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[综合讨论] 汽机振动保护逻辑及延时怎样设置才合理?

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发表于 2019-9-17 11:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  振动保护是汽轮机组重要的保护项目之一,随着汽轮机组不断向高参数、大容量的趋势发展,振动保护对汽轮机乃至其他大型旋转机械的重要性显得更加突出。根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中规定:汽轮机振动保护必须投入。目前我国汽轮机组在出厂时的常规设计方案一般是单点保护,从生产现场的实际情况来看,这种方式存在单点保护误动的问题,因此一些电厂宁愿违反相关规定,在机组并网正常运行后即退出振动大保护,给汽轮机组的安全运行带来了极大的隐患。

  常规振动保护逻辑优化方案
  由于没有国标或行业标准作为依据,之前国内汽轮机组出厂时的常规设置为在轴瓦的X/Y向各安装一个涡流探头,如图1所示,振动保护一般为单点保护,即当各轴瓦的X/Y向任一探头检测到振动值达到跳机值时,振动保护动作,机组跳闸。由于涡流探头测量从前置放大器到TSI系统采用负电压传输,在受到电磁干扰或传感器及卡件故障等情况下,机组容易出现误发信号的情况,此外,这种重要保护设置成单点保护也违反了热工重要保护应为“二取二”或“三取二”的可靠性配置设计原则。
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  轴振测量示意图

  GB/T 11348.2—2012《机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分:功率大于50MW,额定工作转速1500r/min、1800r/min、3000r/min、3600r/min陆地安装的汽轮机和发电机》中新增如下内容为振动保护的设置提供了依据:“汽轮机和发电机通常是受自动控制系统控制的,如果超过停机振动值,自动控制系统使机器停机。为了避免虚假信号引起的不必要的停机,实际上通常采用多个传感器控制逻辑,并在触发机器自动停机的任何自控动作之前,规定一个时间延迟。因此,如果接收到振动停机信号,而且至少被两个独立的传感器确认超过了规定的有限的延迟时间才可以触发停机。典型的延迟时间是1~3s。为了慎重可以在报警值和停机值之间插入第二次报警,以预警操作人员正在接近停机值,他们可以采取任何校正措施(例如降低负荷或制造商建议的其他措施),避免满负荷停机。”

  近几年来,随着汽轮机故障问题的增多以及火电厂对设备安全重视程度的提高,大多数电厂对振动保护的逻辑进行了针对性优化,普遍采取“二取二”的组合逻辑方案。常规的组合逻辑优化方案主要有:

    · 任意瓦的X/Y方向振动中一个达到报警值,另一个达到跳闸值即触发振动保护跳闸。

    · 任意瓦振动中任意一个达到跳闸值,且相邻瓦X/Y方向振动任意一个达到报警值即触发振动保护跳闸。

    · 任意瓦的X/Y方向振动中一个达到跳闸值,且除本瓦外任意瓦X/Y方向振动中一个达到报警值即触发振动保护跳闸。

  目前来说,国内机组在进行逻辑优化时大多选择了第一种方案,虽然本瓦X/Y方向振动的相关性已得到认同,但具体幅值在各机组、各瓦中都不相同,因而也存在出现“拒动”的可能性。某电厂汽轮机组3瓦Y向轴振瞬时从100μm突升到300μm以上,而3瓦X向轴振只在90~120μm摆动,并未超过报警值,停机检查后发现振动是由于3瓦浮动油挡掉落且已磕碰变形造成的。

  对于第二种方案,相邻轴瓦有两种情况:一种是通过联轴器相连的两瓦相邻;另一种是中间隔着缸体的两瓦相邻,其相关性并不被广泛认同。汽轮机振动的主要原因有转子质量不平衡、轴承损坏、油管崩裂造成摩擦、电磁不平衡、热不平衡等多种,在本瓦轴承损坏时,有可能只是本瓦出现振动增大的情况或向联轴器相连的轴瓦传递的可能性更大,而对于隔着缸体的相邻两瓦其传递的能量要少一些。即使是在振动故障中出现最多的转子质量不平衡的情况下,虽然相邻两瓦振动具有相关性,但是具体定值的给出还需要根据实际情况进行计算,难以给出一个通用值以保证机组安全。

  第三种方案是对前两种方案进行综合考虑的一种相对合理的方案,既考虑了由于相邻瓦振动相关性不强可能产生保护拒动的情况,也考虑了同一瓦X/Y向信号布置在同一卡件时卡件故障可能造成保护误动的情况,在最大程度上防止了保护误动和拒动的发生。但这个方案逻辑组态较复杂,在进行振动保护传动时需耗费很长的时间。

  除了对保护逻辑进行优化以外,还可以采取一些措施,作为对振动保护的完善和补充,例如为了预防机组检修后可能出现的不确定因素,在机组并网前可采用振动“一取一”保护逻辑形式,而并网后采用组合逻辑。采用轴振信号参与保护逻辑的报警定值可适当减小(建议由原设计的125μm改为100μm甚至更小,综合平时正常运行值和机组启动过临界时的振动值考虑),或机组正常运行工况下各瓦的轴振值增加不大于50μm且不高于汽轮机厂家给出的报警值。

  振动保护设置延时需注意问题
  除对振动保护的逻辑进行优化外,GB/T11348.2—2012中还提到了振动保护延迟时间的设置,并给出典型的延迟时间为1~3s的建议。因此,部分电厂在进行了振动保护逻辑优化后还设置了延迟时间,由于部分机组发生的重大轴系故障振动值变化过程非常短暂,可能未达到保护延迟时间,未达到振动保护动作条件,但实际汽轮机内部已经发生很严重的事故。某电厂机组1~5瓦X/Y向振动同时出现突增,其中3、4瓦X向均超过300μm,之后迅速恢复正常,整个过程超过振动跳闸值的持续时间约2s,未达到保护延迟时间3s的动作条件,后停机解体发现中压缸电端第二级隔板脱落、中压转子电端第二级动叶因磨损全部脱落、电端第一级动叶磨损。

  结 语
  汽轮机组内部发生故障时机组的振动情况是多种多样的,从保护设备的角度出发,可能设置为单点保护是合适的;但从现场实际的运行情况来看,单点保护造成的保护误动较多,从热工可靠性保护设置原则角度对振动保护逻辑进行优化完善是很有必要的。但对于目前已进行振动大“二取二”冗余判断的机组,已可达到防止信号突变造成保护误动的要求,设置过长的延时反而会在振动确实大的时候增加设备损坏的风险,建议取消延时,即使暂不取消,建议设置不超过1s。除此之外,我们还需综合平时正常运行值和机组启动过临界时的振动值考虑减小振动报警定值等各种细节,并设置任一轴承振动达到报警或动作值时明显的声光信号,以便振动值瞬间变化过快或有单点振动达到限值时,提醒运行人员加强监视,必要时手动停机,保证机组的安全运行。

  参考文献:
  [1] 电力行业热工自动化技术委员会.火电厂热控系统可靠性配置与事故预控[M].北京:中国电力出版社,2010:42.
  [2] 机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分:功率大于50 MW,额定工作转速1500 r/min、1 800 r/min、3 000 r/min、3 600 r/min陆地安装的汽轮机和发电机:GB/T 11348.2—2012[S].

  来源:热控圈微信公众号(ID:rekongquan),作者:郭凌云。原文来自《机电信息》,原题《汽轮机组振动保护逻辑优化及延时设置合理性分析》。

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