試論冗余改造技術(shù)在汽輪機熱工保護中的運用

馬新立

（國電懷安熱電有限公司，河北 張家口 075000）

隨著汽輪機工作中頻頻暴露的問題，人們開始意識到加強對汽輪機熱工程保護系統(tǒng)實際改造的重要性，而通過對兩個或兩個以上單元的并聯(lián)工作模型進行拓展，使各單元平均各自負擔工作，減輕單元的工作負荷，進而減少汽輪機超速引起的軸斷裂現(xiàn)象，此項技術(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)就是分擔原來各單元的工作負荷，然后在通過時間、指令、空間等進行冗余，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 汽輪機熱工保護概述

結(jié)合汽輪機熱工程的內(nèi)容來看，其保護概述可以從保護目的和保護原則兩方面進行介紹，具體如下：第一、汽輪機熱工程的保護目的。熱輪機熱工程中，如何保證汽輪機飛行在正常的頻率范圍內(nèi)是其主要目的，但是在現(xiàn)實中熱輪機在工作中因過大的工作負荷，經(jīng)常會出現(xiàn)汽輪機排汽倒流的現(xiàn)象，這就好比高速飛行轉(zhuǎn)動的電機突然遭遇液體和氣體的襲擊，所以常常會出現(xiàn)汽輪機飛行超速的現(xiàn)象；同樣工作負荷過大會導(dǎo)致電機異常負荷而出現(xiàn)一些列的事故，影響汽輪機的工作，因此說加強對汽輪機熱工程的保護其實是在規(guī)避排汽倒流或發(fā)電機異常負載而導(dǎo)致的汽輪機飛行超速現(xiàn)象。同樣值得注意的是，加強對汽輪機熱工程的保護其本質(zhì)是提高汽輪機熱工程保護系統(tǒng)的可靠性，使其既要保證機組運行的安全性，同時還要最大限度的降低或避免失誤操作[1]；第二、汽輪機熱工程的保護原則。汽輪機熱工程的保護原則和其保護改造的目的息息相關(guān)，其保護目的決定了其保護的原則和宗旨，而保護原則則是保護目的措施的進一步細化。首先，我們在保護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)合改造的實際情況，采取有序漸進的方案進行保護；最后，在保護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)熱保護等，降低意外情況發(fā)生。

2 汽輪機熱工程保護的重要意義

汽輪機熱工程保護是汽輪機正常工作的前提基礎(chǔ)，加強對汽輪機熱工程的保護有著重要的意義，現(xiàn)將其總結(jié)如下：第一、是汽輪機熱工程保護技術(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，而為了保證汽輪機的正常運轉(zhuǎn)和工作，我們就要對汽輪機的機組進行安全維護，因此需要對其進行改造。一般對汽輪機的改造技術(shù)要充分考慮經(jīng)濟性和可靠性兩方面，即改造技術(shù)要運用有限的資源進行優(yōu)化配置，同時要保證汽輪機機組系統(tǒng)運營的可靠性，例如在汽輪機的機件間隙等相關(guān)的設(shè)計上，讓蒸汽參數(shù)實際縮小、在汽輪機的機組進行運行、停機以及啟動的操作時，通過規(guī)范操作讓其運轉(zhuǎn)速度處于正常范疇內(nèi)，進而達到保護的目的；第二、可以有效保障汽輪機機組的安全運行、啟動和停機。汽輪機熱工程在現(xiàn)實中為了將保護工作做到位，一般會對相關(guān)的蒸汽參數(shù)進行實時監(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)人員或者實現(xiàn)系統(tǒng)的自動斷開，降低故障事項。加強對汽輪機熱工程保護可以有效解決上述實際問題，實現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)的實時監(jiān)控，同時如若在運行的過程中，出現(xiàn)參數(shù)數(shù)值異常，系統(tǒng)會自動啟動停機狀態(tài)，從而防止系統(tǒng)運行中出現(xiàn)安全事故等；第三、降低汽輪機在運行中出現(xiàn)的意外事故概率[2]。汽輪機在運行中極易因各種因素出現(xiàn)意外停機等現(xiàn)象，對此加強對其熱工程的保護，簡單來說就是降低各種意外故障出現(xiàn)的概率。一方面，隨著汽輪機機組容量增加和汽輪機運行參數(shù)的快速提升，汽輪機運行熱工保護系統(tǒng)設(shè)計難度也在不斷升高，表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性和多元性，另一方面在實際運行中為保障汽輪機機組運行的高效性，通常大家會選擇縮小設(shè)計機組中的機組間隙和軸縫隙，以此來提高汽輪機機組之間的穩(wěn)定性能。

3 冗余改造技術(shù)在汽輪機熱工程保護中具體應(yīng)用

3.1 保護回路冗余改造技術(shù)

保護回路指的是對汽輪機的各獨立回路進行保護，從而實現(xiàn)各獨立回路之間的安全運行，保障汽輪機的安全停機，而保護回路冗余改造對于汽輪機組的安全穩(wěn)定運行、機組啟動停止、指令執(zhí)行的準確性和及時性等發(fā)揮了重要的保障作用。首先，傳統(tǒng)回路保護是通過單一的主回路進行回路保護設(shè)計，而改造后的冗余保護回路是在保留原有主回路系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，新設(shè)兩個獨立回路，同時要保證主回路和其他新設(shè)獨立的回路中任意一個回路發(fā)生障礙事故，都能夠保障汽輪機的安全停機，實現(xiàn)保護回路的冗余。其次，在分析改造前和改造后的保護回路可以發(fā)現(xiàn)，改造前的保護回路設(shè)計缺乏穩(wěn)定性和準確性，如主回路出現(xiàn)故障則會造成設(shè)備機組的安全起止無法正常運行，實現(xiàn)其基本的保障作用，而改造后的保護回路冗余設(shè)計通過設(shè)計兩個獨立回路，使其與原主回路形成三道保護回路系統(tǒng)網(wǎng)，降低故障率。最后，在實際回路保護中可發(fā)現(xiàn)，機械自鎖常常會存在很嚴重的卡殼現(xiàn)象，導(dǎo)致回路保護指令失靈或執(zhí)行不到位，為了避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，我們在回路保護冗余技術(shù)設(shè)計中就將其更換為不帶機械自鎖的電磁閥進行取代，一方面其可以避免電磁閥線圈不被高負荷工作，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，我們在保護回路冗余技術(shù)設(shè)計中除了要考慮拿到分攤主回路負荷的基礎(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，且需適當增加手動操作功能，提升設(shè)備機組運行的安全穩(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超速所導(dǎo)致的發(fā)電機甩負荷的問題，其原理是將汽輪機中所有導(dǎo)致發(fā)電機故障負荷的所有電路設(shè)備的保護信號分解成無數(shù)干路，再傳送到熱工程，達到保護熱工程的作用，這樣汽輪機熱工保護回路一旦接到信號傳送的信息，就會自動啟動停機指令，出現(xiàn)停機，就好比我們?nèi)梭w的味覺神經(jīng)系統(tǒng)功能，當我們味覺神經(jīng)向大腦發(fā)射出餓了的求救信號，我們就會尋找食物進行充饑，當我們進食飽腹后就不會再有很餓的意識。此項改造技術(shù)主要是因為汽輪機在運行中容易出現(xiàn)超速運行的情況，其不僅會導(dǎo)致汽輪發(fā)電機高負荷停機，還會影響整體工期的進展，影響汽輪發(fā)電機的穩(wěn)定運行，是汽輪機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輸出信號作為跳發(fā)電機出口開關(guān)的保護信號，當汽輪機在運行中出現(xiàn)負荷故障情況等會觸發(fā)任一保護動作分支系統(tǒng)中的跳發(fā)電機出口開關(guān)，但是卻不會影響發(fā)電機跳閘保護動作指令的正常運行，從而實現(xiàn)發(fā)電機跳閘保護信號的冗余，簡單來說就是在冗余改造技術(shù)中，通過設(shè)計若干線路進行意外情況的保護，同時將意外情況的保護信號通過傳輸線路傳輸?shù)綗峁けＷo電路，使繼電器可以及時準確的接收傳輸信號并下達自動跳閘動作指令，進而實現(xiàn)對機組的保護。

3.3 保護電源冗余改造技術(shù)

保護電源冗余改造技術(shù)主要是提高電源的利用率和穩(wěn)定性，前面的保護電路冗余技術(shù)和信號冗余技術(shù)都是加強對汽輪機熱工程穩(wěn)定性和及時性的保護，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)面加強對汽輪機熱工程的保護。首先，當熱工程中信號冗余系統(tǒng)的信號傳輸正處于對汽輪機的熱工程保護中時，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，對此我們要加強對電源冗余改造技術(shù)的引用。其次，加強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電源的方法進行，其一方面可以實現(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)行機構(gòu)冗余改造技術(shù)

為了進一步落實冗余改造技術(shù)，全面提升汽輪機各執(zhí)行機構(gòu)的運行效果，我們采取了執(zhí)行機構(gòu)冗余改造技術(shù)，即通過設(shè)置各相互獨立的主回路和輔助性的保護回路對執(zhí)行機構(gòu)運行命令、傳輸和執(zhí)行，進一步提升汽輪機執(zhí)行機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。首先，汽輪機熱工程的主保護回路和輔助保護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)，又相互獨立，主要體現(xiàn)在無論是主保護回路，還是輔助保護回路，當回路的斷路油門電磁閥接到指令發(fā)出動作時，汽輪機的主汽門和調(diào)速汽門仍會保持正常開啟，實現(xiàn)電磁閥執(zhí)行機構(gòu)的冗余，達到保護汽輪機熱工程的作用。其次，在汽輪機工作高負荷中容易出現(xiàn)外界故障致停機現(xiàn)象，例如抽汽逆止門或旋轉(zhuǎn)隔板關(guān)閉不嚴密、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)上增加補充措施，增加供熱抽汽門保護、聯(lián)動關(guān)閉電動主汽門等相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)，以此來避免上述的外界致停機故障狀況，一方面其有效降低了汽輪機工作中的意外故障概率，另一方面通過執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)化，最大程度上規(guī)避了異常情況。最后，在執(zhí)行機構(gòu)冗余改造技術(shù)中，對于回路構(gòu)成的設(shè)計，我們可以基于主汽門關(guān)閉信號和發(fā)電機保護信號之間的關(guān)聯(lián)性進行回路構(gòu)成設(shè)計技術(shù)的優(yōu)化，即只有在自動主汽門完全關(guān)閉且且發(fā)電機保護信號存在的情況下，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或解列抽汽故障，提高汽輪機的安全穩(wěn)定運行，另一方面可以有效實現(xiàn)對發(fā)電機的輔助保護效果，減少故障延遲等造成的不良現(xiàn)象，延續(xù)汽輪機的使用壽命。

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

表1 冗余改造技術(shù)流程表

4 結(jié)語

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