小汽轮机停机保护设计可靠性研究

赵 银

（山西大唐临汾热电有限责任公司，山西 临汾 041000）

1 系统介绍

某厂本期工程安装2 台国产300MW 亚临界、一次中间再热、燃煤、脱硫、空冷、抽汽凝汽式发电机组。三大主机分别由哈尔滨锅炉有限责任公司、上海电气集团股份有限公司和上海电机集团股份有限公司制造。机组配备1台100%容量的汽动给水泵和1 台50%容量的电动给水泵。机组启动初期使用电动给水泵，正常时使用汽动给水泵。

汽动给水泵选用杭州汽轮机股份有限公司生产的NK63/56/0 型冷凝式汽轮机，泵选用了沈阳透平机械股份有限公司生产的汽动给水泵。小汽机有高压（备用调节阀）、低压（工作调节阀）两个调门，共有三路汽源，分别为：四段抽汽（0.70Mpa，364℃），再热器备用汽源（0.70Mpa，339℃），辅汽联箱来的辅汽（3.41Mpa，320℃）。机组正常运行工况，四段抽汽向低压调节阀供汽，低压调节阀依据小汽轮机转速控制综合阀位进行小汽轮机转速调节，当小汽轮机转速控制综合阀位＞49%时，再热器冷端来汽向高压调节阀供汽，由低压调节阀、高压调节阀依据小汽轮机转速控制综合阀位对小汽轮机转速进行联合控制。当机组启、停机及机组冷态小汽轮机调试时，使用辅汽供汽进行小汽轮机转速控制。

图1 小汽轮机硬回路停机控制图Fig.1 Small turbine hard circuit shutdown control chart

小汽机的控制系统选用了北京日立控制系统有限公司生产的HICAS-5000M 控制系统，保护系统也选用了日立HICAS-5000M 控制系统，监视系统选用瑞士Vibro-Meter SA 公司生产的VM600 系列监视仪表。

2 小汽轮机停机回路设计说明

2.1 电源设计

某厂DCS 系统小汽轮机停机回路电源，分别从单元机组电子间热控电源柜1（UPS、炉PC 冗余供电，UPS 为主）、热控电源柜2（炉PC、事故保安冗余供电，炉PC为主）各引用一路电源，经过AC220 继电器GJ06 实现双路电源冗余切换供电后，向停机保护回路供电。其中，AC220 继电器GJ06、GJ07、GJ08 分别对电源1、电源2、切换装置后电源状态进行监视，AC220 继电器GJ06 故障应导致小汽轮机保护回路失去电源，保护拒动，如图1 所示。

2.2 停机保护设计

1）DCS 系统METS 保护停机

DCS 保护停机信号通过MEH 机柜DO 卡件驱动HR08-C2、HR08-C3 指令继电器直接驱动停机电磁阀1、2（电磁阀1、2 冗余设计）带电，实现DCS 系统MEH 保护停机，冗余配置的停机电磁阀1、2 共用DO 卡件、DO 端子板，不满足独立性配置原则，如图1 所示。

2）紧急停机按钮硬回路停机

卧盘停机按钮按下驱动继电器GJ04、GJ05 带电，继电器GJ04、GJ05 带电驱动继电器GJ09、GJ10 带电，GJ09、GJ10 继电器驱动停机电磁阀1、2 带电，实现小汽轮机硬回路手动停机（卧盘按钮送至DCS 系统METS 保护信号在此不再进行说明），如图1 所示。

3）MEH 控制故障硬回路保护停机

MEH 机柜分别设计3 个DC24V 监视继电器GJ01、GJ02、GJ03 对主CPU、备用CPU、MEH 系统任意CPU 正常进行监视。小汽轮机停机保护设计，当MEH 系统双CPU故障导致继电器GJ03 失电，继电器GJ03 失电驱动继电器GJ09、GJ10 带电，继电器GJ09、GJ10 带电驱动停机电磁阀1、2 带电，实现MEH 控制器故障小汽轮机保护停机[1]，DC24V 监视继电器故障率高，易导致保护误动，如图1 所示。

3 小汽轮机停机保护设计可靠性分析

3.1 电源设计可靠性分析

小汽轮机停机回路电源经继电器GJ06 实现双路电源冗余切换供电设计不合理，本厂机组以及咨询同类机组运行维护、检修记录数据分析，AC220V 继电器故障率较高（见表1、表2、例1）。若因继电器故障导致小汽轮机停机回路电源失去，且上位机报警未能进行有效报警时，将导致小汽轮机远控停机控制彻底失去，异常工况时只能通过运行人员及时发现进行就地手动停机，对于发电机组正常运行存在重大安全隐患，严重影响小汽轮机安全运行。

表1 DCS系统故障记录Table 1 DCS System failure records

3.2 MEH系统双CPU故障停小汽论机保护设计可靠性分析

MEH 系统双CPU 故障停小汽论机保护设计，引用DC24 继电器GJ03 来触发小汽轮机停机硬回路动作设计不合理。分析本厂机组以及咨询同类机组运行维护、检修记录数据，日立控制系统控制器故障率较低，同一控制系统双CPU 同时故障的故障发生率目前为止统计为0%且运行稳定，但是机组运行维护、检修记录数据分析显示，DC24V 继电器故障率较高（见表1、表2、例1），综上所述仅引用DC24 继电器GJ03 来代表MEH 控制器双CPU 故障设计不合理，极大地增加了因继电器故障而MEH 控制器运行正常触发保护误动的可能性，不利于小汽轮机安全运行。同时分析单元机组设计100%负荷小汽轮机、备用电动给水泵的发电机组给水RB 动作过程记录，给水RB 在机组高负荷运行时成功率较低且即使成功运行，人员后续工况调整难度较大，导致单元机组汽轮机跳机脱网的可能性较大，不利于发电企业单元机组的安全可靠运行，不利于电网安全运行[4]。

例1：1 号机组启动报单网故障

2016 年1 号机组按计划检修后启动，启动过程中UPS电源电压瞬时波动，导致UPS、事故保安冗余电源切换，UPS 电源电压瞬时波动后恢复正常，1 号机组报单网故障，经检查发现为1 号机组GW 主控制器1 供电电源失去。GW主控制器由UPS 电源、事故保安电源经过AC220V 电磁式监视继电器冗余切换后进行供电，检查GW 主控制器1 供电回路，发现AC220V 电磁式监视继电器有明显电源切换放电拉弧痕迹，继电器触点之间绝缘不合格，综合分析、试验确认异常原因为AC220V 电磁式监视继电器故障，导致UPS 电源、保安电源之间因继电器触点发电、绝缘不合格形成回路，进而导致UPS 电源、保安电源冗余切换失败，UPS 电源、保安电源进线空开均跳闸，GW 主控制器1 供电电源失去，导致1 号机组发生单网故障。

表2 继电器检查不合格率记录Table 2 Relay check failure rate record

4 小汽轮机停机保护设计优化

4.1 电源设计优化建议

为避免因电源切换继电器故障导致小汽轮机停机回路电源失去，导致小汽轮机停机保护拒动的不安全事件发生，提高小汽轮机保护设计的可靠性，提出以下优化方案。

1）设计业绩良好或发电企业应用性能较好的专用、知名品牌电源切换装置替代AC220V 继电器GJ06，比如ATS（Automatic Transfer Switching Equipment），自动转换开关ATS 主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。ATS 为机械结构，转换时间为100ms 以上，会造成负载断电。

2）因小汽轮机设计2 个停机电磁阀，且2 个电磁阀冗余设计，任何一个动作均能实现小汽轮机有效停机，优化保护、电源设计，最终实现每个停机电磁阀有自身独立的双电源冗余供电和保护回路，进一步提高小汽轮机保护设计的可靠性，确保小汽轮机安全运行[2]。

4.2 MEH控制故障硬回路保护停机

MEH 系统双CPU 故障停小汽论机保护设计，引用DC24 继电器GJ03 来触发小汽轮机停机硬回路动作设计不合理。分析本厂机组以及咨询同类机组运行维护、检修记录数据，日立控制系统控制器故障率较低，同一控制系统双CPU 同时故障的故障发生率目前为止统计为0%且运行稳定，但是机组运行维护、检修记录数据分析显示DC24V继电器故障率较高，综上所述，仅引用DC24 继电器GJ03来代表MEH 控制器双CPU 故障设计不合理，提出以下优化方案；

1）建议将GJ03 继电器作为MEH 系统双CPU 同时故障的报警监视继电器，重新设计独立的MEH 系统主CPU正常运行监视继电器、备用CPU 正常运行监视継电器，主CPU 正常运行监视继电器与备用CPU 正常运行监视継电器常闭触点串联作为MEH 系统双CPU 同时故障保护触发信号，接入小汽轮机停机保护回路，提高小汽轮机停机保护设计的可靠性。

2）强化MEH 系统主CPU、备用CPU 状态监视报警功能，设计独立于DCS 的声光报警回路，及时有效提醒运行人员、热工人员，采取必要的安全防范措施。

3）制定《MEH 系统双CPU 同时故障小汽轮机停机保护拒动的紧急事故预案》。

5 总结

作为热工保护系统管理人员应认真统计、分析每一次热工保护动作发生的原因，举一反三，消除多发性和重复性故障。对重要设备元件，严格按规程要求进行周期性测试，完善设备故障、测试数据库、运行维护和损坏更换登记等台账。通过与规程规定值、出厂测试数据值、历次测试数据值、同类设备的测试数据值比较，从中了解设备的变化趋势，做出正确的综合分析、判断，为设备的改造、调整、维护提供科学依据[3]。本文分析山西大唐国际临汾热电有限责任公司单元机组以及咨询同类机组日立系统运行维护、检修记录数据，对小汽轮机停机保护硬回路设计进行分析优化，提高小汽轮机停机保护设计的可靠性。小汽轮机停机保护硬回路设计优化建议虽然有效提高了小汽轮机保护设计的可靠性，但也在一定程度上增加了MEH 系统双CPU 故障而小汽轮机停机保护拒动的可能性。因此，研究工作没有结束，需要同仁持之以恒的努力，研究保护设计的可靠性，不断推进热工保护可靠性提升工作。