TSI超速監(jiān)測保護系統(tǒng)的研究及優(yōu)化

張浩龍，張倍堯，楊明望，劉 威，于年鑫，崔 燦，周瑞志

（華能澠池?zé)犭娪邢挢?zé)任公司，河南 三門峽 472400）

0 引言

汽輪發(fā)電機組是一個高速運轉(zhuǎn)的機械，轉(zhuǎn)子承受巨大的離心力。離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，汽輪機轉(zhuǎn)子設(shè)計強度為額定轉(zhuǎn)速的115%～120%對應(yīng)的離心力而進行設(shè)計[1,2]，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其設(shè)計轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子所受離心力超過其強度極限，將造成葉片斷裂、動靜碰磨、大軸彎曲、斷軸、推力瓦燒瓦、飛車等嚴(yán)重事故。因此，汽輪機超速保護裝置的可靠性是保證機組安全穩(wěn)定運行的堅實保障。

汽輪機超速保護裝置一般設(shè)計有機械超速保護裝置和電超速保護裝置。其中，電超速保護裝置設(shè)計兩套，即DEH110%超速裝置和TSI110%超速保護裝置。通過調(diào)查分析，TSI超速保護系統(tǒng)由于設(shè)計及運行中其他因素的干擾，造成多起保護誤動作事件，給實際生產(chǎn)帶來極大的影響。如：2020年1月5日09:18:15，某電廠#1機組跳閘，跳閘首出為汽輪機超速停機。經(jīng)對汽機的轉(zhuǎn)速曲線檢查發(fā)現(xiàn)，汽機轉(zhuǎn)速維持3000rpm穩(wěn)定狀態(tài)，無實際超速現(xiàn)象，可確定TSI系統(tǒng)超速信號為誤發(fā)，分析最終原因為保護卡硬件故障導(dǎo)致誤發(fā)跳閘信號。某電廠超速卡件故障誤發(fā)信號造成機組跳閘，某機組超速卡件1因電磁干擾發(fā)出超速保護信號，而超速卡件2因曾經(jīng)發(fā)出保護跳機動作而沒有及時復(fù)位，3取2機組跳閘[3]。

發(fā)電機組的非計劃停運對機組的經(jīng)濟性和電網(wǎng)安全造成很大的影響，非計劃停運會導(dǎo)致機組電量損失和增加機組的維護成本，另外大型機組的非計劃停運對電網(wǎng)的安全運行造成沖擊導(dǎo)致對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊[4-6]。因此，如何提高TSI超速保護系統(tǒng)可靠性成為發(fā)電企業(yè)需關(guān)注解決的問題。本文通過對某電廠德國Epro系列CSI6300超速保護系統(tǒng)進行深入分析，研究并給出避免TSI超速保護誤動的解決方案。

1 TSI超速保護系統(tǒng)

某電廠TSI超速保護系統(tǒng)信號流程如圖1。汽輪機前箱測速齒盤處安裝3個電渦流轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，齒盤的齒頂和齒底經(jīng)過傳感器，傳感器將周期地改變輸出信號，即脈沖信號。超速監(jiān)視器接收到此脈沖信號進行計數(shù)、顯示，進而測得轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值＝（脈沖頻率/齒數(shù)）×60。當(dāng)任一轉(zhuǎn)速值超過設(shè)定值輸出超速保護信號驅(qū)動對應(yīng)輸出繼電器閉合，輸出超速保護信號至DCS系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)進行3取2邏輯判斷，輸出超速保護動作信號至ETS，ETS迅速動作，關(guān)閉主汽門和調(diào)門，遮斷汽輪機，汽輪機迅速跳閘，達到汽輪機超速保護的目的。

圖1 超速保護流程圖Fig.1 Overspeed protection flow diagram

CSI6300超速保護系統(tǒng)主要由3個電渦流傳感器及配套使用的前置器、3個A6370轉(zhuǎn)速監(jiān)測卡、3個模擬量轉(zhuǎn)接端子、1個集成背板，3根9針SUB-D連接電纜、3根25針SUB-D連接電纜、3個9針SUB-D轉(zhuǎn)換端子、3個25針SUB-D轉(zhuǎn)換端子及配套組態(tài)軟件組成[7]。

集成背板設(shè)計有3個模擬量9針傳輸接口、3個25針開關(guān)量傳輸接口、1個集成端子、1組繼電器。9針模擬量接口用于模擬量數(shù)據(jù)的傳輸，25針開關(guān)量接口用于開關(guān)量傳輸。TRIP信號和停機信號輸出至繼電器通過集成端子輸出至DCS系統(tǒng)，集成端子可輸出信號有兩個經(jīng)組態(tài)3取2邏輯判斷后的超速保護信號及3個超速監(jiān)測卡的TRIP信號。

通 過9針 傳 輸 接 口、9針SUB-D轉(zhuǎn) 換 端 子、9針SUB-D連接電纜實現(xiàn)模擬量的接收和輸出，如圖2。1/2/3/6/7端子接收電渦流傳感器測量值傳輸至監(jiān)測卡，通過組態(tài)軟件計算轉(zhuǎn)速值。4/8和5/9端子分別對應(yīng)輸出組態(tài)設(shè)置的模擬量輸出1、2，模擬量輸出可輸出轉(zhuǎn)速或加速度。

圖2 模擬量接線圖Fig.2 Analog signals connection diagram

通過25針傳輸接口、25針SUB-D轉(zhuǎn)換端子、25針SUB-D連接電纜實現(xiàn)開關(guān)量的接收和輸出，如圖3。25針傳輸接口可傳輸輸入測試允許、輸入測試激活、6個開關(guān)量輸出、脈沖輸出等多個開關(guān)量信號。開關(guān)量輸出可通過組態(tài)設(shè)置輸出大于等于限值、小于等于限值、大于等于限值并保持、小于等于限值并保持、盤車、旋轉(zhuǎn)方向、傳感器錯誤、間隙告警、激活測試值1、激活測試值2、兩設(shè)置值之間、兩設(shè)置值之外、溫度大于55℃、溫度大于65℃、保護限值、大于等于加速度限值、小于等于加速度限值、大于等于加速度限值并保持、小于等于加速度限值并保持、兩加速度限值之間等開關(guān)量信號。

圖3 開關(guān)量接線圖Fig.3 Digital signals connection diagram

2 TSI超速保護系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

目前，TSI超速保護系統(tǒng)通過9針轉(zhuǎn)換端子和模擬量傳輸接口接受電渦流傳感器采集信號至監(jiān)測卡，將轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值的綜合TRIP信號作為停機保護信號。通過集成背板輸出TRIP1、TRIP2、TRIP3三個超速停機保護信號至DCS系統(tǒng)3取2判斷后，進行超速保護。

機組運行中，超速保護系統(tǒng)多次誤發(fā)跳閘信號且轉(zhuǎn)速存在波動的現(xiàn)象，存在多個嚴(yán)重影響機組安全運行的問題，具體問題如下：

1）TSI轉(zhuǎn)速監(jiān)視器顯示轉(zhuǎn)速不一致且存在跳變，機組啟動期間中、低轉(zhuǎn)速尤其明顯，存在超速保護誤動的嚴(yán)重隱患。

2）個別TSI轉(zhuǎn)速監(jiān)視器TRIP燈多次報警，誤發(fā)超速保護信號。

3）轉(zhuǎn)速監(jiān)視模塊故障、探頭故障或回路故障無報警信號輸出，無法第一時間了解設(shè)備狀態(tài)和發(fā)現(xiàn)故障。

4）TSI轉(zhuǎn)速模擬量轉(zhuǎn)速信號只能在TSI機柜轉(zhuǎn)速監(jiān)視器處查看，無法DCS實時監(jiān)控。

5）超速保護信號輸出使用為監(jiān)視器TRIP信號，TRIP信號觸發(fā)條件較多，超速保護易誤動。

3 TSI超速保護問題分析及解決方案

1）轉(zhuǎn)速跳變原因分析

經(jīng)檢查實際轉(zhuǎn)速跳變過程中，傳感器間隙電壓范圍－23.25V～－16.07V，監(jiān)測卡組態(tài)設(shè)置門檻電壓為－14V～－12V，間隙電壓過大。在中低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子與傳感器之間間隙更大，易造成間隙電壓超出門檻電壓范圍，引起轉(zhuǎn)速無法正常監(jiān)測。解決此問題需按照廠家規(guī)定要求傳感器安裝間隙電壓控制在0.95mm左右，并確保傳感器端部測量線圈完全伸出支架，無金屬干擾。

2）TRIP信號觸發(fā)原因分析

TRIP信號觸發(fā)原因較多，見表1。傳感器間隙電壓異常、傳感器電纜損壞、支架松動、組態(tài)設(shè)置不當(dāng)、硬件故障、監(jiān)視器超溫均可觸發(fā)TRIP信號，當(dāng)安裝調(diào)試不當(dāng)、組態(tài)錯誤、硬件故障易誤發(fā)跳機信號。因此，可通過修改組態(tài)設(shè)置TRIP限值大于停機保護值，將TRIP信號改造為監(jiān)視器及回路故障報警信號，采用開關(guān)量轉(zhuǎn)速大于等于轉(zhuǎn)速限值輸出作為超速停機保護信號，從而解決TRIP報警導(dǎo)致超速保護信號誤發(fā)的問題。

表1 TRIP信號觸發(fā)原因Table 1 Cause of TRIP signal

3）無監(jiān)視器及回路故障報警

通過對超速組態(tài)和通訊接口分析，可通過將原TRIP觸發(fā)限值大于轉(zhuǎn)速限值的方法，將原TRIP信號作為監(jiān)視器及回路故障報警信號。

4）DCS無法進行監(jiān)視TSI轉(zhuǎn)速

經(jīng)對模擬量傳輸接口分析發(fā)現(xiàn)，可通過組態(tài)設(shè)置輸出轉(zhuǎn)速和加速度，從9針轉(zhuǎn)換端子輸出實時轉(zhuǎn)速至DCS系統(tǒng)，用于實時監(jiān)視。

5）超速保護信號選用不當(dāng)

原超速保護信號選用TRIP信號，其觸發(fā)原因較多，易造成超速保護信號誤發(fā)，可通過開關(guān)量傳輸接口選用轉(zhuǎn)速大于等于轉(zhuǎn)速限值作為超速保護信號。

通過以上分析，在原有超速保護系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改造，解決超速保護系統(tǒng)不可靠的問題。組態(tài)軟件設(shè)置模擬量輸出2為轉(zhuǎn)速輸出并設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速量程，通過4mA～20mA輸出的方式輸出模擬量轉(zhuǎn)速，經(jīng)過9針轉(zhuǎn)換端子5、9端子引入轉(zhuǎn)速至DCS系統(tǒng)。修改TRIP觸發(fā)限值大于轉(zhuǎn)速限值作為故障報警信號，經(jīng)過集成背板輸出端子至DCS系統(tǒng)。修改開關(guān)量輸出組態(tài)Output4為大于轉(zhuǎn)速限值作為超速保護信號，經(jīng)25針轉(zhuǎn)換端子+24V、8輸出超速保護停機信號至DCS系統(tǒng)。在DCS系統(tǒng)中，修改原超速停機保護邏輯為每個監(jiān)測卡超速停機、故障報警取非、模擬量大于轉(zhuǎn)速限值且好質(zhì)量3個信號相與后，再3取2觸發(fā)超速保護停機信號至ETS動作汽輪機，如圖4。

圖4 超速保護系統(tǒng)優(yōu)化后信號流程圖Fig.4 Signal flow diagram for optimized overspeed protection system

4 優(yōu)化后試驗

為驗證優(yōu)化改造的可靠性，同時防止測量失準(zhǔn)導(dǎo)致保護信號誤動或拒動，進行保護及報警傳動試驗，具體試驗如下：

1）線路故障試驗

分別在就地前置器處拆除轉(zhuǎn)速1、2、3的探頭側(cè)接線和電纜側(cè)接線，對應(yīng)監(jiān)測卡的TRIP信號均會觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點，超速保護停機信號未觸發(fā)。證明線路故障不造成保護動作。

2）監(jiān)測卡斷電重啟試驗

在TSI機柜處對應(yīng)超速模件處，將超速1、2、3模件分別拔出，同時拔出后在插回模件，模件拔出TRIP信號會觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點，插回后模件自檢完成，TRIP信號消失，模擬量恢復(fù)正常，期間超速保護信號未觸發(fā)，證明模件斷電重新啟動不會造成保護動作。

3）電源故障試驗

在TSI機柜處，分別拉開兩個電源模塊空開，超速1、2、3模件正常運行。同時拉開兩個電源模塊電源空開，TRIP1、2、3信號觸發(fā)，模擬量轉(zhuǎn)速保持且變壞點，超速保護停機信號未觸發(fā)，證明電源故障不會造成保護動作。

4）轉(zhuǎn)速偏差試驗

在就地前置器處用專用信號發(fā)生器給A6370模件加轉(zhuǎn)速信號。監(jiān)視器兩兩之間加不同轉(zhuǎn)速信號，觸發(fā)TRIP信號，超速停機信號未觸發(fā)，證明超速監(jiān)測卡監(jiān)測轉(zhuǎn)速不同不會造成保護動作。

5）超速保護試驗

對任意兩個監(jiān)測卡同時加信號到保護值，剩余監(jiān)測卡因與另外兩個模件轉(zhuǎn)速偏差大該監(jiān)測卡觸發(fā)TRIP信號，加信號兩個監(jiān)測卡TRIP信號未觸發(fā)，超速停機信號觸發(fā)，保護邏輯動作。對3個監(jiān)測同時加信號到保護值，TRIP信號未觸發(fā)，超速保護停機信號觸發(fā)，保護邏輯動作。因此可知，只有轉(zhuǎn)速達到保護定值時，超速保護才動作。

機組啟動過程中進行實際線路故障、監(jiān)測卡斷電重啟、電源切換、超速試驗，均與上述試驗結(jié)果一致，同時經(jīng)優(yōu)化改造后1年觀察，未發(fā)生轉(zhuǎn)速跳變、超速保護信號誤發(fā)的現(xiàn)象，充分驗證了優(yōu)化改造后超速保護系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文通過CSI6300超速保護系統(tǒng)進行深入分析，針對機組運行中轉(zhuǎn)速跳變、保護信號誤發(fā)等多個問題進行剖析，并提出修改TRIP觸發(fā)定值變?yōu)榭盎芈穲缶?、模擬量轉(zhuǎn)速信號上傳DCS系統(tǒng)，超速保護信號優(yōu)化為轉(zhuǎn)速大于保護值等方法進行優(yōu)化改造。經(jīng)過試驗論證改造效果，改造后未發(fā)生超速保護誤動情況，在較小的改造成本下達到增強TSI超速保護系統(tǒng)可靠性的目的，為其他同類型機組提供參考。