关于上海大屯能源热电厂主汽轮机ETS与给水泵汽轮机METS振动保护逻辑优化的研究与应用

关于上海大屯能源热电厂主汽轮机 ETS与给水泵汽轮机 METS振动保护逻辑优化的研究与应用

卜龙龙

上海大屯能源股份有限公司热电厂，江苏省徐州市 ， 221611

摘要：ETS在工业领域是汽轮机跳闸保护系统的简称。全拼为Emergency trip system，当汽轮机运行异常，汽轮发电机控制系统无法控制气轮机系统在正常范围内时，为防止损害汽轮发电机系统，ETS使汽轮机跳闸，关闭所有的汽轮机进汽阀。振动保护是汽轮机组重要的保护项目之一，根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中规定：汽轮机振动保护必须投入。但目前上海大屯能源热电厂（简称我厂）1、2号汽轮机组在出厂时的常规设计方案一般是单点保护，从生产现场的实际情况来看，这种方式存在单点保护误动的问题。因此根据《二十五项反措》要求及现场设备实际情况进行逻辑上的优化，降低振动监测设备因自身原因引起的误动和确保ETS无拒动的情况。

关键词：ETS 振动保护 二十五项反措 保护误动

1. 研究背景

大屯热电厂建设规模为2×350MW，安装2台350MW汽轮发电机组。锅炉为东方锅炉（集团）有限公司生产的DG1146/25.4-II1CFB超临界变压运行直流循环流化床锅炉。汽机为东方汽轮机有限公司生产的CC350/299.7-24.2/1.2/0.5/566/566超临界、一次中间再热、单轴、三缸双排汽、具有工业采暖双抽调整抽气的供热机组。发电机为东方电机厂有限责任公司制造的QFSN-350-2-20型机端自并励静态励磁系统汽轮发电机，发电机采用定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁心及其结构件氢气表面冷却。主汽轮机及给水泵汽轮机ETS系统设备采用艾默生过程控制公司集成一体化接入全厂DCS&DEH控制系统逻辑中；TSI系统设备采用CSI6500监控系统，安全监视装置中振动部分由涡流探头振动传感器、前置器、监测卡件、连接电缆等。我厂汽轮机振动保护在出厂设置时按照东方自控设计为单点保护即当各轴瓦的X/Y向任一探头检测到振动值达到跳机值时，振动保护动作，机组跳闸。由于涡流探头测量从前置放大器到TSI系统采用负电压传输，在受到电磁干扰或传感器及卡件故障等情况下，机组容易出现误发信号的情况，此外，这种重要保护设置成单点保护也违反了热工重要保护应为“二取二”或“三取二”的可靠性配置设计原则。

TSI卡件配置如图1所示。因此我厂热控人员组织讨论对此逻辑进行优化。

图1

2. 优化方案

首先我们先对现场的测点安装、原厂逻辑及TSI卡件中的配置进行梳理。按图1所示以4号轴承振动为例，现场4号轴承振动配置X、Y两个方向的涡流探头，汽轮机转子振动测量中X与Y向不是指水平与垂直振动，X与Y向都与垂直方向成45度。是这样定义的：面对机头观察机组转向，顺时针的话左侧为X向（十字坐标里的第二象限）、右侧Y向（十字坐标里的第一象限）；如果机组是逆时针转向X与Y向定义与上述相反。图2

图2

现场测点如图1所示经过前置放大器输出至A6110卡件中进行数据处理，将模拟量信号输出，同时有报警及危险等开关量信号输出至ETS进行保护逻辑组态，原组态情况如下：

由于测点是分为X向和Y向但是从TSI卡件输出来看就是单点保护，因此我厂热控专业人员经过讨论出以下优化方案：

根据GB/T 11348.2—2012《机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分：功率大于50 MW，额定工作转速1 500 r/min、1 800 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min陆地安装的汽轮机和发电机》中4.2.3.3条新增如下内容为振动保护的设置提供了依据：“汽轮机和发电机通常是受自动控制系统控制的，如果超过停机振动值，自动控制系统使机器停机。为了避免虚假信号引起的不必要的停机，实际上通常采用多个传感器控制逻辑，并在触发机器自动停机的任何自控动作之前，规定一个时间延迟。因此，如果接收到振动停机信号，而且至少被两个独立的传感器确认超过了规定的有限的延迟时间才可以触发停机。典型的延迟时间是1～3 s。为了慎重可以在报警值和停机值之间插入第二次报警，以预警操作人员正在接近停机值，他们可以采取任何校正措施（例如降低负荷或制造商建议的其他措施），避免满负荷停机。”随着汽轮机故障问题的增多以及火电厂对设备安全重视程度的提高，我厂决定采取“二取二”的组合逻辑方案，对于停机动作延迟问题，考虑汽轮机在运行期间轴承振动变化较快，如果遇到实际振动大且变化比较快的情况由于加入延迟无法及时的采取保护动作可能会造成事故扩大，因此在我厂的方案中不建议增加延迟。其中有三种优化方式：

（1）任意瓦的X/Y方向振动中一个达到报警值，另一个达到跳闸值即触发振动保护跳闸。

（2）任意瓦振动中任意一个达到跳闸值，且相邻瓦X/Y方向振动任意一个达到报警值即触发振动保护跳闸。

（3）任意瓦的X/Y方向振动中一个达到跳闸值，且除本瓦外任意瓦X/Y方向振动中一个达到报警值即触发振动保护跳闸。

第一种方案，虽然本瓦X/Y方向振动的相关性已得到认同，但具体幅值在各机组、各瓦中都不相同，因而也存在出现“拒动”的可能性。

第二种方案，相邻轴瓦有两种情况：一种是通过联轴器相连的两瓦相邻；另一种是中间隔着缸体的两瓦相邻，其相关性并不被广泛认同。汽轮机振动的主要原因有转子质量不平衡、轴承损坏、油管崩裂造成摩擦、电磁不平衡、热不平衡等多种，在本瓦轴承损坏时，有可能只是本瓦出现振动增大的情况或向联轴器相连的轴瓦传递的可能性更大，而对于隔着缸体的相邻两瓦其传递的能量要少一些。即使是在振动故障中出现最多的转子质量不平衡的情况下，虽然相邻两瓦振动具有相关性，但是具体定值的给出还需要根据实际情况进行计算，难以给出一个通用值以保证机组安全。

第三种方案是对前两种方案进行综合考虑的一种相对合理的方案，既考虑了由于相邻瓦振动相关性不强可能产生保护拒动的情况，也考虑了同一瓦X/Y向信号布置在同一卡件时卡件故障可能造成保护误动的情况，在最大程度上防止了保护误动和拒动的发生。

经过讨论决定采用第三种方案进行优化。除对振动保护的逻辑进行优化外，GB/T11348.2—2012中还提到了振动保护延迟时间的设置，并给出典型的延迟时间为1～3 s的建议。因此，部分电厂在进行了振动保护逻辑优化后还设置了延迟时间，由于部分机组发生的重大轴系故障振动值变化过程非常短暂，可能未达到保护延迟时间，未达到振动保护动作条件，但实际汽轮机内部已经发生很严重的事故。为了防止此误动情况我厂决定不增加延迟，防止因振动变化非常短暂造成保护误动的情况。优化后逻辑情况如下（以3、4瓦为例简要示意）：

3. 应用效果

汽轮机组内部发生故障时机组的振动情况是多种多样的，从保护设备的角度出发，可能设置为单点保护是合适的，但从现场实际的运行情况来看，单点保护造成的保护误动较多，从热工可靠性保护设置原则角度对振动保护逻辑进行优化完善是很有必要的。因此我们按照上述第三种方案进行优化，极大的避免了保护误动的情况，同时振动大“二取二”冗余判断逻辑，已可达到防止信号突变造成保护误动的要求，设置过长的延时反而会在振动确实大的时候增加设备损坏的风险，通过取消延迟可以避免保护误动的情况。按照方案1号机组于机组C修中根据逻辑保护修改单执行；2号机组在检修期间根据逻辑保护修改单批复执行时间，由热控班上工作票执行，运行配合解除2号小机METS振动保护，待修改完成后恢复。改造后我厂汽轮机、发电机和给水泵汽轮机振动保护误动率为0%，无发生拒动现象。

参考文献：

【1】GB/T 11348.2—2012 《机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分：功率大于50 MW，额定工作转速1 500 r/min、1 800 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min陆地安装的汽轮机和发电机》

【2】DLT774-2015 火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程

【3】DL/T 591-2010.7184 火力发电厂汽轮发电机的检测与控制技术条件

【4】DL/T 591-1996 火力发电厂汽轮发电机的热工检测控制技术导则

【5】国电发［2000］ 589 号 防止电力生产重大事故的二十五项重点要求