新海发电公司200MW汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施.doc

南京理工大学 硕士学位论文新海发电公司200MW汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实 施 姓名：吴江 申请学位级别：硕士 专业：工业工程 指导教师：陈杰盖新华 20061129 摘要 汽轮发电机组机械超速危急遮断系统一直被称为机组超速保护的最后屏障，但因润滑油系统油中带水、机械杂质油液等对机械超速危急遮断系统部件朽染造成的锈蚀、卡涩隐患和不科学的试验方法，使超速保护的试验过程充满风险。为了适应益增长的安全、可靠、高效的电力生产要求，有必要对机械超速危急遮断系统进行现代化改造。本文较全面地论述了以电子超速保护装置替代机械危急遮断系统改造的原因、方案和内容，并对改造过程中出现问题的原因进行了分析，得出了对国产汽轮机机械超速危急遮断系统进行现代化改造可行的结论。关键词：汽轮机超速保护改造 ， 、吲） ， ， ， 吐 ， 甜 ， 弘删叩： ； 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。研究生签名： ：乏主兰 ）户莎年，月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 差 三 如年，月日 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施 绪 论课题背景与研究目的 超速保护系统是保障汽轮机运行安全、避免超速毁机灾难性事故发生的安全屏障。随着电力技术进步，汽轮机发电机组的超速保护系统由早期的纯机械型发展为机械、电气型，并进一步发展为先进的电子、数字型，同时增设了基于微处理器的数字型超速保护控制（）和自动停机遮断（）两项超速保护功能，极大地改善了调节系统的调节品质，系统的工作稳定性、可靠性和安全性也有了很大提高。然而，作为机组超速保护一道重要屏障的机械超速危急遮断系统仍然被保留了下来，并且继续与润滑系统共用油源，其固有不足继续困扰着发电厂的安全运行。存在的问题突出地表现为下列几个方面： （）检测极不方便，费时、费力且充满风险。 机械液压超速保护系统是由离心式超速危急保安器、危急遮断错油门等组成。在国产汽轮机调节系统中，如果机械超速危急保安器的动作值大于自动停机遮断的动作值，在进行机械超速危急遮断系统动作转速检测和调试时，必须在其它超速保护装置全部解除情况下将机组缓慢升至危急保安器的动作转速。如果试验时蒸汽参数较高、试验操作升速速率过快，超速危急遮断器或危急遮断一旦存在故障，很容易引发超速，乃至发生毁机恶性事故。据美国保险公司统计【】，汽轮发电机组发生超速毁机恶性事故，发生于超速试验中。我国两台国产机组超速毁机也都发生于超速试验中，还有多台小型机组飞车恶性事故也都发生于超速试验中。众所周知，机组旋转部件的离心应力与转速的平方成正比，为避免机组旋转部件长时间在高离心应力下工作，则要求试验升速时升速率尽可能大些，但这有可能引发机组超速失控；为了防止超速失控而缓慢升速，旋转部件在高离心应力下运行时间就要加长。可见超速试验是在避免高离心力和防止超速失控的矛盾状态下进行的。因此，超速试验往往是一种非常麻烦并且极具风险的试验。 （）油液污染严重影响着机械超速危急遮断系统的工作可靠性。 国产机组轴封系统的蒸汽泄漏问题仍然是十分棘手的难题，由此产生的润滑油系统油中带水、机械杂质等油液污染，对机械超速危急遮断系统部件产生锈蚀、卡涩，很多机组在进行检修后的超速试验中，曾多次发生挂闸电磁阀卡涩和机械超速危急遮断系统拒动故障，既影响了正常生产和增加了调试费用，又留下了巨大的安全 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施 隐患。 ）系统复杂、在线试验检测不完整、固有可靠性差。 国产汽轮机机械超速危急遮断系统的在线喷油试验仅能检测超速危急保 安器，而受油液污染最为严重的危急遮断错油门得不到活动和检测，潜在不安全隐患 较大。国产汽轮机的测速齿轮位于主油泵小轴上，主油泵小轴与高压转子间 齿形联轴器磨损、断裂，将使转速控制失去信号，有可能引发超速毁机事故。 国产机组现存机械超速危急遮断系统存在着固有不足，超速试验中隐藏 着巨大的安全风险和经济损失，严重威胁着机组的安全运行和影响着机组运行的经济 性。为适应益增长的安全、可靠、高效的电力生产要求，必须正确理解和认识国外 机组先进的设计理?睿黄葡中蟹婧蜕杓乒娣吨秃笥诩际醴沟氖浚堑胤?和选择技术先进、工作可靠、工程实用、维修试验便捷的电子超速保护系统。本研究 课题拟在广泛调研国外汽轮机超速保护系统先进设计思想和典型系统基础上，针对国 产汽轮机现存超速保护系统的具体结构，提出简化系统、增强系统固有工作 可靠性、试验检测灵活、维护维修方便、智能化水平高的超速保护系统改造方案，通 过建立数学模型研究系统改造前后可靠性的变化，由现场改造、调试验证改造方案的 正确、实用性。 国内外技术现状与发展趋势 汽轮机超速保护的设计技术是伴随单机容量增大、科学技术进步而发展起来 的。早期的汽轮机采用机械液压调节系统，其超速保护主要采用飞锤或飞环式机一械液压超速危急遮断系统，为提高超速保护的可靠性，设置套系统平行工作。 随着机组单机容量增大，为防止甩负荷工况下机组严重超速，国外于上世纪六、七十年代引入超速预警控制设计思想，在机械液压调节系统和模拟电液控制系统中，加入了主变开关电气控制信号，通过电超速保护电磁阀泄放危急遮断油压，当机组甩负荷时转子的转速还没有充分飞升就快速关闭调节汽门，抑制转速飞升。 长期来，人们对机械超速危急遮断系统的安全性、可靠性深为担忧，国内外大型机组超速试验中多次发生毁机事故，使人们对超速试验心有余悸，迫切地要求变革汽轮机超速系统的设计。上世纪八十年代中后期，计算机技术的快速发展，从根本上改变了汽轮机控制系统的设计，数字电液控制系统在汽轮机上得到普及 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施应用，对机组的超速保护形成了预警控制、多层保护、冗余设置的设计模式。基于先进的电子技术和微处理器技术，开发出双电源供电、“取”表决冗余、“故障一安全”的电子超速保护系统【，并在机组上得到应用。电子保护系统没有机械保护系统那些复杂的机械部件和管路，尤其是采用“取”。冗余设计，使电子超速保护系统的误动率和拒动率得到最优平衡，并且在机组运行中可对个通道逐一进行在线测试，运行人员能随时了解、掌握其工作状态，且在机组运行中能在线更换部件或卡件，及时消除故障和隐患。机械超速危急遮断系统与电子超速保护系统相比，在在线检测、试验风险和试验费用等方面存在明显不足，对它继续存在的必要性已经受到置疑。【】中指出，国际上很有权威的标准，如美国石油协会（ ）标准 ，要求汽轮机的超速保护系统用具有“取”表决冗余的电子式，而不是机械式。因此，率先取消传统的机械超速危急遮断系统已成为公司 、公司 和汽轮机超速保护的首选设计。美国和、德国和?埃钡裙疚只腿计只派杓啤说缱超速监测与遮断保护系统，为大型汽轮发电机组不再设置机械超速危急遮断器创造条件。因此，用电子数字式超速保护系统替代机械超速保护系统，成为未来汽轮机超速保护系统设计的发展主流。 国内在提高汽轮机超速保护系统的可靠性和现代化改造方面近五年也取得重大进展，华能福州、山西阳城、河北邯峰、山东日照等发电厂引进机组中，接受了公司不设机械超速危急遮断器的先进设计，开创了大型机组超速保护系统采用现代电子技术的先河。辽宁阜新发电厂发生超速毁机事故后，国家电力公司在二十五项反措中，对具有小轴连接的系统提出了必须设置处测速传感器的严格要求，以杜绝小轴连接部分断裂引发超速毁机事故的发生。山东省电力公司在日照发电厂引进 机组投运后。召开了超速保护系统和润滑供油系统现代化改造现场会，推广机组不设机械超速危急遮断器和主轴驱动主油泵的新技术，并在黄岛、黄台等发电厂的机组作技术推广。研究目的和内容 本文针对江苏新海发电有限公司二台国产汽轮机调节系统现代化改造后，保留的机械超速危急遮断系统存在的工作可靠性差、挂闸电磁阀故障率高南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施等问题，广泛调研国外汽轮机超速保护系统先进设计思想和先进设计技术，深入分析国外先进超速保护系统的技术特点，基于现有数字电液控制系统的电液控制圆路设备，按汽轮机超速保护系统设置套独立系统并行工作的设计规范和贯彻、落实国家电力公司二十五项反措要求，对现有机械超速危急遮断系统作彻底的现代化改造，消除调节系统数字电液控制系统改造中遗留的超速保护不协调部分，达到简化系统、增强超速保护的可靠性和机组运行的安全性、提高超速保护系统试验的便捷性和降低超速试验的风险性、提升超速保护系统的智能化水平的目的。 本文工作包括下列主要方面： ）综述课题背景和国内外技术现状。 ）国内外汽轮发电机组超速保护系统分析 ）国产机组超速保护系统现代化改造设计 ）国产机组超速保护系统改造的现场调试 ）总结和展望 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施 汽轮发电机组超速保护系统技术分析与评价引言 由于超速保护系统对于汽轮机来说至关重要，国内外的专家投入了大量的精力进行研究，目前国内外大型汽轮发电机组的超速保护目前主要有三种形式：机械液压超速保护、数字液压超速保护、电子超速保护。为了寻求最佳超速保护方式，本章对这三种主流方式的技术特点进行分析与评价，为方案设计提供决策依据。机械液压调节系统的超速保护技术特点 汽轮机机械超逮保护原理性组成如图所示，由机械超速危急保安器（或称超速危急遮断器）、危急遮断错油（危急遮断滑阀）、隔膜阅等主要部件组成。机械超速保安器感受转子的转速，危急遮断错油门为执行机构，在超速事故发生时，机械超速保安器的飞锤或飞环击打危急遮断错油门，使其遮断安全油路，通过隔膜阀泄放油压，快速关闭主汽门及调节汽门。 图机械液压调节系统的超速保护工作原理 国产机组的机械超速危急保安器，有飞锤和飞环式两种，其结构如图所示。在汽轮机轴端径向安装的偏心体，飞锤或飞环，被弹簧的预紧力就位在塞头或套 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施筒的端面上。偏心体随机组主轴一同旋转，其离心力与转速的平方成正比。当转速超过某一转速吼时，离心力大于弹簧拉力，偏心体就会在离心力的作用下快速飞出，撞击在危急遮断错油门的门杆上，使危急遮断错油门动作。通常称。为超速危急保安器的动作转速或遮断转速。 在偏心体飞出，保护系统动作后，机组转速下降，偏心体的离心力减小，当机组转速降至小于另一转速嘶时，离心力小于弹簧力，使偏心体快速复位。通常称嘶为复位转速。 簧 图飞锤和飞环式机械超速危急保安器 图给出了机械超速危急保安器动作与复位过程中离心力与弹簧力的变化关系。很明显，动作转速。高于复位转速，两者差值的大小正比于弹簧预紧力的压缩长度与偏心距的差值。为使机组能可靠地停机，通常要求复位转速不要太高，但也不宜太低，一般要求复位转速高于机组的额定转速，这样在 复位转速 动作转速转速降速到额定转速前系统就能复 图超速危急保安器的动作转速与复位转速 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施 位，以便机组排除故障后尽快带负荷运行。 。 一 机械超速保护系统的油系统，采用的是与润滑油主油泵相连接的油系统。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，引人超速保护试验滑阀，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，遮断系统处于等待备用状态。 机械超速危急保安器的动作转速一般为额定转速的一。在机组超速且达到动作转速时，飞锤在离心力作用下克服弹簧力的约束迅速飞出，撞击在脱扣碰钩上，使其绕短轴旋转，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。 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，当飞锤复位以后，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。 对于小型汽轮机，仅设套并行工作的机械超速危急遮断器（又称危急遮断器）及对应的危急遮断错油门，在机组甩负荷后。先由调节系统感受转速飞升关闭调门，当调节系统不能使飞升转速控制在危急遮断器动作转速以下时，机械超速危急遮断器动作，泄放安全油，快速关闭主汽门和调节汽门。 机组容量的增大，甩负荷后转速飞升更为严重；对于大、中型汽轮发电机组，除设有套机械超速危急遮断器外，增设了具有超速预警控制功能的超速保护电磁阀，只要机组在额定功率以上运行时，一旦从电网解列，超速电磁阀通电动作，泄放油动机错油门的控制油，快速关闭调节汽门，从而使机组甩全负荷后的最高飞升控制在额定转速之内。 对国产机组，调节保护系统中还设有附加超速保护滑阀，根据转速感受机构产生的油压（或位移）信号工作，附加超速保护通常在额定转速时动作，泄放安全油压，关闭主汽门和调节汽门。 南京理工大学硕士学位论文 新海发电公司汽轮机超速保护系统技术改造方案设计与实施 数字电液控制系统的超速保护技术特点 数字电液控制的超速危急遮断系统，由于各制造厂秉承自己的设计传统和对 超速安全控制的不同考虑，系统的结构和保护控制的内容差异较大，但都遵循预 警控制、超速遮断、多重冗余、失电动作“故障一安全（）”的超速危 急保护现代设计理念。国外采用数字电液控制系统的汽轮机，凡保留机械超速危 急遮断的超速保护系统，均仅设套机械超速危急遮断器及对应的液压执行机构。 、模式 在和公司的数字电液控制系统中，超速危急遮断分别设有超速保护控制（或）和自动停机遮断（或）两条安全油路，用于超速预警控制和超速遮断保护。 在超速遮断系统（见图）中，设有个并行工作（即“取”冗余）的（ ）电磁阀，来实施超速保护控制和甩负荷预测二大控制功能。当机组转速超过额定转速或甩负荷（主变开关跳闸）且机械功率大于额定值时，电磁阀通电动作，快速泄放油路的安全油压，调门油动机快速动作关闭调门。此外，还设有中压调门快关电磁阀，在机组甩部分负荷时快速关闭中压调门，减小中低压缸的功率输出，抑制转速上升，待线路故障排除后恢复正常带负荷运行。中压调门快关是为保证电网稳定服务的，但在国产汽轮机调节系统中大多没有选用这项功能。一般的系统中，设有个危急遮断通道和个失电动作的电磁阀（两两并联后串联），个转速传感器信号经中值选择后与自动停机遮断设定值额定转速作比较，当大于遮断值时向个危急遮断通道发出停机遮断信号，电磁阀失电动作，快速关闭主汽门和调门，即使在控制系统事故失电时，也能保护机组安全停机，故称此设计为“故障一安全（）”。 在 （涮妈湾发电厂、样机）数字电液控制系统中，超速保护控制和机械超速危急遮断系统与