汽轮机保护.docx
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汽轮机保护
江苏裕廊石油化工有限公司
重气催化废气回收利用项目分散控制系统（DCS）解决方案
汽轮机的紧急跳闸保护系统（ETS）
1X7.5MW汽轮机的紧急跳闸保护系统主要的停止机项目以设备制造厂提供资料为准。
主要包括：
润滑油压、超速、轴位移、轴振动等。
以上保护逻辑均由和利时公司的DCS（用特定模块）来实现，并自动做跳机首出显示并记录。
A、汽轮机数据采集监视系统（TSI）
随着汽轮机组容量的不断增大、蒸汽参数不断提高，热力系统越来越复杂。
为了提高机组的热经济性，汽轮机的级间间隙、轴封间隙都选择的比较小。
由于汽轮机的旋转速度很高，在机组启动、运行或停机过程中，如果没有按规定的要求操作控制，则很容易使汽轮机的转动部件和静止部件相互摩擦、甚至碰撞，引起叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等严重事故。
为了保证机组安全启停和正常运行，需对汽轮机组的轴向位移、偏心度、差胀、振动、转速、油动机和同步器行程等机械参数进行监控，这些参数的采集和显示通常由TSI系统完成。
另外，还需对轴承温度、油箱油位、润滑油压、高压缸上下壁温差、汽缸进水、凝汽器真空等热工参数进行监视和保护，这些参数的监视功能通常由DAS系统完成，保护功能由SCS系统和ETS系统完成。
以上所有的这些主要参数超过规定值（报警值）时发出报警信号，在超过极限值（危险值）时送到ETS系统，动作汽轮机的遮断保护装置，关闭主汽门，实施紧急停机，以避免重大恶性事故的发生。
轴向位移、偏心度、差胀、振动、转速等汽机保护项目的参数，通常是一些传感器的非标准信号（电涡流、磁阻信号等），一般须配置专用的汽机监测仪表系统（TSI）进行特殊的转换处理。
其所监视的值及相关报警可送入DCS中作显示和SOE报警，停机信号送入ETS。
TSI基本功能
进行电涡流、磁阻等信号的采集和显示；将电涡流、磁阻等信号转换成4-20mA信号输出，送到DCS、DEH等系统；对冗余信号进行优选处理，保证信号的真实可靠；对信号进行报警，发送到光字牌；当参数超限达到停机值时，发出保护停机指令（DO），送到DCS、DEH和ETS。
TSI测点
包括：
轴向位移、偏心度、差胀、振动、转速等信号。
这些信号大多采用电涡流传感器，这是一种非接触式测量技术，它具有结构简单、灵敏度高、测量线性范围大、不受油污介质的影响、抗干扰能力强等优点，在工业上得到广泛应用。
（1）轴向位移的监视和保护
汽轮机叶片具有一定的反动度，叶片和叶轮前后两侧存在着差压，形成一个与汽流方向相同的轴向推力；轮毂两侧转子轴的直径不等，隔板汽封处转子凸肩两侧的压力不等，也要产生作用于转子上的轴向力；高压前轴封处轴封漏汽由后向前压力逐渐降低，产生与汽流方向相反的轴向力；还有其它方面产生的轴向力，这些轴向力的合成结果就是总的轴向推力。
推力轴承用于承受转子的轴向推力，借以保持转子与汽缸及其它静止部件的相对位置，使机组动静部分之间有一定的轴向间隙，保证汽轮机组的正常运行。
当轴向推力过大时，推力轴承过负荷，造成推力瓦块烧毁，或汽轮机动静部分发生摩擦，造成设备的严重损坏。
传感器经常采用电涡流传感器或差动发送器，配用不同的二次仪表。
为了保证汽轮机正常运行，需对轴向位移进行监视和保护。
当轴向位移达到限值时，保护装置发出报警信号，提醒运行人员及时采取措施加以处理。
当轴向位移达到危险值时，保护装置动作，汽轮机跳闸，立即停机，保障汽轮机组设备的安全。
另外，为了监视汽轮机推力轴承的工作状况，一般在推力瓦块上装有温度测点，在推力瓦回油处装有回油温度表等。
（2）缸胀和胀差的监视和保护
汽轮机在启、停过程中，或在运行工况发生变化时，都会因为温度的变化而产生不同程度的热膨胀。
汽缸受热膨胀时，由于滑销系统死点位置的不同，可能向高压侧伸长或向低压侧伸长，也可能向左侧或右侧膨胀。
为了保证机组的安全运行，防止高压缸热膨胀不均，发生卡涩或动静部分摩擦，必须对高压缸的热膨胀进行监视，简称“缸胀”监视。
汽缸受热膨胀变化的数值，也称汽缸的绝对膨胀。
转子受热时也要发生膨胀，因为转子受推力轴承的限制，所以只能沿轴向往低压缸侧伸长。
由于转子体积小，而且直接受蒸汽的冲击，因此温升和热膨胀较快，而汽缸的体积大，温升和热膨胀就比较慢。
当转子和汽缸的热膨胀还未达到稳定之前，它们之间存在较大的热膨胀差值，简称“差胀”（或“胀差”），也称汽缸和转子的相对膨胀。
一旦差胀超过预留的轴向动静部分之间的间隙，就会发生动静部分的摩擦，造成设备损坏。
所以需对缸胀和胀差进行监视和保护，当达到报警限值时，发出报警信号，提醒运行人员及时采取措施加以处理。
当达到危险值时，动作保护装置，汽轮机跳闸，立即停机。
（3）振动的监视和保护
汽轮机在启动和运行中都会有一定程度的振动。
当设备发生了缺陷，或者机组的运行工况不正常时，都会引起汽轮机组的振动加剧，严重威胁机组设备和人身安全。
振动过大将使转动叶片、轮盘等的应力增加，甚至超过允许值而损坏，使机组动静部分，如轴封、隔板汽封与轴发生摩擦，使螺栓紧固部分松弛。
振动严重时会导致轴承、基础、管道、甚至整个机组和厂房建筑物损坏。
为此，需要寻找振动源，监视其振动。
汽轮机组振动监视的主要内容是监测振动体在选定点上的振动幅值、振动频率、相位和频谱图等。
位移、速度和加速度是表征振动的三个重要的参量，因为它们之间只要通过微分或积分运算就可相互转换，所以在实际测量中可采用多种方法进行振动测量。
汽轮机的振动按照监测体的相对位置，分为轴承座的绝对振动、轴与轴承座的相对振动和轴的绝对振动。
当这些振动达到报警限值时，发出报警信号，提醒运行人员及时采取措施加以处理。
当达到危险值时，动作保护装置，汽轮机跳闸，立即停机。
（4）偏心度的监视和保护
汽轮机组启动、停机或运行过程中的主轴弯曲现象是经常发生的，这是由于转子和汽缸各部件的加热或冷却程度不同，形成一定的温差。
转子暂时性的热弯曲称弹性弯曲，这种弯曲一般通过正确盘车和暖机可以消除。
但是，当出现转子与汽封之间产生严重径向摩擦、汽缸进水、上下缸温差过大、轴封或隔板汽封间隔调整不当、汽缸加热装置使用不当等情况，就会使主轴产生永久性弯曲，即转子完全冷却后仍存在弯曲。
此时，只能停机进行直轴。
如果仍继续运行，则会造成设备的严重损坏，流通部分严重磨损、汽封片推倒损坏、推力瓦损伤等恶性事故。
所以，在机组启停和运行过程中应严格监视主轴弯曲情况。
当偏心度达到报警限值时，发出报警信号，提醒运行人员及时采取措施加以处理。
当达到危险值时，动作保护装置，汽轮机跳闸，立即停机。
（5）转速的监视和保护
汽轮机是在高速旋转状态下工作的。
如果转动力矩不平衡，转速就会发生变化。
当转速失去控制时，可能发生严重超速现象。
汽轮机的零部件在工作过程中已承受很大的离心力，转速增高将使转动部件的离心力急剧增加（离心力与转速的平方成正比）。
当转速过多地超出额定转速，转动部件就会严重损坏，甚至发生“飞车”的恶性事故。
为了防止汽机本身机械超速保护失去作用，保证机组的安全运行，必须严格监视汽轮机的转速，并装备电气超速保护装置。
传感器采用磁电式传感器，二次表选用可靠性高并且智能化高的仪表。
TSI采取3取2的保护逻辑。
当转速增高达到报警限值时，发出报警信号，提醒运行人员及时采取措施加以处理。
当达到危险值时，动作保护装置，汽轮机跳闸，立即停机。
B、汽轮机紧急跳闸系统（ETS）
ETS系统，是汽轮发电机组危急情况下的保护系统。
它与TSI、DEH一起构成汽轮发电机组的监控保护系统。
ETS基本要求
ETS系统是当汽轮机出现危急状况时，自动打闸停机，以保证机组和人员安全。
ETS连续监视汽机运行安全，一旦发生危急情况，及时跳机，确保汽机安全；
ETS采用独立的控制处理模件及测量元件，以确保可靠性，达到故障分散；
主保护回路硬软件配置双冗余，无扰切换，以增加系统可靠性；该系统与TSI、DEH之间的通讯采用硬接线，双方的输入输出通道应匹配，确保通讯正确；跳机条件及有关信息立即在CRT上显示；跳机接点是“动合型”的，以免信号源失电或回路断路时，发生误动作（采用“断电跳闸”的重要保护除外）；
重要参数冗余配置，并进行优选；系统抗干扰性能符合有关标准，以免外界无线电信号干扰导致误动。
ETS系统在CRT上以两种方式显示：
一种以贴近实际逼真的实物形式，显示电源监视（以指示灯形式表现）、主汽门开启关闭（以指示灯形式表现）、各抽汽逆止门开启关闭（以指示灯形式表现）、复位开关、转换开关、各保护投切开关、手动按扭或开关（如手关抽汽逆止门，电磁铁动作信号等）等的状态；另一种是以原理图的形式显示各开关、外接入接点的状态（以继电器的形式反映）。
ETS系统自动的在事故记事栏内详细记录各个报警，并指示首发跳机信号，便于查找故障。
ETS系统的报警信号采用声光报警。
在ETS保护系统中，设总投切开关和各分项投切开关，使各分项保护根据实际情况进行投切。
ETS功能描述
1.ETS跳机条件
当发生下列情况之一时（不限于这些条件），将发出跳机指令：
汽机轴承振动大；
轴向位移大；
差胀大；
高压缸排汽压力高；
低压缸排汽温度高；
推力瓦温度高；
轴承油压低；
EHC油压低；
润滑油压力低；
凝汽器真空低；
汽机超速；
后备超速保护动作；
MFT（可选择）；
发变组保护动作；
发电机定子冷却水中断；
发电机内部故障停机保护；
发电机主油开关跳闸；
DEH失电；
就地手动危急保安器；
集控室手动紧急跳闸。
上述参数都是开关量输入接点，来自于DAS、TSI、各保护测量二次仪表、就地触点型变送器和硬手动开关等。
当以上参数中的任何一个超过规程限值时，DAS、TSI、各保护测量二次仪表等设备闭合这些接点，使ETS系统关闭汽轮机的进汽阀门，同时联动相应的其他设备（如逆止门、发电机等），以保护设备和人身安全。
2.ETS测点
与ETS系统有关的汽轮机组的监视、联锁和保护项目如表1.2.6.2.2.1所示：
序号
项目名称
主要功能
1
轴向位移
显示、报警、保护
2
偏心度
显示、越限闭锁
3
高压缸差胀
显示、报警
4
中压缸差胀
显示、报警
5
低压缸差胀
显示、报警
6
高压缸热膨胀
显示、两侧胀差大于规定值时报警
7
中压缸热膨胀
显示、两侧胀差大于规定值时报警
8
轴承座振动
显示、报警、保护
9
轴振动
显示、报警、保护
10
转子扭矩
显示
11
转速
显示、报警、保护
12
零转速
联锁
13
危急遮断器
显示、报警、保护
14
转子热应力
显示
15
油动机行程
显示
16
同步器行程
显示
17
高、中压缸主汽门关闭
显示
18
主油箱油位
显示
19
润滑油压
显示、联锁、报警、保护
20
发电机内部保护动作联跳主汽门
联锁
21
电机主油开关跳闸联跳主汽门
联锁
22
汽机主汽门跳闸联跳发电机
联锁
23
主汽门关闭联动抽汽逆止门关闭
联锁
24
高加水位保护
联锁及调节
25
给水泵低水压联动（母管制给水常用）
联锁
汽轮机组安全监视与保护测点
汽机保护系统（ETS）DI测点清单如下：
序号
DI测点名称
报警
联锁
停机
备注
1
超速信号
≥3240rpm/Min
●
来自智能转速或TSI
2
轴位移信号≥1.4mm
●
来自轴位移控仪或TSI
3
润滑油压低
（≤0.02Mpa）
●
润滑油压压力控制器或DAS
4
真空低（≤0.06MPa）
●
真空表或真空开关或DAS
5
推力轴承温度高（≥75℃）
●
来自双金属温计或温度开关或DAS
6
支持轴承温度高（≥75℃）
●
双金属温度计温度开关（多点）或DAS
7
油开关跳闸
●
●
来自油开关电信号
8
高压油压力低
（1.5Mpa）
●
来自高压油压控制器或DAS
9
润滑油压低
（0.055Mpa）
●
来自润滑油压力控制器或DAS
10
润滑油压低（0.04Mpa）
●
来自润滑油压力控制器或DAS
11
润滑油压低
（0.015Mpa）
●
来自润滑油压力控制器或DAS
12
保安油压低于0.96Mpa
●
●
来自保安油压力控制器或DAS
13
主汽门关闭
●
主汽门行程开关
14
抽汽逆止门开闭信号
●
抽汽逆止门行开关
15
润滑油压低（0.08Mpa）
●
润滑油压低压控制器或DAS
16
保安油压低（1Mpa）
●
保安油压低压力控制器或DAS
17
推力轴承温度高（65℃）
●
双金属温度计，温度开关或DAS
18
支持轴承温度高（65℃）
●
双金属温度计温度开关或DAS
19
轴位移大于0.8mm
●
轴位移控制器或TSI
20
轴位移大于-0.8mm
●
轴位移控制器或TSI
21
油箱油位高
●
油箱油位指示器或DAS
22
油箱油位低
●
油箱油位指示器或DAS
23
#1撞机子打出信号
●
#1撞机子
24
#2撞机子打出信号
●
#2撞机子
25
手动停机按扭
●
来自外部手动停按扭
以下为DO点：
序号
DO测点名称
报警
联锁
停机
备注
1
磁力断路油门电磁铁动作信号
●
去磁力断路油门电磁铁接触器
2
主汽门关闭电磁铁动作信号
●
去关闭主汽门电磁铁接触器
同一个开出点
3
中压调节气门电磁铁动作信号
●
去中压调节气门电磁铁接触器
4
调节气门电磁铁动作信号
●
●
去调节气门电磁铁接触器
5
抽汽逆止门开启电磁铁动作信号
●
●
去抽汽逆止门开启电磁铁接触器
6
调压器切除电磁铁动作信号
●
●
去调压器切除电磁铁接触器
7
同步器手动增负荷
去手动增负荷继电器
8
同步器手动减负荷
去手动减负荷继电器
9
抽汽逆止门关闭1电磁铁动作信号（KM7）
●
去抽汽逆止门关闭电磁铁接触器
10
抽汽逆止阀2关闭信号（KM9）
●
去抽汽逆止阀关闭电磁铁接触器
11
联跳油开关动作信号
●
去油开关跳闸回路中间继电器
12
联动交流油泵信号
●
去交流油泵联动中间继电器
13
联动直流油泵信号
●
去直流油泵联动中间继电器
14
联跳盘车信号
●
去盘车跳闸中间继电器
15
联动高压油泵信号
●
去高压油泵联动中间继电器
16
超速限制电磁铁
●
去超速限制电磁铁接触器
与ETS相关的其它保护回路
1.汽机防进水保护
汽轮机进水、进冷汽的原因是多方面的，有设备本身的缺陷，也有系统设计上的考虑不周、施工安装不当、运行操作不当等原因。
任何和汽轮机连接的接口都有可能造成汽轮机进水，它可能是从外部设备带来或者是蒸汽凝结而成，主要包括以下系统：
1、主蒸汽管道和疏水系统；
2、主蒸汽减温器喷水系统
3、再热减温系统；
4、汽轮机抽汽管道和疏水系统；
5、给水加热器管道和疏水系统；
6、汽轮机疏水系统；
7、汽轮机汽封管道和疏水系统；
给水加热系统和抽汽系统：
汽轮机发生进水的主要原因之一是由于从抽汽系统、给水加热器和有关疏水系统进水。
因此对抽汽加热系统的防进水保护十分重要。
防范措施如下：
①水位传感器完好，正常疏水管道、事故疏水管道畅通，事故疏水直接排入凝汽器。
②给水加热器和汽轮机之间的自动关断阀，逐级疏水管道中的自动关断阀，其阀门的动作是由给水加热器水位高二值控制的。
当这些阀门动作时，表明加热器疏水系统已不具备有足够的疏水能力。
此时，由上一级加热器来的逐级疏水应在加热器水位高二值时自动关闭，并通过事故疏水管道直接排入凝汽器。
抽汽逆止阀快速动作以切断抽汽，从防止汽轮机进水的角度分析，这些逆止阀也能起一定的保护作用。
③对于布置在凝汽器颈部的给水加热器，因无法安装抽汽关断阀，可采用给水加热器旁路系统作为保护装置。
这样当管子泄漏时，可将加热器解列、切断管子泄漏的水源。
除氧器系统：
除氧器（混合式给水加热器）有可能成为湿蒸汽和水倒流入汽轮机的来源，因此在抽汽至除氧器的管道上通常需要装设一只逆止阀和一只自动关断阀。
保护方法如下：
①在抽汽至除氧器的管道上装设自动关断阀。
②在除氧器水箱或给水泵吸水侧管道上装设自动放水系统，放水阀由除氧器水箱的高-高水位开关操作。
③在所有进入除氧器的水管道上装设自动闭锁阀，它与控制阀串联在一起，当除氧器水箱出现高-高水位时，闭锁阀应自动关闭。
2.辅助系统监视和保护
为了保证轴承的正常工作，必须监视轴承的温度和润滑油的温度。
润滑油温度过高，会使油的粘度下降，引起轴承油膜不稳定或被破坏；油温过低，建立不起正常的油膜。
这两种情况均会引起机组的振动，甚至发生轴瓦毁坏。
润滑油油温的测量，主要测冷油器的出口油温和轴承的回油温度。
一般轴承进口润滑油温度为35～45℃，出口润滑油温度不高于65℃。
通过测量推力瓦块的温度来监视推力轴承的工作状况。
推力轴承有工作瓦块和非工作瓦块共十来块，一般在每块工作瓦块上装一测温元件，在每道支持轴承上也装有测温元件，这些测温元件可接入DCS显示。
示例，200MW机组的温度典型设计值：
在推力轴承回油温度高于65℃和支持轴承回油温度高于65℃时报警，两者均高于75℃时发出停机信号。
3.低油压保护
润滑油压过低，将使各轴瓦的油膜受到破坏，甚至导致轴颈和轴瓦间干摩擦，支持轴瓦和推力轴瓦的乌金瓦面熔化，汽轮机轴向位移增大，动、静部分发生摩擦和碰撞，造成机组的严重损坏。
为了防止此类事故的发生，汽轮机必须装设低油压保护装置。
当运行中的润滑油压降低到规定值时，保护装置动作，自动启动辅助油泵（交流油泵或直流油泵），以恢复润滑油压；若油压继续下降到最低允许极限值时，低油压保护装置动作，迫使汽轮机主汽门关闭停机；油压继续降低到一定值时，再次发出联锁信号，联动盘车跳闸回路，以保护汽轮发电机组的安全。
机组在润滑油压低于0.05MPa时，启动交流油泵；低于0.04MPa时启动直流油泵；低于0.03MPa时关闭主汽门停机。
4.凝汽器真空的监视与保护
为了使汽轮机的运行有较好的经济性，并能及时发现和消除凝汽设备运行中的故障，必须严格监视凝汽器真空，运行中无论何种原因引起凝汽器真空下降且超过规定的低限值时，应首先减少汽轮机的负荷，当真空下降到危险值时，由ETS发出停机信号。
低真空保护装置根据预先规定的限值发出信号，使相应的控制回路动作，达到自动保护的目的。
如果真空降到最低极限值而低真空保护不动作，排汽压力大于2-4kPa表压力时，凝汽器上的薄膜式安全门被冲开，汽轮机向大气排汽，以避免凝汽器设备因排汽缸压力温度升高而遭到损坏。
当机组低压缸排汽温度大于80℃时，投自动喷水阀降温。
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