200MW汽轮机组机械超速危急遮断系统改造的研究与实施
导读:
1. 背景与目的
国内200MW汽轮机在现代化技术改造中,大多采用基于高压抗燃油数字电液(DEH)控制系统替代原有机械液压调节系统,不仅极大地改善了调节系统的调节品质,而且工作稳定性、可靠性和安全性也有很大提高。然而,作为机组超速保护一道重要屏障的机械超速危急遮断系统仍然被保留了下来,并且继续与润滑系统共用油源。机械超速危急遮断系统是一种机械液压超速保护装置,由离心式超速危急保安器、危急遮断错油门和隔膜阀等组成。当机组转速达到超速危急保安器动作转速时,在离心力的作用下危急保安器的飞锤或飞环飞出,击打危急遮断错油门使之动作,释放机械超速危急遮断油压,导致隔膜阀动作, DEH系统中自动停机遮断(AST)油压被释放,使主汽门和调节汽门快速关闭。
机组DEH改造后保留机械超速危急遮断系统,其固有缺陷仍然困扰着机组的运行安全,突出表现为下列三个方面:
第一,试验、检测极不方便且充满风险。超速危急保安器是一个机械部件,要检测和调整其动作转速,必须在高速旋转状态下进行,无论采用什么方式设定动作转速(如在机组或专用试验装置上进行设定),最终都必须在机组的超速试验中加以验证。在危急保安器动作值大于电子超速保护装置动作值的机组中,在做机械超速危急遮断系统动作试验时,要在其它超速保护装置全部解除情况下将机组缓慢升至危急保安器的动作转速。这种情况下,机械超速危急遮断系统往往就是机组超速保护的最后一道屏障。如果试验时蒸汽参数较高、试验操作升速速率过快,超速危急遮断器或危急遮断一旦存在故障,很容易引发超速,乃至发生毁机恶性事故。据美国保险公司统计1,汽轮发电机组发生超速毁机恶性事故,50%发生于超速试验中。我国发电厂的超速毁机也大多发生于超速试验中。
其次,国产200MW机组轴封系统蒸汽泄漏问题仍是十分棘手的难题,油中带水严重影响机械超速保护系统的工作可靠性。润滑油系统油中带水、机械杂质等油液污染对机械超速危急遮断系统部件产生锈蚀、卡涩的隐患依然存在,机械超速危急遮断系统工作可靠性差。很多机组在进行检修后的超速试验中,曾多次发生过(包括DEH改造前)挂闸电磁阀卡涩和机械超速危急遮断系统拒动故障,既影响了正常生产和增加了调试费用,又留下了巨大的安全隐患。
最后,机械超速危急遮断系统在线试验检测不完整,运行中不能及时发现故障和通过活动试验防止故障发生。国产200MW汽轮机机械超速危急遮断系统的在线喷油试验仅能检测和活动超速危急保安器,但不能检测危急遮断错油门,危急遮断错油门长期不动,在油液污染时极易造成动作迟缓和卡涩。
国产200MW机组现存润滑供油系统与机械超速危急遮断系统的固有不足及超速试验潜在风险,威胁着机组的运行安全。为了适应日益增长的安全、可靠、高效的电力生产要求,利用新技术,正确理解和认识国外机组先进的设计理念,突破现行法规和设计规范滞后于技术发展的束缚,睿智地选择可靠性更高、能方便和无风险地进行在线或离线试验、并能在线进行自检和维护的新型超速遮断系统,以取代机械超速危急遮断系统,理所当然的就成为机组技术进步关注的重点。
2. 电子超速保护系统的组成和特点
2.1 电子超速保护系统的特点
电子超速保护系统(Electronic overspeed protection systems, EOPS)是一种防止旋转机械过速而损害设备的保护装置,以测速齿轮盘、无源(如磁阻式)或有源(如电涡流式、光电式、霍尔等)转速传感器为一次检测元件,以微处理器为核心的监控装置对被检测的转速信号进行计数和逻辑运算后输出相应的保护信号。电子超速保护系统通常用三套相同的监控装置对同一转速进行测量,经“3取2”逻辑运算后输出失电动作(即故障—安全型)的保护信号。它的采样时间一般为5ms,动态响应时间(包括继电器)不大于40ms。目前,先进的电子超速保护系统还具有智能化自诊断功能,除随时对转速传感器进行无损伤的在线检测、保证一次检测回路的正确可靠外,还能够利用超速保护系统“3取2”冗余逻辑回路单通道故障不会引起机组跳闸跳机的特点,通过模拟产生转速脉冲频率信号定期或不定期地逐一对各监控装置进行全方位的在线检测,及时监视各监控装置的工作状态。这些系统通常还采用了模块化的设计方案,当机组运行期间电子超速保护系统一旦出现故障时能够可以在线更换模件,而不会引起机组跳闸停机。正是因为电子超速保护系统具有的强大的自诊断功能,涵盖了从转速传感器、传输线路直到监控装置的所有设备,所以才最大限度地保证了电子超速保护系统极高的可靠性。
同时,电子超速保护系统超速保护动作的定值可按要求任意设置,并且可以用标准转速校验台或用信号发生器代替转速传感器对全系统进行模拟试验,其试验的正确性、重复性、方便性是机械超速危急遮断系统无法比拟的,从而使对机组超速动作转速的检测无需机组旋转即可实现的愿望变为现实。正是由于电子超速保护系统这些突出的优点,使之替代机械超速危急遮断系统的条件已经成熟,所以,一些国际上信誉度很高的标准,如美国石油协会(American Pertroleum Institute API)已经要求汽轮机的超速保护选用基于“3取2”的电子超速保护系统而不选用机械超速保护系统。目前,国际上专业制造电子超速保护系统的厂家有美国的BENTLY、WOODWARD(GE)和德国BRAUN、EPRO等公司,这些厂家的产品国内都有用户。
2.2 德国BRAUN公司E16型电子超速保护系统
E16型电子超速保护系统由三块独立的测速模块E1655、一块测试模块E1696和三只A5S霍尔效应转速传感器组成,外形如图1所示。其主要功能有:
2.2.1 三块测速模块E1655配合带推挽输出的A5S系列转速传感器,在机组
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