù)回路是在保留原有主回路系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，新設(shè)兩個獨(dú)立回路，同時要保證主回路和其他新設(shè)獨(dú)立的回路中任意一個回路發(fā)生障礙事故，都能夠保障汽輪機(jī)的安全停機(jī)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)回路的冗余。其次，在分析改造前和改造后的保護(hù)回路可以發(fā)現(xiàn)，改造前的保護(hù)回路設(shè)計(jì)缺乏穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，如主回路出現(xiàn)故障則會造成設(shè)備機(jī)組的安全起止無法正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)其基本的保障作用，而改造后的保護(hù)回路冗余設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)兩個獨(dú)立回路，使其與原主回路形成三道保護(hù)回路系統(tǒng)網(wǎng)，降低故障率。最后，在實(shí)際回路保護(hù)中可發(fā)現(xiàn)，機(jī)械自鎖常常會存在很嚴(yán)重的卡殼現(xiàn)象，導(dǎo)致回路保護(hù)指令失靈或執(zhí)行不到位，為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，我們在回路保護(hù)冗余技術(shù)設(shè)計(jì)中就將其更換為不帶機(jī)械自鎖的電磁閥進(jìn)行取代，一方面其可以避免電磁閥線圈不被高負(fù)荷工作，滿足長期帶電的需求，另一方面其可以保障自動主汽門的可靠關(guān)閉。綜合上述來看，我們在保護(hù)回路冗余技術(shù)設(shè)計(jì)中除了要考慮拿到分?jǐn)傊骰芈坟?fù)荷的基礎(chǔ)上創(chuàng)新電磁閥，同時還要引入保安油路，保證電磁閥在關(guān)閉自動主汽門及調(diào)速汽門的指令動作有效可靠，且需適當(dāng)增加手動操作功能，提升設(shè)備機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

3.2 信號發(fā)送冗余改造技術(shù)

信號發(fā)送冗余改造技術(shù)主要是為了解決汽輪機(jī)超速所導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷的問題，其原理是將汽輪機(jī)中所有導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障負(fù)荷的所有電路設(shè)備的保護(hù)信號分解成無數(shù)干路，再傳送到熱工程，達(dá)到保護(hù)熱工程的作用，這樣汽輪機(jī)熱工保護(hù)回路一旦接到信號傳送的信息，就會自動啟動停機(jī)指令，出現(xiàn)停機(jī)，就好比我們?nèi)梭w的味覺神經(jīng)系統(tǒng)功能，當(dāng)我們味覺神經(jīng)向大腦發(fā)射出餓了的求救信號，我們就會尋找食物進(jìn)行充饑，當(dāng)我們進(jìn)食飽腹后就不會再有很餓的意識。此項(xiàng)改造技術(shù)主要是因?yàn)槠啓C(jī)在運(yùn)行中容易出現(xiàn)超速運(yùn)行的情況，其不僅會導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)高負(fù)荷停機(jī)，還會影響整體工期的進(jìn)展，影響汽輪發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，是汽輪機(jī)安全事故的主要誘因之一。首先，我們選擇出口繼電器的接點(diǎn)輸出信號作為跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)的保護(hù)信號，當(dāng)汽輪機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)負(fù)荷故障情況等會觸發(fā)任一保護(hù)動作分支系統(tǒng)中的跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，但是卻不會影響發(fā)電機(jī)跳閘保護(hù)動作指令的正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)跳閘保護(hù)信號的冗余，簡單來說就是在冗余改造技術(shù)中，通過設(shè)計(jì)若干線路進(jìn)行意外情況的保護(hù)，同時將意外情況的保護(hù)信號通過傳輸線路傳輸?shù)綗峁けＷo(hù)電路，使繼電器可以及時準(zhǔn)確的接收傳輸信號并下達(dá)自動跳閘動作指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的保護(hù)。

3.3 保護(hù)電源冗余改造技術(shù)

保護(hù)電源冗余改造技術(shù)主要是提高電源的利用率和穩(wěn)定性，前面的保護(hù)電路冗余技術(shù)和信號冗余技術(shù)都是加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程穩(wěn)定性和及時性的保護(hù)，而電源冗余改造技術(shù)是提高電路供電方式的性能，從而側(cè)面加強(qiáng)對汽輪機(jī)熱工程的保護(hù)。首先，當(dāng)熱工程中信號冗余系統(tǒng)的信號傳輸正處于對汽輪機(jī)的熱工程保護(hù)中時，輔助電路和主路電路會處于各自的供電模式，互不打擾，但是一旦發(fā)生信號故障報(bào)停，輔助電路和主路電路也會受其影響在供電方式和穩(wěn)定性上出現(xiàn)暫時性的不穩(wěn)定，對此我們要加強(qiáng)對電源冗余改造技術(shù)的引用。其次，加強(qiáng)對電源冗余改造技術(shù)的引用，我們一般采取在快速關(guān)閉閥控制回路中用AC220V電源的方法進(jìn)行，其一方面可以實(shí)現(xiàn)輔助電路和主路電路的互不打擾，另一方面可以改善報(bào)停狀況下電路供電不穩(wěn)定的現(xiàn)象，極大改善了電源應(yīng)用中的冗余變化效果[3]。

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余改造技術(shù)

為了進(jìn)一步落實(shí)冗余改造技術(shù)，全面提升汽輪機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效果，我們采取了執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余改造技術(shù)，即通過設(shè)置各相互獨(dú)立的主回路和輔助性的保護(hù)回路對執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行命令、傳輸和執(zhí)行，進(jìn)一步提升汽輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。首先，汽輪機(jī)熱工程的主保護(hù)回路和輔助保護(hù)回路的各自斷路油門電磁閥之間有著緊密的關(guān)系，二者既息息相關(guān)，又相互獨(dú)立，主要體現(xiàn)在無論是主保護(hù)回路，還是輔助保護(hù)回路，當(dāng)回路的斷路油門電磁閥接到指令發(fā)出動作時，汽輪機(jī)的主汽門和調(diào)速汽門仍會保持正常開啟，實(shí)現(xiàn)電磁閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的冗余，達(dá)到保護(hù)汽輪機(jī)熱工程的作用。其次，在汽輪機(jī)工作高負(fù)荷中容易出現(xiàn)外界故障致停機(jī)現(xiàn)象，例如抽汽逆止門或旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉不嚴(yán)密、因沖轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的飛車事故等，對此冗余改造技術(shù)中我們在原來的基礎(chǔ)上增加補(bǔ)充措施，增加供熱抽汽門保護(hù)、聯(lián)動關(guān)閉電動主汽門等相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以此來避免上述的外界致停機(jī)故障狀況，一方面其有效降低了汽輪機(jī)工作中的意外故障概率，另一方面通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，最大程度上規(guī)避了異常情況。最后，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余改造技術(shù)中，對于回路構(gòu)成的設(shè)計(jì)，我們可以基于主汽門關(guān)閉信號和發(fā)電機(jī)保護(hù)信號之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行回路構(gòu)成設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)化，即只有在自動主汽門完全關(guān)閉且且發(fā)電機(jī)保護(hù)信號存在的情況下，才能出現(xiàn)繼電器動作執(zhí)行，聯(lián)動關(guān)閉電動門，一方面其可以最大程度上規(guī)避因繼電器失誤操作或故障性動作而造成的停機(jī)或解列抽汽故障，提高汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，另一方面可以有效實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的輔助保護(hù)效果，減少故障延遲等造成的不良現(xiàn)象，延續(xù)汽輪機(jī)的使用壽命。

綜上來看，可以將汽輪機(jī)的熱工程冗余改造技術(shù)用如下表進(jìn)行總結(jié)。

表1 冗余改造技術(shù)流程表

4 結(jié)語

汽輪機(jī)是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設(shè)備，而冗余改造術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于汽輪機(jī)熱工程保護(hù)的具體體現(xiàn)，也是我國汽輪機(jī)熱工程保護(hù)取得的重大技術(shù)突破，可以減輕汽輪機(jī)安全事故，避免因汽輪機(jī)超速引起的軸斷裂現(xiàn)象，提高汽輪機(jī)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。首先，我們可以采取保護(hù)回路冗余改造技術(shù)；其次，我們可以采用信號發(fā)送冗余改造技術(shù)和保護(hù)電源冗余改造技術(shù)；最后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)冗余改造技術(shù)。