汽轮机保护系统.doc

ABB-Electronic Technology Systems, Inc.Turbine Protection System TPSElectronic Technology Systems, Inc.The International Center of Excellence for Solutions to Turbine ControlTURBINE PROTECTION SYSTEM-TPS 汽轮机保护系统TURBINE PROTECTION MODULE(TPS02) 汽轮机保护模件TERMINATION UNIT(TPSTU02)端子单元目录 1.0 绪论 1.1 概述 1.2 液压超速保护系统 1.3 转速探头应用 1.4 模件规范 1. 5端子单元规范 2.0 模件功能说明 2.1 概述 2.2 方块图 2.3 面板陈列 2.4 超速保护(OSP) 2.5 高压遮断保护(EHC) 2.6 低压遮断汽机跳闸(TRIP) 2.7 在线试验 2.8 机械超速试验 2.9 高压遮断超速试验 2.10 功率不平衡 3.0 终端单元功能说明 3.1 概述 3.2 保护继电器逻辑及操作 图表 表1 模件规范 表2 终端单元规范 表3 状态LED显示 表4 端子单元保护继电器实表 插图 图 1 TPS应用实例 图 2 典形汽机保护系统 图 3 集成块液压油路 图 4 模件方块图 图 5 模件面板陈列 图 6端子单元输入输出1.0 绪论 1.1 概述 汽机保护系统(TPS)由三块TPS02模件及以电缆连接的一个 TPSTU02端子单元组成。所有与电子超速保护有关之功能皆由模件及端子单元监测和完成。这些保护功能是独立于控制系统的数据总线和多功能处理器的。这套汽机保护系统采用三冗余输入方式、三选二保护逻辑及在线试验的能力以提高可靠性。三项保护功能都有四个继电器输出至液压集成块，如配合采用ETSI公司的双重二选一逻辑设计可在线试验液压集成块。TPS模件利用模件板上的处理器及存贮器以处理输入数据，控制输出及与Infi90 开放控制系统进行通讯。这模件提供以下超速保护功能: 超速保护(OSP): 在无需启动汽机跳闸的情况下，以超速保护遮断集成块关闭高压调阀及中压调阀来控制超速。此功能由两个条件启动: (1)汽轮机转速超过超速保护OSP设定值(一般为额定转速的103)。 (2)汽轮机功率超过一最低设定值时发电机油开关开启。此动作不受汽轮机实际转速影向而是为预期的超速可能作预备。 汽机跳闸低压遮断保护(TRIP):取代或与原厂家配置的电动汽机跳闸(一般为汽机控制油油路 中的一电磁卸荷阀)并行操作以快速关闭汽机所有的阀门。此项保护启动转速一般设定为额定转速的110。 高压遮断保护(EHC):与低压遮断配合操作。激励高压遮断集成块以泄掉所有阀门油动机油压。启动转速设定与低压遮断设定值一样。 功率不平衡保护 (PLI):以功率(电负荷输出)及中压缸排汽压力(机械功量输入)作比较以决定是否有不平衡情况出现。当汽机机械功量输入超出电负荷输出达一设定量时将显示汽机有超速可能并会短暂关闭中压调阀。TPS模件通过扩展总线把汽机转速、功率、中压缸排汽压力、功率不平衡量加上汽机跳闸及油开关状态等讯号传至多功能处理器。在正常操作下模件的面板会就地显示汽机转速、功率、功率不平衡及模件状态等资料。在模件组态时面板会显示组态参数。面板上的按钮可作改变组态参数之用。 每一块模件独立计算汽机转速及产生跳机讯号。最后的输出由终端单元以三选二逻辑决定。所有数字输出都配有中介断电器。终端单元利用其内置电路把从三块模件送来的模拟转速讯号作三取中处理后输出取中讯号。 以下图1举列出一以TPS系统作汽机保护的基本Infi90 汽机控制系统。所有现场输入输出信号连接到与模件交换信号的终端单元。模件与有关的多功能处理器是通过扩展总线进行通讯。其他多功能处理器可通过控制总线取得数据。 当汽机保护系统与ETSI汽机控制系统结合时，超速保护功能是 独立于控制系统的数据总线及多功能处理器。即便在概率极微的发生冗余处理器及数据总线故障的情况下，TPS模件仍能保存汽机保护的功能。利用终端单元上的模拟输出信号可以随时监视汽机的转速。假若多功能处理器发生故障，操作员仍能使用ETSI公司汽机控制系统内的液压伺服模件的紧急手动功能去维持汽机控制。 对没有以Infi90硬件为基础的汽机控制系统，可以用一个装有三个TPS模件的模件安装单元及相连的终端单元组合成一套独立的汽机超速保护系统。在模件安装单元内的模件旁可安装电源模件(如 需要可用冗余电源模件)。跳机设定值及其他参数可从模件面板输 人至模件。除了不能作跳闸遮断功能试验及输出汽机转速的模拟信号外，这组合提供像与Infi90硬件为基础之汽机控制系统配合的TPS系统同样的超速保护功能及转速显示。陈列面板提供功率，功率不平衡及汽机转速的就地显示。如在系统组合上加上多功能处理器则可拥有此说明书上提及的各项功能。图1TPS 应用实例Communication Highway 通讯总线Operator Interface 操作员接口NIS/NPM Communication Modules 通讯模件Controlway 控制总线MFP 多功能处理器Other Modules 其他模件Expander Bus 扩展总线Hydraulic Servo Module 液压伺服模件TPS02 Module 汽机保护模件Term. Unit 终端单元Servo Valve 伺服阀LVDT 线性差动变送器Speed Probe 转速探头Megawatts 功率IP Exhaust Pressure 中压缸排汽压力Breaker Closed 油开关闭合Turbine Reset 汽机复位OSP 超速保护EHC 高压遮断TRIP 低压遮断PLI 功率不平衡Turbine Speed 汽机转速1.2 液压超速保护系统 TPS模件的设计是特别为配合如图2的电动液压保护配套。各个集成块把有关的液压油油压泄掉而产生保护功能。TPS 的输出也可以接连其他保护系统以达到适当的保护功能。按照图2的配套， 低压遮断油油压泄掉时汽轮机便算跳闸。泄油可通过汽机原来的机械跳机设备或是低压遮断集成块进行。之后隔膜阀会打开并把高压遮断EHC及超速保护0SP油压泄掉而令所有阀门快速关闭。注意虽然高压遮断及超速保护集成块能快速关闭汽机阀门但并不令汽机跳闸。一般当有跳闸需要时它们会与低压遮断集成块并行操作而产生冗余功用。图2 典型汽机保护系统Governor Valve - 高压调阀Intercept Valve - 中压调阀Reheat Stop Valve - 中压主汽阀OSP Header - 超速保护油油压EHC Header - 高压遮断油油压Orifice - 节流孔Hydraulic Fluid System - 液压系统OSP Manifold - 超速保护集成块EHC Manifold - 高压遮断集成块Diaphragm Valve - 隔膜阀Hydraulic Fluid Drain 液压回油Trip Header - 低压遮断油油压Turbine Lube Oil System - 汽机润滑油系统Mechanical Trip - 机械跳闸Trip Manifold - 低压遮断集成块Lube Oil Drain - 润滑油回油ETSI公司的汽机控制系统内的超速保护, 高压遮断及低压遮断集成块都各配有四个电磁阀以双重二选一的逻辑设计以提供保护功能。图3是一个简化的油路图。 注：当提及液压集成块电磁阀时，启动一词是指把阀打开。按照不同的电磁阀，这是透过把电磁阀线圈带电或失电。图3. 集成块液压油路Hydraulic Trip Header - 遮断油油压Solenoid - 电磁阀Drain 回油PS - 压力开关用图3的油路来说，激励单独的一个电磁阀并不会引起保护功能动作。电磁阀的反应会因两个节流孔的作用而产生一中间油压。这中间压力可以两个压力开关来监视。当3号或4号电磁阀被启动时，中间油压会升高至遮断油油压水平。当1号或2号电磁阀被启动时，中间油压会降低至回油油压水平。在多功能处理器内会有一套典型的逻辑程序会自动把每个电磁阀逐一启动并监测中间油压的改变以判断电磁阀是否工作正常。一个不正确的反应会令试验停止及产生报警。当在试验过程中有实际的跳机指令时，不管电磁阀是在任可状态都会启动而令汽机跳闸。 1.3 转速探头应用 TPS模件设计可以配合被动式或主动式转速探头。当使用的是被动式探头时，一般当转速低于每分钟50 至100转时转速读数会不大准确。在汽机刚启动时转速要升高至被动探头的输出讯号能引动模件上的读取电路测速后才会有汽机转速的显示。而通常在读取电路被引动后都可以分辨到较原引动转速低的转速。这就是说例如在汽机启动时模件在转速达每分钟75转后才有显示，在汽机停车时的最低读数可能会低至每分钟25转。读取低转速需要利用主动式探头。过去的使用经验显示主动式探头较被动式探头容易损坏。所以通常的方法是使用三个被动式探头作正常转速之读取及超速保护并使用一个主动式探头作零速及盘车显示。最新发展的主动式探头经改良后提高了寿命是可能用来替代被动式探头。这可减少额外探头及硬件的需要。在个别的应用上ETSI公司会考虑按照系统的使用及用户的要求而决定使用最适合的探头。1.4 模件规范一 般微处理器80196带128Kbyte EPROM, 12MHz, 8K RAMDSP56001, 24MHz系统通讯8 位 并 行转速讯号分辨率24位分辨率, +/0.25RPM 于 3600RPM 带60 齿转速齿轮模件时基频率1 MHz精确度每算0.005% / 1时基安装占标准Infi90模件安装单元(MMU)中一个插槽I/O 终端汽机保护系统终端单元(TPSTU02)操作转速探头输入0至10KHz, 150mV至200V峰值模拟输入4-20mA 或1-5VDC(现场输入至终端单元)模拟输出4-20mA 或 1-5VDC(现场输入至终端单元)数字输入24VDC, 125VDC, 或120VAC (现场输入至终端单元)数字输出24VDC(至终端单元) 电 气运行+5VDC 5% 550mA+15VDC 5% 75mA-15VDC 5% 50mA+24VDC 10% 50mA消 耗2.75W +5VDC1.125W +15VDC0.75W -15VDC1.2W +24VDC 环 境磁电/无线电频干扰暂无数据。保持柜门关闭。在机柜两公尺范围内 禁用通讯设备。环境温度0至70(32至158F)湿度5至90% RH (5%) 55以下(非凝结)5至40% RH (5%) 70以下(非凝结)大气压力海拔0至3公里(1.86英里)空气质量非腐蚀性安装级别按ANSI/ISA-S82.01-1994三等级别MTBF18.05年 认 可设计满足CSA对正常(非破害性)环境过程控制设备之要求。CSA认可在进行中。 表1. 模件规范1.5端子单元规范一 般机柜安装相等於Infi90机内的四个标准端子单元端子排20A/600V端子: 6号螺钉 操 作转速探头输入0至10KHz, 150mV至200V峰值模拟输入4-20mA 或1-5VDC模拟输出4-20mA 或1-5VDC数字输入24VDC, 125VDC, 或120VAC数字输出干接点10A 120VAC, 3A 125VDC 电 气运行+15VDC 5% 14mA-15VDC 5% 14mA+24VDC 10% 150mA每继电气电路 (最高2.1A)消耗0.21W +15VDC0.21 W -15VDC3.6 W +24VDC每继电气电路 (最高 50.4W) 环 境磁电/无线电频干扰暂无数据。保持柜门关闭。 在机柜两公尺范 围内禁用通讯设备。环境温度0至70(32至158F)湿度5至 90% RH (5%) 55C以下(非凝结)5至 40% RH (5%) 70C以下(非凝结)大气压力海拔0至3公里(1.86英里)空气质量非腐蚀性安装级别按ANSI/ISA-S82.01-1994三等级别表 终端单元规范2.0 模件功能说明2.1概述TPS模件由一块印刷电路板组成并占Infi90模件安装单元 (MMU)中一插槽。用模件上的开关选择可设定模件的地址及操作方式。模件的显示面板显示功率、功率不平衡及转速。面板上更有多色发光二极管LED显示模件一般状态。 模件有三个连接口给外在讯号及电源。P1连接驱动模件板的电源。P2连接扩展总线与Infi90多功能处理器进行通讯。P3以一电缆与终端串元连接以交换现场数字及模拟讯号。给现场设备接线的端子排在终端单元上。现场设备不直接接到模件上。2.2 方块图 图4. 模件方块图Expander Bus - 扩展总线Megawatts 功率IP Exhaust Pressure - 中压缸排汽压力Power Load Imbalance 功率不平衡Breaker Closed 油开关闭合Turbine Reset 汽机复位MW Signal Failure 功率讯号失效IP Exhaust Signal Failure 中排压力讯号失效Speed Signal Failure - 转速讯号失效Energize OSP Output - 激励超速保护输出Energize EHC Output - 激励高压遮断输出Energize TRIP Output 激励低压遮断输出Test Mechanical Trip 机械跳闸试验EHC Overspeed Test 高压遮断超速试验Test Relay #4 - 试验4号继电器Digital Communications - 数字通讯Expander Bus Interface - 扩展总线接口Microprocessor 微处理器DSP Processor - 数字讯号处理处理器Memory - 存储器A/D Converter 模数转换器Frequency Input - 频率输入Analog Input Filters - 模拟输入过滤Digital Inputs - 数字输入Analog Outputs 模拟输出Digital Outputs - 数字输出I/O to/from other two TPS02s - 另两块TPS模件来回的输入输出信号TPSTU02 Term. Unit - TPSTU02端子单元安装在汽机转子上的转速齿轮的齿令磁阻探头产生脉冲讯号。处理器把脉冲讯号在四微秒的时段内的正值部份分析并寻找零线跨越(从负值跨越至正值)并数算跨越数量以计算汽机转速。处理器把转速以一数字值通过扩展总线送到多功能处理器并以模拟输出方式送至终端单元及显示面板。终端单元监测从三块模件而来的转速讯号并把中值输出。当超速情况出现时，模件会按照超速的严重性把一个或多个数字控制输出至端子单元。端子单元接收从三块模件来的所有输出并用三选二之选择方法去决定保护继电器的输出状态。 模件上的数字信号处理器、即DSP处理器每百万分之26.6秒便会把功率及中排压力两个模拟输入作同步取样。微处理器每四微秒便读取DSP的数值并作比较以决定功率不平衡情况是否存在。假若不平衡情况出现，模件会产生一数字输出以保护汽机以免发生预计的超速状态。功率不平衡及功率信号会通过扩展总线被送到多功能处理器和模件显示面板。 2.3 面板显示 显示面板有四位红色数字/字母显示。按照模件原来设定的操作方式，模件第一次插入时显示的讯息会可能是模件的软件版本或是模件的操作模式。在正常操作情况，模件经初始化后会轮流显示转速，功率及功率不平衡等数值。每个数值显示保持大约一秒钟。相应的发光二极管会发亮以表示所显示的是哪一种数值。若超速保护输出被启动，转速数值显示时会闪动。 图模件面板显示Health LED - 状态发光二极管Four Digit Display - 四位数字显示LED Indication - 发光二极管提示Push Buttons 按钮IMBAL 功率不平衡MW 功率SPEED - 转速Enter/Next - 输入/下一个状态LED提供模件状态的一般显示。表3列举状态发光二极管的显示。 表3. 状态LED显示颜色模件状态绿色模件在运作并与多功能处理器通讯红色模件在运作但不与多功能处理器通讯黄色模件与多功能处理器通讯但看狗计时器超限(模件初始化後短时间)熄灭模件故障(看狗计时器超限)，模件刚插入时会暂时转黄色直至初始化完成下列的参数可以用显示面板上的按钮作整定。当参数相应的号码显示时，按“D”及“”按钮会选择前一个或后一个参数号码。当 参数的号码显示时，按ENTERNEXT按钮会把显示改为该参数的当时数值。当参数的数值显示时，按“D”及“”按钮会增加或减少参数的数值。当参数的数值显示时，按 ENTERNEXT按钮会把数 值输入并把显示还原至参数号码。1 转速齿轮上的齿数 2额定汽机转速(同步转速)3OSP超速保护设定值 4EHCTRIP高压遮断低压遮断设定值 620mA时之转速值(模 拟 输 出) 8百分之一百负荷时的中压缸排汽压力 9百分之一百负荷(MW)10 OSP超速保护动作的最低负荷 11 PLI功率不平衡保持时间 12 PLI功率不平衡设定值 14 20mA时的功率值 15 20mA时的中排压力 2.4 超速保护(OSP) 超速保护(OSP)功能关闭高压调节阀及中压调节阀以试图控制汽机转速而避免引发全面汽机跳闸。这些阀门较高中压主汽阀容易重新打开，所以关闭调节阀让汽机从超速情况中快速恢复。两个特殊情况会引发超速保护动作：1. 汽机转速连续超过超速保护OSP限制达三个取样时段(共12毫秒) 时超速保护输出会启动直至转速减慢到小于OSP限制每分钟10转以下。OSP限制是可调的参数，一般定为额定转速之百份之103。 2. 发电机油开关打开而中排压力大于OSP负荷限制(一般为满负荷的百分之22)时，超速保护输出会启动并保持一保持时限(可从1秒至10秒以每秒递进调整)。保持时限过后超速保护输出会关闭。假若超速情况持续超速保护输出会保持开启直至超速情况消失。 端子单元上的四个OSP继电器配四个超速保护电磁阀。所有的四个输出都经过端子单元上的三选二逻辑处理。端子单元监测三个TPS模件上的每一个输出。ETSI公司的超速保护集成块的设计容许每一个电磁阀作在线试验。在试验进行中，超速保护功能不被禁止并会在需要时操作。2.5 高压遮断保护(EHC) 当汽机转速连续超过高压遮断EHC限制达两个取样时段(共8毫秒)时高压遮断便会输出动作。高压遮断限制跟低压遮断限制一样 (一般定为额定转速之百份之110)。高压遮断输出会保持启动直至转速减慢到小于EHC限制每分钟10转以下。高压遮断继电器输出激励高压遮断集成块上的电磁阀以泄掉至阀门油动机的高压油压力。虽然高压遮断把所有阀门都关闭，这并不算为汽机跳机因汽机机械部份仍然保持挂闸。 端子单元上的四个EHC继电器配四个高压遮断电磁阀。所有的四个输出都经过终端单元上的三选二逻辑处理。端子单元监测三个 TPS模件上的每一个输出。ETSI公司的高压遮断集成块的设计容许每一个电磁阀作在线试验。在试验进行中，高压遮断功能不被禁止并会在需要时操作。 2.6 低压遮断汽机跳闸（TRIP） 当汽机转速连续超过低压遮断TRIP限制达两个取样时段(共8毫秒)时高压遮断便会输出动作。低压遮断限制一般定为额定转速之百分之110。低压遮断输出会保持启动直至转速减慢到小于TRIP限制每分钟10转以下。低压遮断动作算为汽机跳机因其动作令汽机机械跳机部份跳脱而汽机无法复位。端子单元上的四个TRIP继电器配四个低压遮断电磁阀。所有的四个输出都经过端子单元上的三选二逻辑处理。端子单元监测三个TPS模件上的每一个输出。 2.7 在线试验 ETSI公司的保护集成块的设计容许每一个电磁阀作在线试验并在试验进行中维持所有保护功能。所有试验逻辑存于多功能处理器中而与模件及端子单元独立。在试验进行中，模件组态不会被多功能处理器中的试验逻辑改变。保护功能不被禁止并会在需要时操作。端子单元用三选二的方法来激励全部四个输出继电器。如果只接收一个保护讯号，便只会激励一个继电器。被激励的继电器由模件至端子单元的电缆安排决定。1号继电器由连接至端子单元上的P1的模件负责测试。连接至 P2的模件测试2号继电器。连接至 P3的模件测试3号继电器。4号继电器由连接至端子单元上保护功能(OSPP1，EHCP2，TRIPP3)的接头之模件负责。多功能处理器使用与模件有关的 “测试4号继电器” 数字输出块参数来操作4号继电器。 为试验某一保护功能及有关的现场设备，多功能处理器的逻辑会利用一个数字输出块把一块模件上的输出强制启动。只有接收到才此命令的模件才会作出反应，所以只有一个继电器会被激励。 2.8 机械超速试验 当机械超速设备需要测试时，操作员通过多功能处理器发送一数字命令至三个模件以停止超速保护OSP功能(包括至多功能处理器的信号)并把正常高压遮断低压遮断设定值提高百分之5。把超速保护功能停止可以让汽机转速增加至机械跳机设定值。把高压遮断低压遮断设定值提高可保证汽机是靠机械超速设备跳机而不是靠汽机电子超速保护系统。把设定值提高百分的5而不取消跳机功能可以在机械超速试验时保留一个后备超速保护。 2.9 高压遮断超速试验 当高压遮断系统需要测试时，操作员通过多功能处理器发送一数字命令至三个模件以停止超速保护OSP功能(包括至多功能处理器之讯号)并把正常高压遮断低压遮断设定值减低百分之5。把超速保护功能停止可以让汽机转速增加至高压遮断低压遮断设定值。 高压遮断低压遮断设定值减低可保证汽机是靠汽机电子超速保护系统跳机而不是靠机械超速设备。 2.10 功率不平衡 功率不平衡(PLI)是指当机械输入功率与汽轮发电机电能输出出现不相等的情况。汽机超速保护关注的是当汽机机械输入功率大于发电机输出电能的状况，所以这说明书提及的功率不平衡是指这种状况并由以下公式演译： 功率不平衡(百份比)= 机械功率(输入)- 电负荷(输出) 当送到汽机的机械功率超过发电机电负荷时，汽机便会增加转速。如果发电机已并网，机组的功率便会增加(若未并网便会增加频率)。操作员用这原理开启输送蒸汽至汽轮机的阀门以增加机组所载带的负荷。增加蒸汽的流量令送至汽机之机械功率相应增加而最终令电输出功率提高。虽然轻微的功率不平衡属于正常，但大幅度之不平衡是会引起问题。最严重的是发电机油开关下游的输变站开关跳脱而引起汽机满载甩负荷。因为发电机油开关仍然闭合，汽机一般是不会跳闸。当发电机失去电能输出而大量的机械功率仍往汽机供送，汽机的转速会急剧增加。功率不平衡情况极严重而若容许汽机加速至正常超速跳脱设定值的话，汽机的加速率会变得极大以至快关阀门也不一定能及时保护汽机免受损害。为了应付这情况，汽机的蒸汽阀必需在大幅度的功率不平衡被察觉后尽快关闭。在这保护功能情况下，只有中压调阀会快速关闭 。 TPS02汽机保护模件采用功率及中压缸排汽压力按照以下的公式去决定功率不平衡情况是否存在： 功率不平衡(百分比)= 中压缸排汽压力(额定压力之百分比)- 发电机负荷(额定负荷之百分比) 假若发电机油开关仍然闭合而发电机负荷相对中排压力突然下 跌，模件便认为这便是功率不平衡现象。因为TPS模件本身有高速处理器并且不需要等候与Infi90的通讯，这不平衡状态可在10毫秒之内被察觉并且可在另外的不到10毫秒之内引发功率不平衡PLI 保护功能，令整个不平衡保护功能的反应时间(至输出继电器)少于20毫秒。 一旦激励后功率不平衡保护输出会保持至不平衡情况消失后1至10秒之久。这延时由用户于模件组态时决定。端子单元上有两个 PLI继电器输出以供有多个中压调门的机组所用。每个输出容量为2A。端子单元监示三块TPS模件的每一块的PLI输出并以三选二的逻辑以决定激励这两个继电器。！小心注意 ！在整定功率不平衡PLI功能时必需考虑电厂之操作因为在高负荷水平内中压调阀长期保持关闭的话中压主汽阀会极可能打开3.0端子单元功能说明3.1 概述 TPS端子单元是一块印刷电路板。它面积占四块标准Infi90终端单元的空间。它以14个电机械继电器与现场输出设备接口。单元上的开关选择及选择器供整定现场输出及输入之用。端子单元利用三根标准的Infi90 NKTU01电缆与三块TPS模件连接。图6.端子单元输入/输出Expander Bus 扩展总线 TPS02 Module 汽机保护模件 Cable 电缆 Reset 复位