抽汽机组的控制保护策略优化探讨

杨永青，邹 晶，包锦华

(上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240)

随着国家环保政策要求的提高，在有供暖或工业用汽需求的地区，居民的采暖和工业用汽逐步从以往分布零散、能耗高、污染大的小锅炉供热方式向由大型火电汽轮机抽汽供热的方式转变。大型火电机组抽汽供热有着良好的经济性，而且较为环保，可以做到区域发展的经济指标和环保效能的最佳平衡。

近年来，为不断提升电网的稳定性和可靠性，电网对并网机组的调节性能提出了更高要求，需要并网机组实时投入自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)并参与一次调频。电网会对发电企业AGC一次调频是否投入、响应速度是否达标进行考核。而抽汽供热机组的运行，除受电负荷的影响，还受供热负荷的影响，其控制策略更加复杂。并且，冬季供暖事关民生，这就要求发电企业供热机组具有较高的可靠性，因此，这进一步考验着机组控制保护策略是否全面、完善。

汽轮机长期稳定运行(高可利用率)和汽轮机安全运行(设备保护投入)常常存在一定的矛盾。自动保护投入越多，跳机的可能性就越大，对汽轮机可利用率就会造成负面影响；自动保护投入过少，又会对汽轮机的安全构成威胁。本文通过分析一个抽汽机组的事故案例，探讨电力企业中普遍采用的防止汽轮机保护误动措施的利弊，旨在给电力企业在平衡汽轮机长期稳定运行和汽轮机安全运行方面的控制保护策略优化提供借鉴。

1 事件过程介绍

某抽汽供热机组在运行中旋转隔板油动机线性可变差动传感器(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)发生断线故障，导致动静碰磨跳机。旋转隔板起着节流阀的作用，功能和连通管调节阀类似。通过阀门开度的变化，调节阀前蒸汽压力，满足热网管道的压力调节需要。

现场查询数字电液(Digital Electronic Hydraulic，DEH)控制系统的历史趋势，还原整个停机过程：

1)某日，机组旋转隔板油动机LVDT发生断线故障，阀门开度反馈为坏点，旋转隔板关闭；此时推力轴承瓦温和轴向位移均在正常运行值范围内。

2)旋转隔板的关闭导致低压缸通流量减小，机组整体出力降低，机组电负荷快速下降，而机组以协调控制系统(Coordinated Control System，CCS)/自动发电控制(Automatic Generation Control, AGC)闭环方式运行，故CCS指令增加，高调阀开度于LVDT断线后13 s达到全开。

3)高调阀全开后，汽轮机推力平衡于LVDT断线后17 s被破坏，轴向位移由-0.2 mm下降至超过负量程(-2 mm)，下降过程不足1 s，此时机组未遮断；DEH历史站记录刷新周期为1 s，未能记录轴向位移变化的过程。

4)推力轴承调阀端瓦块金属温度于LVDT断线后75 s上升至150 ℃(设计遮断值为107 ℃，实际机组未遮断)。

5)高压缸胀差于LVDT断线后83 s达到遮断值9.18 mm(实际机组未遮断)，并于LVDT断线后165 s达到最大值12.48 mm。

6)动静碰磨造成了汽轮机1号瓦、2号瓦轴振过大，导致跳机，汽轮机开始惰走。

事件发生后，开缸检查发现主要损伤如下：

1)转子推力盘调阀端严重磨损，粗测磨损量达3.5 mm，表面硬度最高达540 HB(该转子材料正常硬度范围在220～260 HB)；推力轴承调阀端瓦块严重磨损，粗测磨损量达4.5 mm。

2)高压叶轮和隔板碰磨约1 mm；高中压径向汽封、隔板汽封和平衡活塞汽封磨损，高齿被推平。

3)动静碰磨致使转子、汽缸、持环、隔板和螺栓均有不同程度的磁性，现场测量结果显示，部分螺栓最大磁力达到0.03 T，汽缸、持环、隔板部分位置最大达到0.006 T。

2 非正常停机事件分析

2.1 LVDT故障后旋转隔板关闭

机组采用ABB公司生产的控制系统，其阀门伺服卡件的特性为：当LVDT发生故障时，其卡件输出至伺服线圈的电流清零。按汽轮机厂原设计理念，断电、断线等故障状态下油动机应能够控制抽汽调节阀全开。根据油动机的油路设计，伺服阀应为正零偏型伺服阀，型号应当为3034B。实际该现场使用的伺服阀型号为3033B，为负零偏型的伺服阀，故当LVDT发生故障时，伺服卡件输出电流为零，油动机使旋转隔板关闭。

在LVDT发生故障，伺服阀发生故障，卡件故障和伺服阀断线的情况下，应该保证抽汽调节阀油动机全开，查明故障原因以后再进行调节。

2.2 汽轮机推力平衡破坏

旋转隔板关闭时，机组推力瓦温和轴向位移均正常。然而，由于机组投入CCS/AGC，当机组电负荷指令不变，而实际电负荷功率下降时，控制系统就要求机组升负荷，汽轮机高调阀受指令打开至全开。期间汽轮机通流各监视压力升高，其中4号抽汽压力升高，达到抽汽压力高限1.4 MPa时，就会触发DEH保护，以5%的阀门流量指令速率关闭高调门。然而由于CCS指令升高速率较大，没有产生实际作用。汽轮机缸内旋转隔板前各级压力持续异常升高，最终导致了推力平衡被破坏。

汽轮机在事故状态下，即不稳定的调节情况下，应该自动解除CCS/AGC。同时，在主蒸汽和再热蒸汽不稳定，即锅炉和旁路装置发生故障的情况下，应当要求退出AGC。

2.3 轴位移保护系统未输出跳机信号

推力平衡破坏后，轴向位移在1 s内超出负量程，显示坏点，但汽轮机监测仪表(Turbine Supervisory Instrumentation，TSI)未输出轴位移跳机信号。

为了区分正常测量到达报警值触发报警，和传感器通道的异常断线、电压异常(超量程)等触发报警，电厂使用德国EPRO公司生产的监测仪表，其卡件在组态时可以选择报警抑制功能。轴位移通道输出组态选项如图1所示，其中，闭锁即为报警抑制。

图1 轴位移通道输出组态选项

在启用“报警抑制”功能的情况下，当汽轮机监测仪表测量到跳机值时，在到达设定的延时结束前，若通道状态正常，则遮断继电器会发生动作。如果在设定的延时结束前测量到跳机值，通道已发生故障报警，则遮断继电器不会动作。

在关闭“报警抑制”功能的情况下，当传感器断线或者超过量程，则通道发起故障报警，通道在设定的延时结束后触发遮断继电器，使其发生动作。

本次事件机组监测仪表的轴向位移启用了报警抑制功能，从正常值到超过跳机值，再到超量程(通道状态为故障)，总的时间小于1 s，而通道输出设置了1 s的延时，最终没有触发通道至危急遮断系统(Emergency Trip System, ETS)的遮断继电器，未能使遮断继电器发生动作。

对于汽轮机转速和轴向位移这2个变量，在任何工况下都不能在其控制逻辑中加延迟时间。为了保证不发生误跳机，应该采用三选二或者四选二的逻辑。建议将这些逻辑做在ETS保护柜内，即使线路上有干扰信号，也能保证汽轮机的安全。

2.4 推力轴承金属温度保护系统未输出跳机信号

根据汽轮机厂要求，推力轴承金属温度保护系统在107 ℃时即应当输出跳机信号。实际上，出于减少机组非正常停机的考虑，国内不少发电企业自行决定将此跳机条件取消。经了解，该机组同样取消了推力轴承温度过高的跳机保护机制，仅设置了报警，由运行人员判断是否停机。实际事件发生时，由于诸多参数报警异常，运行人员应接不暇，因此未能在短时间内快速判断决定。

推力轴承金属温度是使用热电阻或者热电偶测量的，这2种测量元器件的抗干扰能力都比较差，如果直接投入自动保护，势必会引起误跳机。建议采取冗余配置并进行逻辑运算处理[1]，即使用同一面的温度点采用二选二的模式，再加2～3 s的延时，投入自动保护。

2.5 高压缸胀差保护系统未输出跳机信号

经了解，机组高压缸胀差保护系统为单点保护，业主担心这样会造成机组误跳，遂自行决定取消了高压缸胀差保护机制，造成了非正常停机事件发生期间，高压缸胀差达到遮断值时无法输出跳机信号，致使机组继续运转，加重了设备损伤。

正常情况下，高压缸胀差和低压缸胀差在启停机时参数有变化，在机组达到稳定工况时，其参数变化量很小。正常运行时机组参数发生很大变化的时候，机组故障肯定已经产生。机组测量胀差，有的使用涡流传感器，有的使用LVDT形式，其抗干扰能力一般，所以建议采用二选二的模式，再加上适当的延时，投入自动保护。

2.6 振动保护系统输出跳机信号

汽轮机厂要求X向或Y向任意通道振动值达到遮断值时，振动保护系统即输出跳机信号。实际上，出于减少因信号干扰、探头故障等造成的机组非正常停机的考虑，国内不少发电企业自行决定将此跳机条件修改为同一轴瓦的X通道报警且Y通道跳机(或X通道跳机且Y通道报警)输出[2]。该机组正是采用了上述避免误跳机的方案。然而，尽管机组最终是通过振动保护系统输出了跳机信号，却由于采取了上述避免误跳的设置，导致机组在第一次1X振动值达到遮断值时未能及时跳机，而等到近30 s后，1X和1Y满足一个报警、一个遮断的条件时，才最终输出跳闸信号，造成了设备损伤进一步加重。

根据国家最新的25项措施[3]，保护系统必须采用二选二，或者三选二的模式，不能采用单点保护。但是，振动和轴瓦温度的测量感应元件没有办法安装在同一点上，根据实践，即使二者安装在非常靠近的位置，其测量出来的数据差别也很大。汽轮机在事故状态下，转子在大部分情况下往一个方向偏，往往是一个方向的振动先大起来，等到发生碰磨到一定程度以后两边的振动再同时大起来。非正常停机时间过程曲线如图2所示。

图2 非正常停机事件过程曲线

3 事件总结与控制优化

经过对上述非正常停机事件发生过程的分解和分析，从机组运行实际情况出发，基于汽轮机安全运行要求，对抽汽机组的控制保护策略优化的总结和建议如下：

1)在机组油动机的维护调试时，应确保伺服阀断线时，油动机的动作方向有利于机组的安全。高压主汽阀、高压调阀、中压调阀在油动机伺服阀断线的情况下应关闭，旋转隔板或者连通管压力调节阀在油动机伺服阀断线的情况下应打开。

2)应采取适当的措施对控制逻辑进行设计，当油动机LVDT发生故障时，确保伺服卡输出的指令有利于机组的安全。

3)取消TSI监测仪表的报警抑制功能，断线或超限等状态应当直接触发继电器，使其发生动作。探头安装调试时应进行试验，确保轴向位移在通道故障情况下正确输出跳机保护信号[4]。可以考虑将每个轴向位移探头的跳机输出信号单独接入ETS，由ETS进行“四选二”输出保护。

4)推力瓦温度保护机制的投入可以采用推力瓦金属温度“二选二”的模式，避免单点保护影响机组的稳定运行。

5)对于旋转隔板突然关闭的情况，应切除协调，将DEH由遥控模式切换成操作员自动模式运行，确保汽轮机维持原来的状态。同样，应当对连通管压力调节阀突然关闭后切除协调等逻辑进行完善。

6)增加一套胀差信号，以配合原始的胀差信号。胀差信号进行“二选二”投入保护。通过增加冗余的方式，确保保护信号的可靠，使其有利于汽轮机的稳定运行。

7)为防止误跳机，发电企业往往将轴振保护跳机逻辑设置为“X通道报警且Y通道跳机”，或“X通道跳机且Y通道报警”，实际上，极端情况下会出现某一方向振动值在报警范围内，而另一方向振动值远超跳机值。故建议将振动保护跳机逻辑调整为：任意方向(X或Y)振动达到跳机值，系统即输出跳机信号。考虑信号干扰因素，振动信号尤其是瓦振信号可增加3 s滤波。

4 结 论

汽轮机控制保护策略关系着机组运行的稳定性和安全性，而抽汽机组的复杂性更是对其提出了极高的要求。本文深入分析讨论了某抽汽机组动静碰磨事件，获得了汽轮机，尤其是抽汽机组的控制保护策略的优化方案。方案可操作性强，在汽轮机运行稳定性和安全性之间找到了最佳平衡点。研究成果可为国内日趋复杂的运行工况和宽负荷的汽轮机调节运行提供借鉴和参考。