发电厂汽轮机轴振保护控制策略优化

发电厂汽轮机轴振保护控制策略优化

赵永恒

华能海南发电股份有限公司东方电厂，东方市，572600

摘要：火力发电厂汽轮机轴系相对振动测点因本体设计因素限制和成本条件限制，一般每个轴瓦处仅设计X向和Y向两个测点，无法满足主要设备保护采取“三取二”保护策略的要求。大部分火力发电厂都采取单点保护或者采用X向和Y向相与的保护方式，这将会使汽轮机轴振保护难于完全达到“杜绝拒动，防止误动”的基本原则。因此，如何完善汽轮机轴承相对振动保护控制策略，保证汽轮机的安全运行，已经是当前最为迫切解决的问题。

关键词：汽轮机；相对振动；控制策略；优化

0 引言

某发电厂汽轮机是哈尔滨汽轮机制造厂生产的超临界、一次中间再热、单轴、高中压合缸、反动凝器式汽轮机，汽轮机共分六个轴瓦，每个轴承上均安装有X、Y向振动探头。一期工程小汽轮机同是哈尔滨汽轮机制造厂生产，配置为一台100%汽动给水泵和一台50%电动给水泵；二期工程小汽轮机为青岛捷能汽轮机制造厂生产，仅配置一台100%汽动给水泵。其本体监视系统（TSI）均采用本特利3500系列监视装置，该装置通过电涡流传感器对汽轮机的轴振、转速、偏心、键相、轴位移、胀差等参数进行监测，当任一轴振值达到254μm时，通过智能卡件发出轴振大保护信号，若TSI回路出现故障时，会引起振动保护回路误动作或者拒动，给机组的安全运行带来极大的威胁。

1 优化策略提出的背景

某电厂汽轮机组1-6号轴承均安装有X、Y向振动探头，探头信号经过就地前置器处理后接入TSI输入卡件，经过卡件内部数据处理后，当任一轴振测点输出数值≥125μm时，触发输出卡件报警触点，向DCS发送报警信号；当任一轴振测点输出数值≥254μm时，触发输出卡件跳机触点，向ETS系统发送跳机信号。由于该设计采用单点保护的方式，当任一轴振测点信号测量值异常或者故障，可能会直接引起机组跳闸，存在较大的误动风险。

小汽轮机同样采取本特利3500系列监视装置，1号大轴安装有X、Y向振动探头，2号大轴仅安装一个垂直向振动探头，汽轮机给水泵驱动端和非驱动端分别安装有X、Y向振动探头，存在与主汽轮机相同的风险，特别是热力系统上仅设计了一台100%的汽动给水泵，导致了小汽轮机的保护等同于主机保护，单点保护的风险成倍增加，给机组带来更大的非停风险。

2保护策略优化的必要性

    汽轮机轴承振动大保护作为汽轮机的一项重要保护，对机组的安全运行有着重要的作用。特别是近年来因为汽轮机轴振单点保护的缘故造成机组误动作跳闸的次数逐级增加，某电厂因为基建时取消电动给水泵设计，改为单台容量100%的汽动给水泵，给水泵汽轮机的作用等同于主机，因此必须改变汽轮机轴振保护策略，提高汽轮机轴振保护的可靠性，降低机组风险系数。

3 保护策略优化方案

3.1  X向和Y向相与保护逻辑优化方案一

汽轮机各轴系之间的轴振保护测点的相关性基本不存在，因此汽轮机组轴振保护一般情况下都采取同轴系两个轴振测点相与的方式进行保护。该保护方式为当X向轴振测点和Y向轴振测点中一个测点达到报警值，另一个测点达到跳机值时，才输出跳机信号送至汽轮机危机遮断系统，进行跳机保护，其逻辑关系为: “任一瓦（X向振动报警*Y向振动跳机）+（X向振动跳机*Y向振动报警）”。

A．假设该保护策略采用“真实与”方式（真实“与”逻辑把非OK 或者旁路的报警参数保留在继电器逻辑中。如果某个被“与”运算的报警参数为非OK（即并非刻意用于触发非OK 状态的参数），或者该参数处于旁路状态，那么真实“与”逻辑将不会触发报警）。当同轴瓦的任一轴振测点故障或者非“OK”时，系统将自动屏蔽该测点输出，此时如果发生汽轮机轴承振动大跳机时，会发生拒动情况，引发更加严重的后果。

B．假设该保护策略采用“正常与”方式（当选择此选项时，如果某个报警参数为非OK 或被旁路（由于用户选择或者监测器故障），那么组态软件将把该参数从继电器逻辑中删除。请注意：组态软件不会从报警逻辑等式中删除一个“非OK”报警参数）。当同轴瓦的任一轴振测点故障或者非“OK”时，系统自动将该测点的逻辑删除，不再参与逻辑计算，可避免发生拒动的情况，但当另一个测点≥125μm时，逻辑将会输出跳机信号，造成机组误跳闸。因此该汽轮机的保护策略虽然起到了防止拒动的作用，但是在防止误动方面却有着致命的隐患。

综上所述，该保护策略方案不管在“真实与”或“正常与”的方式下均达不到理想的保护效果，且在防止误动方面却有着致命的隐患，因此该方案不宜采用。

3.2  X向和Y向相与保护逻辑优化方案二

为了使汽轮机轴承振动保护测点不采用单点保护，且在不增加轴承振动测点的同时使X向和Y向轴振测点相与后的保护逻辑符合“杜绝拒动，防止误动”的基本原则，提出的汽轮机轴振保护策略方案二。

该保护策略主要采用本特利3500系列软件内部“正常与”的方式进行组态，其保护策略仍旧是X向和

Y向中任一个点达到报警值，而另外一个测点达到跳机值时，进行跳机保护输出，但其保护逻辑修改为当X向和Y向同时达到报警值，X向和Y向中任一测点达到跳机值时，其输出进行相与后再输出跳机信号，其逻辑关系为: “任一瓦（X向振动报警*Y向振动报警）*（X向振动跳机+Y向振动跳机）”。

该保护逻辑的动作原理是采用X向和Y向的报警值相与，X向和Y向的跳机值相或，两者的输出再进行相与。当X向的轴振测点达到跳机值之前，肯定会先到达报警值，X向报警值输出信号转换后保持，假设此时Y向轴振值达到的报警值，则X向和Y向同时达到报警值相与的条件满足，而此时只要X向和Y向中任意一个达到跳机值，则输出跳机信号送至汽轮机危机遮断系统，Y向测点动作原理相同。

该保护策略与方案一保护策略相比较，其优点主要是当其中的任一测点故障或者非“OK”时，信号被系统屏蔽后，另一个测点则变为单点保护，仍旧能起到保护的作用，在一定程度上有效的起到防止拒动的作用，同时在X向和Y向测点正常时又能有效的起到防止单点保护误动的作用。因此，该方案的保护逻辑非常适合用于火力发电厂汽轮机轴振保护大保护。

3.3  TSI输出冗余配置方案

鉴于之前的安全理念限制和节约成本的因素，轴振、轴向位移等TSI重要保护的输出仅配置单路输出，安装时紧靠危机遮断系统控制柜安装，以便进行控制柜柜内布线。以往的安全理念认为控制柜内布线因环境和防护都较好，仅设计单路输出的可靠性以达到安全要求，但是从现场实际运行的结果和事故发生的案例分析，控制柜内布线也存在极大的安全隐患，如各输出接点接线松动、氧化或者检修人员疏忽触碰到该接点时，都有可能引起设备的误动。因此，为了提高汽轮机主要保护的可靠性，需要对轴振保护的输出进行全程冗余配置。

在采用本文方案二实现轴振保护后，为了能够使其输出也能达到“杜绝拒动，防止误动”的基本原则，需要对本特利3500系列的监视系统进行小改造。即在TSI框架上再增加两块输出模件，使其输出模件满足“三取二”的要求，同时使三块输出模块的保护组态完全一致，最后输出三路硬接线送至汽轮机危机遮断系统，通过汽轮机危机遮断系统判断是否输出跳机信号，有效起到防止单路输出故障时造成设备误动作的作用。

4结论

因设计限制、投资高等因素，汽轮机难于再进行增加测点的改造，在无法满足汽轮机轴承振动测点满足三取二的大前提条件下，采用方案二轴振保护策略进行优化后，极大的使汽轮机轴振测点保护起到了“杜绝拒动、防止误动”的作用，并且采用全程冗余的保护方式后，更加提高了汽轮机轴振保护的可靠性。同时该保护策略优化方式可以延伸到汽轮机其它单点保护或其它设备的单点保护，在不改变设计和增加设备的情况下，仍然可以极大的提高主要设备保护的可靠性。

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