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汽轮机保护
汽轮机保护
一、危急跳闸装置
（一）概述
ETS（EMERGENCYTRIPSYSTEM）是汽轮机危急跳闸系统的简称。
汽轮机危急跳闸系统用以监视汽轮机的某些参数，当这些参数超过其运行限制值时，该系统就关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，紧急停机。
以保证汽轮机安全运行，被监控的这些参数是：
1.汽轮机转速--超速跳闸；
2.推力轴承磨损--轴向位移大跳闸；
3.调节油压力低--低EH油压跳闸；
4.轴承润滑油压低--低润滑油压跳闸；
5.凝器器真空低--低真空跳闸；
6.轴承振动大--轴承振动大跳闸；
7.胀差大--胀差大跳闸；
8.发电机主保护--发电机主保护跳闸；
9.MFT---锅炉保护跳闸；
10.高排温度高—高排温度高跳闸；
11.透平压比高—透平压比高跳闸；
12.后汽缸温度高—后汽缸温度高跳闸；
13.轴承温度高—轴承温度高跳闸；
14.DEH110%--DEH110%跳闸；
15.DEH失电—DEH失电跳闸；
16.远控手动跳机—远控手动跳闸；
系统应用了双通道概念，布置成“或─与”门的通道方式，这就允许系统运行时进行在线试验，并在试验过程中装置仍起保护作用，另外三低信号的每个接点连接成在线监视状态，远控跳闸接口再置4路作为备用。
从而保证此系统的可靠性。
（二）、工作原理:
该系统是由下列各部分组成:
一个跳闸控制柜；一个装有跳闸电磁阀和状态压力开关的危急跳闸控制块；三个装有试验电磁阀和压力开关组成的试验块；ETS操作盘一块；控制柜一般放在电子间，ETS操作盘装在主控室的操作台上，通过三条预制电缆将操作盘与机柜连接起来。
系统机柜中采用两套PLC并联运行，即定义为A机和B机，当A机故障时，使得奇数通道（即通道1）跳闸；当B机故障时，使得偶数通道（即通道2）跳闸。
操作盘上设有跳闸“首出”信号记忆灯，且每一组信号都可以给出“首出”记忆信号，即第一个到来的跳闸信号指示灯闪动亮，其它跳闸信号指示灯常亮，手动复位后，跳闸信号消失。
并且每一组信号可以给出两路输出，一路信号到DAS，另一路到光子牌。
1、跳闸块工作原理：
跳闸块安装在前箱的右侧，块上共有6个电磁阀，2个OPC电磁阀是110VDC，常闭电磁阀，正常运行中电磁阀处于失电状态；4个AST电磁阀是110VAC，常开阀。
正常情况下，AST电磁阀是常带电结构，110VAC电压通过变压器将220VAC变成110VAC。
跳闸块电磁阀连接如图5－9所示：
Pl点压力为14Mpa左右。
通过节流孔Jl、J2使P2点压力为7Mpa左右。
在做试验时，20-１/AST和20-3/AST动作，使得P2点压力升高至14Mpa；若20-2/AST和20－4/AST动作，则P2点压力降为0Mpa。
压力开关K1、K2设定值分别为k2：
9Mpa，k2：
4Mpa。
通道1（20-1/AST，20-3/AST）动作试验时，kl动作；通道2（20-2/AST，20-4/AST）动作试验时，K2动作；kl、K2分别送出指示信号。
由于整个跳闸块采用"双通道"原理，当一个通道中的任一只电磁阀打开都将使该通道跳闸；但不能使汽轮机进汽阀关闭，只有当两个通道都跳闸时，才能使汽轮机进汽阀关闭，起到跳闸作用，因此大大提高其可靠性，可有效地防止＂误动＂和＂拒动＂。
2、试验块工作原理:
该系统共有3个试验块，EH油试验块，润滑油试验块和真空试验块。
每个块的原理均相同。
原理如下：
每个试验块都被布置成双通道。
J1、J2为节流孔．F、Fl、F2为手动阀；Sl、S2为电磁阀；Bl、B2为压力表；kl、K2、K3、K4为压力开关。
节流孔的作用是将两路隔离开，试验时互不干扰。
试验可以手动就地试验，也可以在主控室通过试验按钮远方试验。
用按钮试验时，电路上有闭锁，保证不会两路同时试验，一路试验时，另一路还有保护功能。
用就地手动阀试验时，不能两路同时作，否则将会引起误跳机。
手动试验时，尤其要注意。
正常情况下，压力油通过节流孔送到压力开关和指示表，指示表将指示正常油压，一旦油压降低，两边的4个压力开关只要各有一个开关动作，将引起跳机。
（见图5－15）
电磁阀接成两"或—与"关系，即可防止误跳，又可防止拒跳。
试验时，打开Fl或Sl，则Bl上指示将缓缓下降，达到设定值时K1、K3将动作，ETS远方在线试验时，对应试验盘上指示灯亮，表示出相应跳闸控制阀上某一路在试验。
由于跳闸阀布置成双通道，所以只试验一路不会产生跳闸信号，若此时被测参数真的达到停机值，则试验块上的压力开关将全部动作，两路信号通过＂与＂的作用，产生跳闸信号，通过跳闸控制块使机组停下来。
所以说该试验块可以在线试验，并不影响机组的保护功能。
试验块电磁阀的电源是220VAC。
试验完毕后，要注意表压是否恢复到正常值，否则不准试验另一路。
3、ETS控制柜：
ETS控制柜是系统的核心部分，完成系统的控制和监视。
它是由电气超速组件、可编程控制器、电源组件、继电器组件、操作盘和端子排部分。
机柜上部装有两块转速表，中间部分为两组PC机，下面装有一块模拟试验盘，并有7个电源指示灯；即对应有7个电源开关。
7个电源指示灯分别用于指示A、B侧220V；A、B侧110V；A、B侧24V和24V（模拟试验盘的电源）。
最下面还有3个预制电缆插座。
1）操作盘：
操作盘也布置成双通道。
试验时两路分别试验，预先选择被试参数位置，然后按跳闸试验按钮，相应的指示灯亮，两个转换开关有互锁功能，即两个通道不允许同时试验。
盘上的电源指示灯不亮表示电源故障，其余指示灯在跳闸或跳闸试验时，相应通道的指示灯才亮。
按下“试灯按钮”时，全部指示灯都亮；作机械超速试验时，钥匙开关应置于抑制位置。
2）模拟试验盘：
试验盘通过航空插头与输入端子排连接，用以模拟输入信号，此信号盘与输入信号是一一对应的。
3）可编程控制器：
可编程控制器用来完成逻辑控制。
合上两路电源开关，两台可编程序控制器同时工作，如一台PC机损坏，需要维修，可让另一台单机运行，并且故障那台机所对应的通道为跳闸状态。
4）电气超速组件：
测速信号来自TSI的三个测速板。
经PC机进行三取二处理后产生跳机接点信号，使机组停下来。
5）电源组件：
电源采用两路220VAC（UPS）输入机柜上，输出有两路220VAC和两路110VAC和一路24VDC电源。
6）继电器组件：
继电器组件主要用来扩展跳闸的报警信号去光子排和DCS等。
7）端子排
端子排上安装有输入端子卡件和输出继电器卡件及接触器等元器件。
（三）机跳闸系统的可靠性
综上所述，危机跳闸系统采用了双通道的原理，无论是一次监测元件还是跳闸电磁阀，都采用双通道，因此，可大大提高系统的可靠性。
一般系统的可靠性是用下述公式表示的：
可靠性=MTBF/MTBF+MTBR
式中MTBF-----平均无故障时间；
MTBR-----平均维修时间。
可见，MTBF越大越好，MTBR越小越好。
增加双通道系统后，可使系统的MTBF大大提高。
使用双通道后，MTBF是这样计算的：
MTBFD=MTBFS+MTB2S/2MTBR
式中MTBFD-----双通道的平均无故障时间；
MTBFS-----单通道的平均维修时间。
使用双通道后，系统的MTBF是按指数规律增加的，这样系统的可靠性大大提高了。
所有跳闸功能在每次启动前必须进行试验，三低信号可以进行在线试验。
控制柜上的所有开关及按钮一经调整好，不能随意乱动，当发现控制柜中的任何一个指示灯及开关损坏，应立即更换。
（四）危急跳闸装置保护项目
1、电超速保护
当机组转速超过额定转速的110％时，电超速保护动作迫使机组紧急停运，以防止超速飞车事故的发生。
电超速保护由一个安装在盘车设备处的磁阻发送器和安装在遮断电器柜中的超速插件所组成。
5－16为电超速原理图。
图中左边的磁组发送器是用来将被测转速信号转换成频率信号的测量元件，它是由测速齿盘和测速头两部分组成。
测速齿盘随转子一起转动，测速头内装有永久磁铁、铁芯和线圈组件，它装在磁盘径向位置的固定支架上，间隙1mm左右。
当磁盘随转子转动时，铁芯与磁盘的间隙便不断变化，每经过一齿，气隙磁阻变化一次，而磁路中的磁通量也随之变化，套在铁芯上的线圈就感应出一个交变电势的波形，此感应电势，就是测速头的输出信号。
设齿盘的齿数为z，汽轮机转子的转速为n（rpm），则输出信号的频率为：
f=nz/60
由于齿数z是固定的，f与n为单值关系，因而很方便地将频率f代替为转换转速n信号。
该信号经过整形、滤波等处理后，便可得到一个模拟转速信号。
图中的右边，一路经过由运算放大器组成的缓冲放大器，它把信号转换成转速的指示值。
另一路与规定的超速脱扣电压进行比较，当转速低于脱扣转速时，说明被测转速的模拟电压低于脱扣电压，经比较后输出的电压为正值；当被测转速高于整定转速，经比较后输出电压为负值，使控制继电器的晶体管V1导通，继电器的线圈OST带电，通过超速遮断继电器逻辑系统，最终紧急停机。
2、轴向位移保护
在运行中，汽轮机的轴向位移是受到严格限制的，当汽轮机转子的推力过大，产生超过允许值的位移时，会引起推力轴承磨损，严重时会使汽轮机的转动部分与静止部分产生摩擦，甚至会造成叶片断裂等重大事故，因此汽轮机都设置轴向位移保护，当机组轴向位移达到＋1mm或－1mm时保护动作停机，以实现对机组的安全保护。
3、润滑油压低保护
机组轴承油压过低，将引起供油量不足，容易造成轴颈与轴瓦之间的干摩擦，烧坏瓦块，引起机组强烈振动等，为此汽轮机设置润滑油压低保护，当机组润滑油压降至0.06Mpa时保护动作停机。
4、EH油压低保护
EH油是DEH系统中的控制和动力用油，用以控制所有主汽阀和调节汽阀，当油压过低时可能会导致机组调节系统失控而酿成事故。
因此，本系统设置了低油压保护，当EH油压降低至9.8Mpa时保护动作停机。
5、真空低保护
一般来说，机组真空过低主要是由空冷系统、轴封系统、抽真空系统发生故障引起的。
当机组真空过低时，会引起排气温度升高，低压缸安全门爆破甚至低压缸变形，机组振动增大，如果处理不当还会造成其他严重的设备损坏事故。
为此，系统设置为排汽背压大于65Kpa时，低真空保护动作停机，以防因真空过低而造成设备损坏。
6、外接遮断信号
1）相对轴振动大。
2）汽轮机胀差大。
3）汽轮机110％电超速（ETS和DEH系统）。
4）轴承润滑油压低至0.06Mpa
5）排汽背压大于65kpa
6）轴承振动大
7）DEH系统故障故障。
8）发电机主保护跳闸。
9）锅炉保护跳闸
10）轴承温度高跳闸
11）排汽缸温度高跳闸
12）手动停机，操作员可通过手动停机按钮进行远方手动停机；
13）在发电机并列状态下，调节级压力与高压缸排汽压力之比低于1.7时，汽机跳闸。
此保护用于防止汽机高压缸过热；
14）高压缸排汽温度高，高压缸排汽温度高至427℃时保护动作停机。
15）远控手动跳闸
二、机械超速保护
（一）机械超速危急遮断系统的工作原理
在DEH系统中，对转速的控制设有多重保护。
机械超速遮断系统是1个独立的系统，与常规液压调节系统中的超速保护基本相同，在机组超速时通过机械动作而实现停机。
图5－17为机械超速危急遮断系统的工作原理图。
它的传感器为飞锤式传感器，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，通过压弹簧，将飞锤紧压在横向小孔中，利用弹簧约束力与飞锤离心力平衡的原理来设计动作转速。
设飞锤的质量为Ｇ，飞锤的重心与转子的几何中心距离为ａ，飞锤出击距离为ｘ，离心力为ｃ，转子角速度ｗ，重力加速度为ｇ，则飞锤的离心力与转子角速度的关系为
c=Ｇ／ｇ（ａ十ｘ）ｗ2
从式中看出，只要规定了动作转速ｗ，则离心力便可以求出。
然后，设计压弹簧，其约束力ｐ的方向与离心力的方向相反，当ｃ<ｐ时，飞锤不出击；当c≥ｐ时，飞锤出击，通过碰钩使机械危急遮断机构动作并实行停机。
机械超速保护系统与电超速系统是两个独立的系统，其控制油源取自润滑油主油泵出口的高压油。
当机组正常运行时，脱扣油母管中的油，自主油泵出口管经节流后分两路进入危急遮断油滑阀，其中一路经二级节流后，作用在危急遮断油滑阀并使之紧压在阀座上，把滑阀的泄油口关闭；另一路只经一级节流，引入超速保护试验滑阀，再进入危急遮断滑阀。
由于危急遮断滑阀左侧的面积小于右侧的面积，所以油压的作用力把滑阀推向左侧，使蝶阀紧压在阀座上，堵住了泄油孔，结果，脱扣油母管中的油压等于主油泵出口的油压，遮断系统处于待发状态。
飞锤动作转速，一般为额定转速的109%～110%。
当机组正常运行时，飞锤因偏心所产生的离心力，不足以克服弹簧反方向的约束力，飞锤不能出击。
当机组超速时，随着转速的升高，离心力和约束力随之增加，当离心力大于约束力时，飞锤外移，偏心距加大，根据飞锤的设计特性，到达整定的转速后，离心力增加的速度超过约束力增加的速度，于是迅速克服约束力而使飞锤出击。
出击的飞锤作用在脱扣碰钩上，使碰钩围绕其短轴旋转，带动危急遮断滑阀向右运动，蝶阀随之离开阀座并泄油，导致机械脱扣油母管中的油压降低，通过隔膜阀的作用，使汽轮机紧急停机。
当机械遮断系统动作，汽轮机停止进汽后，转速将逐渐下降，当降到离心力接近弹簧的约束力时，根据飞锤的设计特性，由于离心力的降低速度较约束力降低的速度快，弹簧的约束力使飞锤退回到出击前的原位，其对应的转速，称复位转速。
考虑到重新并网的方便，一般复位转速稍高于额定转速。
由于脱扣碰钩转动时可使曲臂脱钩，曲臂受弹簧拉力的作用而向下转动，所以，当飞锤复位后，若要重新建立脱扣油压，运行人员必须手动复位，使曲臂转动并重新返回到挂钩位置，此时，危急遮断滑阀才能在油压的作用下向左移动，使蝶阀重新压在阀座上并建立脱扣油压，继续行使超速遮断保护功能。
（二）机械超速遮断机构
图5－18为机械超速遮断机构图。
机械超速遮断部分的主要组成部件是:
转轴21、碰钩24、遮断与复位连杆30、手动遮断与复位杠杆33、手动试验杠杆34、蝶阀座42、飞锤弹簧48、飞锤49、弹簧定位螺圈50、定位销51、蝶阀54、危急遮断滑阀58、滑阀套筒59和节流孔塞等。
其动作原理上面已经介绍，整定时对主要工作间隙的要求是：
正常位置时碰钩与飞锤的间隙为1.6～2.4mm；遮断位置时碰钩与飞锤的间隙不小于9.5mm；遮断碰钩与复位连杆18间应有1.6mm的搭接。
除了自动超速遮断机构外，机组还配置有手动遮断与复位机构和手动试验机构，它们均装在机组的前轴承箱前面，属于就地操作机构。
手动遮断机构是供危急情况下，就地操作使用的。
当手动遮断时，用手将手动遮断与复位杠杆33从"正常"位置推到"遮断"位置，此动作可使复位连杆18推动碰钩24旋转，导致危急遮断滑阀向右移动，蝶阀离开阀座位置并泄油，与飞锤的出击情况相同，将所有的主汽阀和调节汽阀进行关闭。
当超速遮断机构已经遮断机组，需要重新复位时，必须用手推动手动遮断与复位杠杆33至“复位”的位置，才能使其复位。
但是，必须等待转子转速降低，并在飞锤恢复到正常位置以后，才能进行复位操作。
危急保安器注油阀，其作用是在机组不升速的条件下试验危急保安器的动作可靠性，试验时必须先将试验隔离手柄扳至“隔离”位，切断脱扣油管至危急遮断滑阀的主通道。
在试验时危急遮断滑阀动作后，仅使经过二次节流的油泄去，由于泄油量极小，远远达不
到隔膜阀的动作油压，所以能保证汽轮机的正常运行。
设置二次节流油路到危急遮断滑阀去的作用是，使滑阀上下部油压的作用力平衡，以防止滑阀卡涩。
危急遮断滑阀也可通过自动复位装置，在集控室遥控操作复位。
从5－13看出，该装置是由四通电磁阀、遥控复位气缸、活塞连杆和复位——遮断杠杆等组成。
在危急遮断滑阀复位前，四通电磁阀断电，关断进入气缸的压缩空气通道，遮断机构处于脱钩状态，为了使之复位，电磁阀经通电后打开，使气缸的一端输入压缩空气，另一端排大气，压缩空气推动连杆使之向下移动，经旋转杠杆使支点另一侧的碰钩挂钩，并关闭超速遮断滑阀，当快速限位开关动作时，说明气缸已达到其行程的终点，超速遮断滑阀已处于复位状态。
随后，即可切断电磁阀的电源，压缩空气进入气缸的另一端，使活塞重新返回原位，“复位一遮断”手柄也回到正常位置，此后，只要危急遮断滑阀仍旧关闭，该手柄就一直保持在此位置不变，等待下一次的遥控复位指令。
汽轮机的机械超速遮断信号是由一路压力油传递的。
通过一个节流孔向危急连断装置提供的压力油控制着隔膜阀，当这个油压失去时，隔膜阀开启，引起调节系统的EH油失压，从而关闭汽轮机的全部进汽阀门。
在不解列的情况下，为了试验危急遮断飞锤能按要求飞出，在油路上布置了超速遮断试验阀。
试验时，将装于机头的试验手柄推向试验位置，并在整个试验过程中将其始终保持在该位置上口手柄通过连杆带动一个阀门，切断危急遮断油母管与超速遮断阀之间的联系，使超速遮断阀的动作不会引起停机。
同时，高压油可通过另一条油管路，由装于前轴承座中主轴前端中心线上的试验喷嘴（见图5-19）向危急遮断飞锤中的油腔喷油，并在油腔中建立起油压。
此油压由一个试验阀控制给喷嘴的供油量来调整，并且用油压表显示。
当在飞锤油腔中建立起足够的油压时，飞锤飞出，模拟一超速遮断器动作。
当飞锤已止确地调整到所规定的动作转速时，记下汽轮机在额定转速下喷油试验时的飞锤动作油压，作为原始参考油压。
以后每次试验时对比该油压值，以判断危急遮断飞锤的工作情况。
若试验得到的油压值与原始参考油压值一致，则可认为装置的功能是正常的。
三、OPC超速保护
机组OPC超速保护系统的作用，是在转速达到一定范围（103%no）时迅速关闭高中压调节汽阀，这些措施对保证电网稳定，避免机组因停机而重新启动，节约时间减少损失，具有重要的意义。
该保护是通过超速保护控制器来实现的，其功能包括两个方面：
✧负荷下跌预测功能；
✧机组超速控制功能。
1、负荷下跌预测功能（LDA）
它是基于负荷大幅度下跌（如全甩负荷）、励磁电路断开、机械功率仍保持在30%额定功率以上或再热器压力出现低限故障情况下的一种保护措施，目的是为了避免机组超速过大，引起危急遮断系统动作。
此时，由LDA置位并发出请求，关闭高压和中压缸调节汽阀，机组自动转入速度控制方式。
当励磁断开一段时间后（1～10s），确信转速已小于103%ｎo时LDA复位，OPC电磁阀断电，EH系统重新建立遮断总管油压，中压调节汽阀重新被打开，高压调节汽阀仍受DEH的控制，在转速达到额定转速后，再行重新并网，缩短机组重新启动的时间。
2、机组超速控制功能
不论机组是转速控制还是负荷控制，只要转速超过103%ｎ０，而且信号可靠时，超速控制器的逻辑系统都要输出控制信号，快速关闭高压和中压调节汽阀。
四、机械超速保护与ETS系统的联动原理
机械超速遮断系统，也可认为是更上一级的保护，即当OPC超速保护系统、电气超速遮断系统（ETS）均不起作用时，由机械超速遮断系统行使保护机组的任务。
因此，它的动作转速，应整定得比电超速遮断的转速略高，一般为（111%～112%）ｎ。
机械超速遮断系统使用的润滑油与EH系统的抗燃油互不相干，它与危急遮断安全油系统的唯一联系是隔膜阀。
隔膜阀布置在前轴承箱的侧面，其作用是机械超速系统动作、隔膜阀上部油压下降时，泄去危急遮断油总管上的安全油，遮断汽轮机。
当汽轮机正常运行时，润滑油系统的汽轮机油通入阀盖内隔膜阀的上部腔室中，其作用力大于弹簧约束力，使隔膜阀处于关闭位置，切断危急遮断油总管通向回油的通道，使调节系统能正常工作。
当机械超速机构或手动超速试验杠杆分别动作或同时动作时，通过危急遮断滑阀泄油，可使隔膜阀上部的油压下降或消失，压弹簧打开隔膜阀，泄去危急遮断总管上的安全油，通过快速卸载阀快速关闭所有的进汽阀和抽汽阀，达到紧急停机的目的
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