抽汽機組的控制保護策略優化探討

楊永青，鄒 晶，包錦華

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海 200240)

隨著國家環保政策要求的提高，在有供暖或工業用汽需求的地區，居民的采暖和工業用汽逐步從以往分布零散、能耗高、污染大的小鍋爐供熱方式向由大型火電汽輪機抽汽供熱的方式轉變。大型火電機組抽汽供熱有著良好的經濟性，而且較為環保，可以做到區域發展的經濟指標和環保效能的最佳平衡。

近年來，為不斷提升電網的穩定性和可靠性，電網對并網機組的調節性能提出了更高要求，需要并網機組實時投入自動發電控制(Automatic Generation Control，AGC)并參與一次調頻。電網會對發電企業AGC一次調頻是否投入、響應速度是否達標進行考核。而抽汽供熱機組的運行，除受電負荷的影響，還受供熱負荷的影響，其控制策略更加復雜。并且，冬季供暖事關民生，這就要求發電企業供熱機組具有較高的可靠性，因此，這進一步考驗著機組控制保護策略是否全面、完善。

汽輪機長期穩定運行(高可利用率)和汽輪機安全運行(設備保護投入)常常存在一定的矛盾。自動保護投入越多，跳機的可能性就越大，對汽輪機可利用率就會造成負面影響；自動保護投入過少，又會對汽輪機的安全構成威脅。本文通過分析一個抽汽機組的事故案例，探討電力企業中普遍采用的防止汽輪機保護誤動措施的利弊，旨在給電力企業在平衡汽輪機長期穩定運行和汽輪機安全運行方面的控制保護策略優化提供借鑒。

1 事件過程介紹

某抽汽供熱機組在運行中旋轉隔板油動機線性可變差動傳感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)發生斷線故障，導致動靜碰磨跳機。旋轉隔板起著節流閥的作用，功能和連通管調節閥類似。通過閥門開度的變化，調節閥前蒸汽壓力，滿足熱網管道的壓力調節需要。

現場查詢數字電液(Digital Electronic Hydraulic，DEH)控制系統的歷史趨勢，還原整個停機過程：

1)某日，機組旋轉隔板油動機LVDT發生斷線故障，閥門開度反饋為壞點，旋轉隔板關閉；此時推力軸承瓦溫和軸向位移均在正常運行值范圍內。

2)旋轉隔板的關閉導致低壓缸通流量減小，機組整體出力降低，機組電負荷快速下降，而機組以協調控制系統(Coordinated Control System，CCS)/自動發電控制(Automatic Generation Control, AGC)閉環方式運行，故CCS指令增加，高調閥開度于LVDT斷線后13 s達到全開。

3)高調閥全開后，汽輪機推力平衡于LVDT斷線后17 s被破壞，軸向位移由-0.2 mm下降至超過負量程(-2 mm)，下降過程不足1 s，此時機組未遮斷；DEH歷史站記錄刷新周期為1 s，未能記錄軸向位移變化的過程。

4)推力軸承調閥端瓦塊金屬溫度于LVDT斷線后75 s上升至150 ℃(設計遮斷值為107 ℃，實際機組未遮斷)。

5)高壓缸脹差于LVDT斷線后83 s達到遮斷值9.18 mm(實際機組未遮斷)，并于LVDT斷線后165 s達到最大值12.48 mm。

6)動靜碰磨造成了汽輪機1號瓦、2號瓦軸振過大，導致跳機，汽輪機開始惰走。

事件發生后，開缸檢查發現主要損傷如下：

1)轉子推力盤調閥端嚴重磨損，粗測磨損量達3.5 mm，表面硬度最高達540 HB(該轉子材料正常硬度范圍在220～260 HB)；推力軸承調閥端瓦塊嚴重磨損，粗測磨損量達4.5 mm。

2)高壓葉輪和隔板碰磨約1 mm；高中壓徑向汽封、隔板汽封和平衡活塞汽封磨損，高齒被推平。

3)動靜碰磨致使轉子、汽缸、持環、隔板和螺栓均有不同程度的磁性，現場測量結果顯示，部分螺栓最大磁力達到0.03 T，汽缸、持環、隔板部分位置最大達到0.006 T。

2 非正常停機事件分析

2.1 LVDT故障后旋轉隔板關閉

機組采用ABB公司生產的控制系統，其閥門伺服卡件的特性為：當LVDT發生故障時，其卡件輸出至伺服線圈的電流清零。按汽輪機廠原設計理念，斷電、斷線等故障狀態下油動機應能夠控制抽汽調節閥全開。根據油動機的油路設計，伺服閥應為正零偏型伺服閥，型號應當為3034B。實際該現場使用的伺服閥型號為3033B，為負零偏型的伺服閥，故當LVDT發生故障時，伺服卡件輸出電流為零，油動機使旋轉隔板關閉。

在LVDT發生故障，伺服閥發生故障，卡件故障和伺服閥斷線的情況下，應該保證抽汽調節閥油動機全開，查明故障原因以后再進行調節。

2.2 汽輪機推力平衡破壞

旋轉隔板關閉時，機組推力瓦溫和軸向位移均正常。然而，由于機組投入CCS/AGC，當機組電負荷指令不變，而實際電負荷功率下降時，控制系統就要求機組升負荷，汽輪機高調閥受指令打開至全開。期間汽輪機通流各監視壓力升高，其中4號抽汽壓力升高，達到抽汽壓力高限1.4 MPa時，就會觸發DEH保護，以5%的閥門流量指令速率關閉高調門。然而由于CCS指令升高速率較大，沒有產生實際作用。汽輪機缸內旋轉隔板前各級壓力持續異常升高，最終導致了推力平衡被破壞。

汽輪機在事故狀態下，即不穩定的調節情況下，應該自動解除CCS/AGC。同時，在主蒸汽和再熱蒸汽不穩定，即鍋爐和旁路裝置發生故障的情況下，應當要求退出AGC。

2.3 軸位移保護系統未輸出跳機信號

推力平衡破壞后，軸向位移在1 s內超出負量程，顯示壞點，但汽輪機監測儀表(Turbine Supervisory Instrumentation，TSI)未輸出軸位移跳機信號。

為了區分正常測量到達報警值觸發報警，和傳感器通道的異常斷線、電壓異常(超量程)等觸發報警，電廠使用德國EPRO公司生產的監測儀表，其卡件在組態時可以選擇報警抑制功能。軸位移通道輸出組態選項如圖1所示，其中，閉鎖即為報警抑制。

圖1 軸位移通道輸出組態選項

在啟用“報警抑制”功能的情況下，當汽輪機監測儀表測量到跳機值時，在到達設定的延時結束前，若通道狀態正常，則遮斷繼電器會發生動作。如果在設定的延時結束前測量到跳機值，通道已發生故障報警，則遮斷繼電器不會動作。

在關閉“報警抑制”功能的情況下，當傳感器斷線或者超過量程，則通道發起故障報警，通道在設定的延時結束后觸發遮斷繼電器，使其發生動作。

本次事件機組監測儀表的軸向位移啟用了報警抑制功能，從正常值到超過跳機值，再到超量程(通道狀態為故障)，總的時間小于1 s，而通道輸出設置了1 s的延時，最終沒有觸發通道至危急遮斷系統(Emergency Trip System, ETS)的遮斷繼電器，未能使遮斷繼電器發生動作。

對于汽輪機轉速和軸向位移這2個變量，在任何工況下都不能在其控制邏輯中加延遲時間。為了保證不發生誤跳機，應該采用三選二或者四選二的邏輯。建議將這些邏輯做在ETS保護柜內，即使線路上有干擾信號，也能保證汽輪機的安全。

2.4 推力軸承金屬溫度保護系統未輸出跳機信號

根據汽輪機廠要求，推力軸承金屬溫度保護系統在107 ℃時即應當輸出跳機信號。實際上，出于減少機組非正常停機的考慮，國內不少發電企業自行決定將此跳機條件取消。經了解，該機組同樣取消了推力軸承溫度過高的跳機保護機制，僅設置了報警，由運行人員判斷是否停機。實際事件發生時，由于諸多參數報警異常，運行人員應接不暇，因此未能在短時間內快速判斷決定。

推力軸承金屬溫度是使用熱電阻或者熱電偶測量的，這2種測量元器件的抗干擾能力都比較差，如果直接投入自動保護，勢必會引起誤跳機。建議采取冗余配置并進行邏輯運算處理[1]，即使用同一面的溫度點采用二選二的模式，再加2～3 s的延時，投入自動保護。

2.5 高壓缸脹差保護系統未輸出跳機信號

經了解，機組高壓缸脹差保護系統為單點保護，業主擔心這樣會造成機組誤跳，遂自行決定取消了高壓缸脹差保護機制，造成了非正常停機事件發生期間，高壓缸脹差達到遮斷值時無法輸出跳機信號，致使機組繼續運轉，加重了設備損傷。

正常情況下，高壓缸脹差和低壓缸脹差在啟停機時參數有變化，在機組達到穩定工況時，其參數變化量很小。正常運行時機組參數發生很大變化的時候，機組故障肯定已經產生。機組測量脹差，有的使用渦流傳感器，有的使用LVDT形式，其抗干擾能力一般，所以建議采用二選二的模式，再加上適當的延時，投入自動保護。

2.6 振動保護系統輸出跳機信號

汽輪機廠要求X向或Y向任意通道振動值達到遮斷值時，振動保護系統即輸出跳機信號。實際上，出于減少因信號干擾、探頭故障等造成的機組非正常停機的考慮，國內不少發電企業自行決定將此跳機條件修改為同一軸瓦的X通道報警且Y通道跳機(或X通道跳機且Y通道報警)輸出[2]。該機組正是采用了上述避免誤跳機的方案。然而，盡管機組最終是通過振動保護系統輸出了跳機信號，卻由于采取了上述避免誤跳的設置，導致機組在第一次1X振動值達到遮斷值時未能及時跳機，而等到近30 s后，1X和1Y滿足一個報警、一個遮斷的條件時，才最終輸出跳閘信號，造成了設備損傷進一步加重。

根據國家最新的25項措施[3]，保護系統必須采用二選二，或者三選二的模式，不能采用單點保護。但是，振動和軸瓦溫度的測量感應元件沒有辦法安裝在同一點上，根據實踐，即使二者安裝在非常靠近的位置，其測量出來的數據差別也很大。汽輪機在事故狀態下，轉子在大部分情況下往一個方向偏，往往是一個方向的振動先大起來，等到發生碰磨到一定程度以后兩邊的振動再同時大起來。非正常停機時間過程曲線如圖2所示。

圖2 非正常停機事件過程曲線

3 事件總結與控制優化

經過對上述非正常停機事件發生過程的分解和分析，從機組運行實際情況出發，基于汽輪機安全運行要求，對抽汽機組的控制保護策略優化的總結和建議如下：

1)在機組油動機的維護調試時，應確保伺服閥斷線時，油動機的動作方向有利于機組的安全。高壓主汽閥、高壓調閥、中壓調閥在油動機伺服閥斷線的情況下應關閉，旋轉隔板或者連通管壓力調節閥在油動機伺服閥斷線的情況下應打開。

2)應采取適當的措施對控制邏輯進行設計，當油動機LVDT發生故障時，確保伺服卡輸出的指令有利于機組的安全。

3)取消TSI監測儀表的報警抑制功能，斷線或超限等狀態應當直接觸發繼電器，使其發生動作。探頭安裝調試時應進行試驗，確保軸向位移在通道故障情況下正確輸出跳機保護信號[4]。可以考慮將每個軸向位移探頭的跳機輸出信號單獨接入ETS，由ETS進行“四選二”輸出保護。

4)推力瓦溫度保護機制的投入可以采用推力瓦金屬溫度“二選二”的模式，避免單點保護影響機組的穩定運行。

5)對于旋轉隔板突然關閉的情況，應切除協調，將DEH由遙控模式切換成操作員自動模式運行，確保汽輪機維持原來的狀態。同樣，應當對連通管壓力調節閥突然關閉后切除協調等邏輯進行完善。

6)增加一套脹差信號，以配合原始的脹差信號。脹差信號進行“二選二”投入保護。通過增加冗余的方式，確保保護信號的可靠，使其有利于汽輪機的穩定運行。

7)為防止誤跳機，發電企業往往將軸振保護跳機邏輯設置為“X通道報警且Y通道跳機”，或“X通道跳機且Y通道報警”，實際上，極端情況下會出現某一方向振動值在報警范圍內，而另一方向振動值遠超跳機值。故建議將振動保護跳機邏輯調整為：任意方向(X或Y)振動達到跳機值，系統即輸出跳機信號。考慮信號干擾因素，振動信號尤其是瓦振信號可增加3 s濾波。

4 結 論

汽輪機控制保護策略關系著機組運行的穩定性和安全性，而抽汽機組的復雜性更是對其提出了極高的要求。本文深入分析討論了某抽汽機組動靜碰磨事件，獲得了汽輪機，尤其是抽汽機組的控制保護策略的優化方案。方案可操作性強，在汽輪機運行穩定性和安全性之間找到了最佳平衡點。研究成果可為國內日趨復雜的運行工況和寬負荷的汽輪機調節運行提供借鑒和參考。