电厂汽轮机超速保护改造探析
山西漳泽电力股份有限公司河津发电分公司，山西运城 043300）
摘要：通过汽轮机设备概况介绍，了解发电厂汽轮机简单的工作原理，并着重分析了超速保护动作原理，对引进型汽轮机超速保护装置的改造进行了阐述，从OPC超速保护改造、OPC原液压回路、改造后OPC控制回路、电超速保护原控制回路和液压回路及其改造后情况等方面对超速保护装置控制回路、液压回路改造过程进行了详细介绍，这对使用三菱公司生产的汽轮机因长期运行、磨损过度、阀门调节品质下降等超速保护的国内同行有着重要的借鉴意义。
关键词：汽轮机；超速保护；机械超速；电超速保护
超速保护是汽轮机一项重要的保护，超速保护的可靠运行对汽轮机安全运行而言至关重要。汽轮机超速保护包括OPC超速保护、电超速保护、机械超速保护。
某电厂汽轮机为三菱公司生产，汽轮机进汽阀门油动机因长期运行，磨损过度，阀门调节品质下降，严重影响了汽轮机安全、经济运行。为了彻底解决汽轮机进汽阀门隐患，决定改造汽轮机油系统，对汽轮机进汽阀门的油动机进行改进，将原低压透平油系统改造为高压抗燃油和低压润滑油共存系统。为了适应油系统改造和DCS控制系统改造，需对汽轮机超速保护装置改造进行相应的改造。
1 设备概况
1.1 汽轮机
汽轮机采用亚临界、一次中间再热、反动式、单轴双缸双排汽凝汽式汽轮机，型号为TC2F-35.4″。汽轮机共有10个阀门，分别是2个高压主汽门（MSV）、4个高压调汽门（GV）、2个中压主汽门（RSV）、2个中压调汽门（ICV）。配有4台电液转换器，2台高压主汽门共用1台，#1、#3高压调汽门共用1台，#2、#4高压调汽门共用1台，2台中压调汽门共用1台。中压主汽门为两位开关型阀门。
1.2 汽轮机供油系统
供油系统分为2个系统：高压油系统用于操作阀门伺服机构和控制装置、润滑油系统用于轴承及盘车装置的润滑。本次改造仅更换高压油系统，低压润滑油保持不变。正常运行时，由主油泵供油，主油泵安装在汽轮机大轴的前端。在主油箱的上部设有AOP、TOP、EOP，以满足启动、停机或紧急情况下的用油。油系统除供主机用油外，还供给小机油系统和发电机密封油系统用油。油系统全部采用T32型SHELL油。
2 超速保护动作机理
2.1 OPC超速保护
OPC超速保护（OverspeedProtectController）是一种抑制发电机组超速的保护控制，可在汽轮机出现超速时，关闭所有调节汽门，防止汽轮机转速进一步升高。OPC主要功能为：当汽轮机OPC控制回路达到OPC动作条件时，OPC电磁阀动作关闭所有调节汽门，汽轮机转速恢复到3000rpm后，重新开启调节汽门维持汽轮机转速在3000rpm运行。
2.2 电超速保护
电超速保护（ElectricOverspeedProtectionSystem）是现代汽轮机必备超速保护之一，一般由硬卡件实现。3路转速信号进入转速控制卡，当汽轮机转速达到电超速动作转速时，3路电超速动作信号三取二，驱动跳闸电磁阀动作，泄掉油系统相应油路，使汽轮机保护停机。电超速动作转速一般为111%额定转速。
2.3 机械超速保护
机械超速保护由危急遮断器实现，危急遮断器的传感器一般为飞锤，少数采用飞环。飞锤安装于转子延伸轴的横向孔中，其重心与转子的几何中心偏置，通过压紧弹簧，将飞锤紧压在横向小孔中，利用弹簧约束力和飞锤离心力平衡的原理来设计动作转速。当汽轮机转速达到机械超速动作转速，飞锤克服弹簧约束力从小孔飞出，撞击危急遮断器脱扣扳机，危急遮断器滑阀动作，泄掉油系统相应油路，使汽轮机保护停机。机械超速保护动作值一般为110±1%额定转速。
3 汽轮机超速保护改造
汽轮机3项超速保护、机械超速保护装置安装于低压安全油系统，因低压安全油系统维持原状，机械超速保护装置不需要更新，OPC超速保护和电超速保护需进行适度改造。
3.1 OPC超速保护改造
3.1.1 OPC原控制回路
OPC控制回路动作过程为：当汽轮机与发电机功率不平衡值与汽轮机转速值之和（二者已转化为同一量纲）达到107%额定转速时，高、中压调汽门的OPC电磁阀动作，泄掉高、中压调汽门的控制油，高、中压调汽门快速关闭，延时1s后，OPC电磁阀复位，重新打开高、中压调汽门以恢复机组负荷。在OPC控制回路中，以发电机电流表征发电机有功功率、中压缸入口蒸汽压力表征汽轮机输出功率，将汽轮机输出功率与发电机有功功率相比较后计算出功率不平衡值△N.
OPC 动作可分为3种情况：
①汽轮机和发电机不平衡功率小于30%时，OPC在汽轮机转速大于107%额定转速时发出动作信号。
②汽轮机和发电机不平衡功率处于30%～60%时，OPC动作转速计算公式为：－7%/30%×△＋114%，当汽轮机转速大于公式计算出的OPC动作转速时，OPC动作。
③汽轮机和发电机不平衡功率大于60%时，OPC在汽轮机转速大于100%额定转速时动作。
OPC控制功能由三菱专用OPC卡件来实现，OPC卡件为三重冗余设置，3路转速信号、发电机电流信号、中压缸入口汽压信号分别输入到3块OPC卡件中进行逻辑判断，3个OPC卡件的输出信号进行“三取二”判断后，经继电器输出到汽机保护柜，再由汽机保护柜驱动OPC电磁阀，泄掉高、中压调汽门控制油，快速关闭相关阀门。
3.1.2 OPC原液压回路
OPC电磁阀安装在电液转换器出口控制油管道上，共有4个电磁阀，其中高压调汽门2个，1个控制#1、#3高压调汽门，1个控制#2、#4高压调汽门；中压调汽门2个，分别控制左右侧中压调汽门。电磁阀为常闭电磁阀，带电打开，泄掉相应阀门控制油。
3.1.3 改造后OPC控制回路
因DCS系统改造为艾默生OVATION系统，没有专用OPC卡件，OPC功能只能由控制逻辑运算实现。
OPC控制回路动作情况分为3种情况：
①当汽轮机转速大于103%额定转速时；
②当机组负荷大于30%额定负荷并且52G开关断开时；
③功率不平衡保护（PLU）动作，即汽轮机负荷大于发电机负荷一定值时。以上情况发生时，OPC电磁阀激励，打开OPC总管的泄油通道，使OPC总管泄掉安全油，快速卸荷阀随后打开泄掉所有调汽门油动机的动力油，使所有调汽门关闭。
3.1.4 改造后的OPC液压回路
OPC电磁阀安装在高压遮断模块上，设有2个电磁阀，并联布置，冗余设计，确保OPC功能动作可靠。电磁阀为常闭电磁阀，带电打开，泄掉OPC安全油。
3.2 电超速保护改造
3.2.1 电超速保护原控制回路和液压回路
电超速保护控制功能与OPC类似，亦由三菱公司专用硬卡件实现。系统配置3块转速卡，3路转速信号分别送到3块转速卡中进行判断，当汽轮机转速大于111%额定转速时，3块转速卡送出3个“电超速动作”信号，通过中间继电器送至汽机保护柜进行“三取二”逻辑判断后驱动电磁阀动作。电磁阀设置有2个，一个是汽机跳闸电磁阀，为常闭电磁阀，带电打开，安装于汽轮机安全油系统，可用试验滑阀隔离开来，用于保护试验；一个是汽机电超速跳闸电磁阀，为常开电磁阀，正常运行时带电关闭，保护动作时失电打开，安装于汽轮机安全油系统，不能用试验滑阀隔离，在保护试验期间承担保护作用。电超速保护动作后，2个电磁阀均动作，汽机跳闸电磁阀带电打开，汽机电超速跳闸电磁阀失电打开，泄掉汽轮机安全油，实现保护停机。
3.2.2 改造后的控制回路和液压回路
改造后电超速保护回路控制原理基本没有改变，采用3块艾默生公司转速卡实现超速控制及保护功能，3块转速卡分别检测3路转速信号，当汽轮机转速达到电超速保护动作值后，送出3个电超速保护动作信号，这些信号经过继电器回路三取二判断后送出停机信号到DEH继电器回路，使高压遮断模块上AST（AutmaticShiftTrip）电磁阀失电动作，实现紧急停机。在DEH控制回路中，也有超速保护功能，当汽轮机转速升高到电超速动作值时，发出停机信号使AST电磁阀动作，起到超速保护作用，只是速度比硬件要慢一些。
AST电磁阀设置有4个，为“两或一与”设计，与OPC电磁阀一起安装在高压遮断模块上，电磁阀正常运行中带电关闭，封闭了自动停机危急遮断总管中抗燃油的泄油通道，使所有阀门执行机构活塞下的油压建立起来。电超速保护动作后，AST电磁阀失电打开，则AST总管泄油，导致所有阀门关闭汽轮机停机。
4 结束语
汽轮机OPC超速保护改造取消硬件控制卡件，减少中间环节，提升了控制回路动作的可靠性。当前DCS系统控制器技术快速发展，运算速度能够满足OPC回路控制要求。液压回路用高压遮断模块代替原有分布式电磁阀布置，不仅安装简单、维护方便，试验功能更完善，确保汽轮机运行安全。通过对三菱公司引进型汽轮机超速保护装置的改造，为国内同类型汽轮机超速保护装置的改造积累了宝贵经验。在汽轮机经受住长期运行考验后，这些改造经验值得推广。
