小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)可靠性研究

趙 銀

（山西大唐臨汾熱電有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

1 系統(tǒng)介紹

某廠本期工程安裝2 臺(tái)國(guó)產(chǎn)300MW 亞臨界、一次中間再熱、燃煤、脫硫、空冷、抽汽凝汽式發(fā)電機(jī)組。三大主機(jī)分別由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司、上海電氣集團(tuán)股份有限公司和上海電機(jī)集團(tuán)股份有限公司制造。機(jī)組配備1臺(tái)100%容量的汽動(dòng)給水泵和1 臺(tái)50%容量的電動(dòng)給水泵。機(jī)組啟動(dòng)初期使用電動(dòng)給水泵，正常時(shí)使用汽動(dòng)給水泵。

汽動(dòng)給水泵選用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的NK63/56/0 型冷凝式汽輪機(jī)，泵選用了沈陽透平機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的汽動(dòng)給水泵。小汽機(jī)有高壓（備用調(diào)節(jié)閥）、低壓（工作調(diào)節(jié)閥）兩個(gè)調(diào)門，共有三路汽源，分別為：四段抽汽（0.70Mpa，364℃），再熱器備用汽源（0.70Mpa，339℃），輔汽聯(lián)箱來的輔汽（3.41Mpa，320℃）。機(jī)組正常運(yùn)行工況，四段抽汽向低壓調(diào)節(jié)閥供汽，低壓調(diào)節(jié)閥依據(jù)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制綜合閥位進(jìn)行小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當(dāng)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制綜合閥位＞49%時(shí)，再熱器冷端來汽向高壓調(diào)節(jié)閥供汽，由低壓調(diào)節(jié)閥、高壓調(diào)節(jié)閥依據(jù)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制綜合閥位對(duì)小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行聯(lián)合控制。當(dāng)機(jī)組啟、停機(jī)及機(jī)組冷態(tài)小汽輪機(jī)調(diào)試時(shí)，使用輔汽供汽進(jìn)行小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

圖1 小汽輪機(jī)硬回路停機(jī)控制圖Fig.1 Small turbine hard circuit shutdown control chart

小汽機(jī)的控制系統(tǒng)選用了北京日立控制系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的HICAS-5000M 控制系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)也選用了日立HICAS-5000M 控制系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)選用瑞士Vibro-Meter SA 公司生產(chǎn)的VM600 系列監(jiān)視儀表。

2 小汽輪機(jī)停機(jī)回路設(shè)計(jì)說明

2.1 電源設(shè)計(jì)

某廠DCS 系統(tǒng)小汽輪機(jī)停機(jī)回路電源，分別從單元機(jī)組電子間熱控電源柜1（UPS、爐PC 冗余供電，UPS 為主）、熱控電源柜2（爐PC、事故保安冗余供電，爐PC為主）各引用一路電源，經(jīng)過AC220 繼電器GJ06 實(shí)現(xiàn)雙路電源冗余切換供電后，向停機(jī)保護(hù)回路供電。其中，AC220 繼電器GJ06、GJ07、GJ08 分別對(duì)電源1、電源2、切換裝置后電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，AC220 繼電器GJ06 故障應(yīng)導(dǎo)致小汽輪機(jī)保護(hù)回路失去電源，保護(hù)拒動(dòng)，如圖1 所示。

2.2 停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)

1）DCS 系統(tǒng)METS 保護(hù)停機(jī)

DCS 保護(hù)停機(jī)信號(hào)通過MEH 機(jī)柜DO 卡件驅(qū)動(dòng)HR08-C2、HR08-C3 指令繼電器直接驅(qū)動(dòng)停機(jī)電磁閥1、2（電磁閥1、2 冗余設(shè)計(jì)）帶電，實(shí)現(xiàn)DCS 系統(tǒng)MEH 保護(hù)停機(jī)，冗余配置的停機(jī)電磁閥1、2 共用DO 卡件、DO 端子板，不滿足獨(dú)立性配置原則，如圖1 所示。

2）緊急停機(jī)按鈕硬回路停機(jī)

臥盤停機(jī)按鈕按下驅(qū)動(dòng)繼電器GJ04、GJ05 帶電，繼電器GJ04、GJ05 帶電驅(qū)動(dòng)繼電器GJ09、GJ10 帶電，GJ09、GJ10 繼電器驅(qū)動(dòng)停機(jī)電磁閥1、2 帶電，實(shí)現(xiàn)小汽輪機(jī)硬回路手動(dòng)停機(jī)（臥盤按鈕送至DCS 系統(tǒng)METS 保護(hù)信號(hào)在此不再進(jìn)行說明），如圖1 所示。

3）MEH 控制故障硬回路保護(hù)停機(jī)

MEH 機(jī)柜分別設(shè)計(jì)3 個(gè)DC24V 監(jiān)視繼電器GJ01、GJ02、GJ03 對(duì)主CPU、備用CPU、MEH 系統(tǒng)任意CPU 正常進(jìn)行監(jiān)視。小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)MEH 系統(tǒng)雙CPU故障導(dǎo)致繼電器GJ03 失電，繼電器GJ03 失電驅(qū)動(dòng)繼電器GJ09、GJ10 帶電，繼電器GJ09、GJ10 帶電驅(qū)動(dòng)停機(jī)電磁閥1、2 帶電，實(shí)現(xiàn)MEH 控制器故障小汽輪機(jī)保護(hù)停機(jī)[1]，DC24V 監(jiān)視繼電器故障率高，易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，如圖1 所示。

3 小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)可靠性分析

3.1 電源設(shè)計(jì)可靠性分析

小汽輪機(jī)停機(jī)回路電源經(jīng)繼電器GJ06 實(shí)現(xiàn)雙路電源冗余切換供電設(shè)計(jì)不合理，本廠機(jī)組以及咨詢同類機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)分析，AC220V 繼電器故障率較高（見表1、表2、例1）。若因繼電器故障導(dǎo)致小汽輪機(jī)停機(jī)回路電源失去，且上位機(jī)報(bào)警未能進(jìn)行有效報(bào)警時(shí)，將導(dǎo)致小汽輪機(jī)遠(yuǎn)控停機(jī)控制徹底失去，異常工況時(shí)只能通過運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行就地手動(dòng)停機(jī)，對(duì)于發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行存在重大安全隱患，嚴(yán)重影響小汽輪機(jī)安全運(yùn)行。

表1 DCS系統(tǒng)故障記錄Table 1 DCS System failure records

3.2 MEH系統(tǒng)雙CPU故障停小汽論機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)可靠性分析

MEH 系統(tǒng)雙CPU 故障停小汽論機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)，引用DC24 繼電器GJ03 來觸發(fā)小汽輪機(jī)停機(jī)硬回路動(dòng)作設(shè)計(jì)不合理。分析本廠機(jī)組以及咨詢同類機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)，日立控制系統(tǒng)控制器故障率較低，同一控制系統(tǒng)雙CPU 同時(shí)故障的故障發(fā)生率目前為止統(tǒng)計(jì)為0%且運(yùn)行穩(wěn)定，但是機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)分析顯示，DC24V 繼電器故障率較高（見表1、表2、例1），綜上所述僅引用DC24 繼電器GJ03 來代表MEH 控制器雙CPU 故障設(shè)計(jì)不合理，極大地增加了因繼電器故障而MEH 控制器運(yùn)行正常觸發(fā)保護(hù)誤動(dòng)的可能性，不利于小汽輪機(jī)安全運(yùn)行。同時(shí)分析單元機(jī)組設(shè)計(jì)100%負(fù)荷小汽輪機(jī)、備用電動(dòng)給水泵的發(fā)電機(jī)組給水RB 動(dòng)作過程記錄，給水RB 在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)成功率較低且即使成功運(yùn)行，人員后續(xù)工況調(diào)整難度較大，導(dǎo)致單元機(jī)組汽輪機(jī)跳機(jī)脫網(wǎng)的可能性較大，不利于發(fā)電企業(yè)單元機(jī)組的安全可靠運(yùn)行，不利于電網(wǎng)安全運(yùn)行[4]。

例1：1 號(hào)機(jī)組啟動(dòng)報(bào)單網(wǎng)故障

2016 年1 號(hào)機(jī)組按計(jì)劃?rùn)z修后啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中UPS電源電壓瞬時(shí)波動(dòng)，導(dǎo)致UPS、事故保安冗余電源切換，UPS 電源電壓瞬時(shí)波動(dòng)后恢復(fù)正常，1 號(hào)機(jī)組報(bào)單網(wǎng)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)為1 號(hào)機(jī)組GW 主控制器1 供電電源失去。GW主控制器由UPS 電源、事故保安電源經(jīng)過AC220V 電磁式監(jiān)視繼電器冗余切換后進(jìn)行供電，檢查GW 主控制器1 供電回路，發(fā)現(xiàn)AC220V 電磁式監(jiān)視繼電器有明顯電源切換放電拉弧痕跡，繼電器觸點(diǎn)之間絕緣不合格，綜合分析、試驗(yàn)確認(rèn)異常原因?yàn)锳C220V 電磁式監(jiān)視繼電器故障，導(dǎo)致UPS 電源、保安電源之間因繼電器觸點(diǎn)發(fā)電、絕緣不合格形成回路，進(jìn)而導(dǎo)致UPS 電源、保安電源冗余切換失敗，UPS 電源、保安電源進(jìn)線空開均跳閘，GW 主控制器1 供電電源失去，導(dǎo)致1 號(hào)機(jī)組發(fā)生單網(wǎng)故障。

表2 繼電器檢查不合格率記錄Table 2 Relay check failure rate record

4 小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 電源設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

為避免因電源切換繼電器故障導(dǎo)致小汽輪機(jī)停機(jī)回路電源失去，導(dǎo)致小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)拒動(dòng)的不安全事件發(fā)生，提高小汽輪機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，提出以下優(yōu)化方案。

1）設(shè)計(jì)業(yè)績(jī)良好或發(fā)電企業(yè)應(yīng)用性能較好的專用、知名品牌電源切換裝置替代AC220V 繼電器GJ06，比如ATS（Automatic Transfer Switching Equipment），自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS 主要用在緊急供電系統(tǒng)，將負(fù)載電路從一個(gè)電源自動(dòng)換接至另一個(gè)（備用）電源的開關(guān)電器，以確保重要負(fù)荷連續(xù)、可靠運(yùn)行。ATS 為機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100ms 以上，會(huì)造成負(fù)載斷電。

2）因小汽輪機(jī)設(shè)計(jì)2 個(gè)停機(jī)電磁閥，且2 個(gè)電磁閥冗余設(shè)計(jì)，任何一個(gè)動(dòng)作均能實(shí)現(xiàn)小汽輪機(jī)有效停機(jī)，優(yōu)化保護(hù)、電源設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)每個(gè)停機(jī)電磁閥有自身獨(dú)立的雙電源冗余供電和保護(hù)回路，進(jìn)一步提高小汽輪機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，確保小汽輪機(jī)安全運(yùn)行[2]。

4.2 MEH控制故障硬回路保護(hù)停機(jī)

MEH 系統(tǒng)雙CPU 故障停小汽論機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)，引用DC24 繼電器GJ03 來觸發(fā)小汽輪機(jī)停機(jī)硬回路動(dòng)作設(shè)計(jì)不合理。分析本廠機(jī)組以及咨詢同類機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)，日立控制系統(tǒng)控制器故障率較低，同一控制系統(tǒng)雙CPU 同時(shí)故障的故障發(fā)生率目前為止統(tǒng)計(jì)為0%且運(yùn)行穩(wěn)定，但是機(jī)組運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)分析顯示DC24V繼電器故障率較高，綜上所述，僅引用DC24 繼電器GJ03來代表MEH 控制器雙CPU 故障設(shè)計(jì)不合理，提出以下優(yōu)化方案；

1）建議將GJ03 繼電器作為MEH 系統(tǒng)雙CPU 同時(shí)故障的報(bào)警監(jiān)視繼電器，重新設(shè)計(jì)獨(dú)立的MEH 系統(tǒng)主CPU正常運(yùn)行監(jiān)視繼電器、備用CPU 正常運(yùn)行監(jiān)視継電器，主CPU 正常運(yùn)行監(jiān)視繼電器與備用CPU 正常運(yùn)行監(jiān)視継電器常閉觸點(diǎn)串聯(lián)作為MEH 系統(tǒng)雙CPU 同時(shí)故障保護(hù)觸發(fā)信號(hào)，接入小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)回路，提高小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。

2）強(qiáng)化MEH 系統(tǒng)主CPU、備用CPU 狀態(tài)監(jiān)視報(bào)警功能，設(shè)計(jì)獨(dú)立于DCS 的聲光報(bào)警回路，及時(shí)有效提醒運(yùn)行人員、熱工人員，采取必要的安全防范措施。

3）制定《MEH 系統(tǒng)雙CPU 同時(shí)故障小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)拒動(dòng)的緊急事故預(yù)案》。

5 總結(jié)

作為熱工保護(hù)系統(tǒng)管理人員應(yīng)認(rèn)真統(tǒng)計(jì)、分析每一次熱工保護(hù)動(dòng)作發(fā)生的原因，舉一反三，消除多發(fā)性和重復(fù)性故障。對(duì)重要設(shè)備元件，嚴(yán)格按規(guī)程要求進(jìn)行周期性測(cè)試，完善設(shè)備故障、測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行維護(hù)和損壞更換登記等臺(tái)賬。通過與規(guī)程規(guī)定值、出廠測(cè)試數(shù)據(jù)值、歷次測(cè)試數(shù)據(jù)值、同類設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)值比較，從中了解設(shè)備的變化趨勢(shì)，做出正確的綜合分析、判斷，為設(shè)備的改造、調(diào)整、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[3]。本文分析山西大唐國(guó)際臨汾熱電有限責(zé)任公司單元機(jī)組以及咨詢同類機(jī)組日立系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、檢修記錄數(shù)據(jù)，對(duì)小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)硬回路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析優(yōu)化，提高小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)硬回路設(shè)計(jì)優(yōu)化建議雖然有效提高了小汽輪機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，但也在一定程度上增加了MEH 系統(tǒng)雙CPU 故障而小汽輪機(jī)停機(jī)保護(hù)拒動(dòng)的可能性。因此，研究工作沒有結(jié)束，需要同仁持之以恒的努力，研究保護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性，不斷推進(jìn)熱工保護(hù)可靠性提升工作。