浅析焚烧发电厂汽轮机保护系统的优化

文/陶小宇 魏波 陈小强

0 引言

根据国家发改委等部门制定的《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，我国2020年焚烧发电规模将达到59.14万吨，焚烧发电在国内生活垃圾无害化处理中所占比重将增至54%。2019年，我国新增中标垃圾焚烧项目139个，新增垃圾处理产能达14.60万吨/日。作为焚烧发电厂的主设备，汽轮机受到垃圾焚烧炉热量不稳定性的影响，运行的可靠性和稳定性受到了重大危害。焚烧发电厂多数为10MW～25MW的小型汽轮机，汽轮机保护系统没有按照大型汽轮机的要求设计，供电电源不可靠，存在测点不满足三取二的要求、测点取样管没有独立设置、保护系统跳闸条件不全、温度测点没有防误动措施等问题。为了保证焚烧发电厂汽轮机的稳定、可靠、安全运行，本文对焚烧发电厂汽轮机保护系统进行优化分析。

1 存在的问题

本文关注某垃圾焚烧发电厂，该厂有2条600吨/日的机械式炉排垃圾焚烧线和2台12MW中温中压凝汽式汽轮发电机组，其汽轮机保护系统存在如下问题：（1）汽轮机电液控制系统请求保护系统跳闸为单点保护；（2）汽轮机轴向位移大保护方式为二取一；（3）电超速至保护系统跳闸为单点保护；（4）润滑油压力低、凝汽器真空低保护均在同一块开关量输入模件中；（5）汽轮机润滑油箱没有油位过低保护；（6）跳闸电磁阀为带电跳机；（7）汽轮机跳发电机保护没有设置程序逆功率保护跳发电机。

以上问题分别违背了《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全[2014]161号）第9.4.3条款“所有重要的主、辅机保护都应采取‘三取二’的逻辑判断方式，保护信号应遵循从取样点到输入模件全程相对独立的原则，确因系统原因测点数量不够，应有防保护误动措施”；第8.4.9条款“应设置主油箱油位低跳机保护，必须采用测量可靠、稳定性好的液位测量方法，并采取三取二的方式，保护动作值应考虑机组跳闸后的惰走时间。机组运行中发生油系统泄漏时，应申请停机处理，避免处理不当造成大量跑油，导致烧瓦”；第8.1.6条款“机组停机时，应先将发电机有功、无功功率减至零，检查确认有功功率到零，电能表停转或逆转以后，再将发电机与系统解列，或采用汽轮机手动打闸或锅炉手动主燃料跳闸联跳汽轮机，发电机逆功率保护动作解列，严禁带负荷解列”的要求。

2 汽轮机保护系统优化

2.1 汽轮机保护系统跳闸条件

为了保障焚烧发电厂汽轮机的安全稳定运行，以及事故状态下保护系统可靠快速遮断，根据不同汽轮机厂家设备要求，汽轮机保护系统至少应具备如下跳闸条件：（1）汽轮机电超速；（2）汽轮机电液控制系统跳闸；（3）汽轮机润滑油压力低；（4）汽轮机润滑油箱油位过低；（5）汽轮机凝汽器真空低；（6）汽轮机轴向位移超限；（7）汽轮机轴振动超限；（8）汽轮机轴系温度超限；（9）发电机主保护动作；（10）手动停机。同时，根据焚烧发电厂锅炉与汽轮机的运行要求，决定是否设置锅炉总燃料跳闸联跳汽轮机的跳闸条件。

2.2 汽轮机保护系统优化原则

焚烧发电厂汽轮机保护系统的设计应遵循“杜绝拒动、防止误动”的基本配 置原则，应满足三重冗余保护的测点信号，包括汽轮机电超速、汽轮机润滑压力低、汽轮机润滑油箱油位过低、汽轮机凝汽器真空低、汽轮机轴向位移超限以及汽轮机保安油压低。

焚烧发电厂汽轮机保护系统应满足下列独立性要求：汽轮机保护系统的逻辑控制器应单独冗余设置；冗余的输入/输出信号应通过不同的输入/输出模件输入和输出；触发汽轮机跳闸的保护信号的取样管及仪表应单独设置；机组跳闸指令不应通过通信总线传送，应通过硬接线方式连接。

控制柜输入/输出模件的配置见表1，汽轮机安全监视系统模件、测点配置见表2。

表1 焚烧发电厂汽轮机控制柜输入 / 输出模件配置

表2 焚烧发电厂汽轮机安全监视系统模件和测点配置

2.3 汽轮机电液控制系统跳闸逻辑优化

汽轮机电液控制系统控制焚烧发电厂汽轮机的启动、冲转、带负荷运行，汽轮机电液控制系统的稳定性和可靠性影响机组的安全。汽轮机电液控制系统跳闸逻辑应包含以下条件：（1）汽轮机转速信号故障；（2）汽轮机超速；（3）汽轮机保安油压力低；（4）汽轮机电液控制系统故障；（5）汽轮机保护系统跳闸；（6）手动停机。

汽轮机电液控制系统跳闸信号通过三个开关量输出模块，输出三个信号至汽轮机保护系统的三个开关量输入模块，在汽轮机保护系统内三取二跳闸。为了实现汽轮机电液控制系统失电跳闸功能，汽轮机电液控制系统三个跳闸输出信号应取输出继电器的常闭点。

2.4 汽轮机振动保护逻辑优化

焚烧发电厂汽轮机前后轴水平方向和垂直方向共四个振动测点，汽轮机各轴承振动信号从汽轮机安全监视系统输出模拟量信号至分散控制系统，在分散控制系统中进行汽轮机振动保护逻辑组态。为防止振动保护误动，应设置品质判断和限制判断，并输出品质坏点报警和振动报警信号（见图1）。

图1 焚烧发电厂汽轮机振动保护逻辑优化

汽轮机振动保护逻辑优化如下：（1）同一轴承水平方向和垂直方向测点品质均为坏点时，延时1秒触发振动保护动作跳闸汽轮机；（2）以前轴水平方向振动保护动作为例，前轴垂直方向振动报警或前轴垂直方向振动品质坏点报警或后轴水平振动报警或后轴垂直方向振动报警任一信号触发，与前轴水平方向振动危险动作，延时1秒后触发振动保护动作跳闸汽轮机。

2.5 温度保护逻辑优化

为防止温度保护误动，应设置温度测点品质判断和温度变化速率判断。变化速率应具有方向性判断，即只有当温度上升速率超过设定值时才能自动闭锁保护输出指令。变化速率超限后，应有报警显示，闭锁状态应具有自保持功能，应设置人工手动恢复（见图2）。运行人员发现温度品质坏点报警或速率超限报警后，通知维护人员处理，随后进行手动复位温度测点闭锁，以防止因误恢复而导致保护误动。其中，温度信号变化速率宜在5℃/s～10℃/s 之间选择。

图2 焚烧发电厂汽轮机温度保护逻辑优化

汽轮机轴系温度保护和汽轮机振动保护在分散控制系统组成温度振动保护跳闸信号，通过三个开关量输出模块，输出三个信号至汽轮机保护系统的三个开关量输入模块，在汽轮机保护系统内三取二跳闸。

2.6 汽轮机保护动作联跳发电机优化

目前焚烧发电厂的发电机保护系统没有设计程序逆功率保护，而汽轮机保护系统设计包括了主汽门关闭联跳发电机保护和汽轮机保护系统跳闸联跳发电机保护。在实际工程应用中，汽轮机跳闸时直接触发发电机保护动作，发电机带负荷解列，存在汽轮机超速的风险。

为了防止汽轮机超速的风险，发电机保护系统增加程序逆功率保护。汽轮机主汽门关闭信号与汽轮机保护系统跳闸信号并联后输出至发电机保护系统，发电机保护系统接收到该信号后，判断发电机功率减到零，触发发电机逆功率保护动作解列。

2.7 汽轮机跳闸电磁阀失电动作

焚烧发电厂汽轮机跳闸电磁阀为单路电源且其设计为带电动作，而跳闸电磁阀的故障状态无法监视及单路电源失去存在拒动的风险。

为解决汽轮机保护动作后拒动的风险，跳闸电磁阀换型为失电动作跳机，并增加一路电源，两路电源无扰切换后向跳闸电磁阀供电，提高跳闸电磁阀的电源可靠性。汽轮机保护系统跳闸电磁阀指令输出继电器的常开点与手动停机按钮常闭点串联，串入跳闸电磁阀的电源回路中，实现汽轮机保护系统失电跳闸的功能。此外，增加汽轮机电液控制系统跳闸触发主汽调节门的功能，以增强汽轮机保护系统的可靠性。

3 结论

焚烧发电厂汽轮机保护系统优化后，杜绝了电源系统故障及跳闸电磁故障导致汽轮机保护拒动，防止了测量装置故障或信号误报导致汽轮机保护误动，提高了汽轮机保护系统的可靠性。