北重—阿爾斯通汽輪機調節保安系統與國內常規汽輪機系統特性差異分析與總結

李斐+朱理強+李振

【摘 要】調節保安系統是保證汽輪機安全可靠穩定運行的重要組成部分，是高壓抗燃油數字電液控制系統（DEH）的執行機構，可接受DEH的指令完成機組掛閘、汽閥調節及遮斷機組，其中調節保安系統包含供油系統、液壓伺服系統、高壓遮斷系統和低壓保安系統等組成部分。本文通過介紹北重-阿爾斯通汽輪機及常規汽輪機調節保安系統的特性與差異點，總結了其調節保安系統設計的優劣點，為調節保安系統優化提供了一定借鑒意義。

【關鍵詞】北重-阿爾斯通；調節保安

中圖分類號： TK269 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0005-003

Analysis and Summary of the Differences between the Characteristics of North Berk-Alstom Turbine Regulating and Security System and Domestic Conventional Turbine Systems

LI Fei ZHU Li-qiang LI Zhen

（East China Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， China National Energy Construction Group， Hangzhou 311200， China）

【Abstract】Regulating the security system is an important part to ensure the safe and reliable operation of the steam turbine. It is the executive body of the high-pressure anti-fuel digital electro-hydraulic control system （DEH） and can accept DEH commands to complete the unit lockout， Which adjust the security system includes oil supply system， hydraulic servo system， high-voltage interrupting system and low-voltage security system and other components. This paper introduces the characteristics and differences of the security system of the North-Alstom turbine and the conventional steam turbine， summarizes the advantages and disadvantages of its regulation of the security system design， and provides some reference for adjusting the security system optimization.

【Key words】North heavy-Alstom； Regulate security

0 引言

北重-阿爾斯通汽輪機調節保安系統采用了阿爾斯通的設計理念，與國內常規的汽輪機調節保安系統存在一定差異，本文介紹了常規汽輪機調節保安系統的組成部分與特點，提出了北重-阿爾斯通汽輪機調節保安系統的特性及與常規系統之間的差異點，并對這些差異點做出一定的研究分析，總結了其系統的優劣點，為調節保安系統優化提供了一定借鑒意義。

1 常規系統介紹

1.1 常規供油系統介紹

由于汽輪機的蒸汽參數高，蒸汽作用在主汽門和調節閥上的力很大，開啟閥門所需的提升力也很大，因此必須提高壓力油的油壓以增加油動機的提升力，減小油動機尺寸，改善調節動態特性。但壓力油油壓提高（目前大部分為14MPa左右），泄漏的可能性增大，容易引起火災。所以，多數大型機組的調節系統采用高壓抗燃油。高壓抗燃油是三芳基磷酸脂型的合成油，具有良好的抗燃性能和穩定性，因而在事故情況下若有高壓動力油泄漏到高溫部件上時，發生火災的可能性大大降低。但由于高壓抗燃油潤滑性能差，且有一定的毒性和腐蝕性，不宜在潤滑系統內使用，因而分別設置控制油和潤滑油的供油系統。調節保安系統供油一般由單獨布置的EH供油裝置提供。

1.2 常規伺服機構介紹

常規液壓機構分為開關型執行機構和伺服型執行機構，執行機構由高壓油的液壓力打開，通過彈簧緊力控制關閉。主汽門一般采用開關型的執行機構，不具備調節功能，在安全油壓建立后直接引入高壓油進入油動機下腔室克服彈簧力打開，在安全油壓失去時通過快速卸載閥將油動機下腔室內的油壓泄去，汽門在彈簧力作用下快速關閉；調節汽閥則一般采用伺服執行機構控制實現開度調節，其控制原理為：電液伺服閥是由一個電力矩馬達以及帶有機械反饋的二級液壓功率放大所組成（如圖1所示）。第一級是由一個雙噴嘴及一個單擋板組成，此擋板固定在銜鐵的中點，并且在二個噴嘴之間穿過，使在噴嘴的端部與擋板之間形成了二個可變的節流間隙。由擋板及噴嘴控制的油壓作用在第二級滑閥兩端的端面上。第二級滑閥是四通滑閥結構，在這種結構中，在相同的壓差下，滑閥的輸出流量與滑閥開口成正比。一個懸臂反饋針固定在銜鐵上，穿過擋板嵌入滑閥中心的一個槽內。在零位位置，擋板對流過二個噴嘴的油流的節流相同，因此就不存在引起滑閥位移的壓差。當有信號作用在力矩馬達上時，銜鐵及擋板就會偏向某一個噴嘴，使得滑閥兩端的油壓不同，從而推動滑閥移動，使高壓油進入油缸高壓腔或將油缸高壓腔中的高壓油泄放至回油，以控制高壓油通向油動機活塞下腔，克服彈簧力打開汽閥（或將活塞下腔通向回油，使油泄去），同時設置了反饋彈簧并在伺服閥調整時設有一定的機械零偏，增加了可靠性即使斷電或失去電信號時，借機械零偏使滑閥偏移一側，使伺服閥主閥芯負偏，關閉汽門。endprint

1.3 常規高壓遮斷模塊介紹

高壓遮斷模塊由6只電磁閥（其中4只AST電磁閥，2只OPC電磁閥）、2個節流孔、2只單向閥等組件組成。主汽門油動機和再熱主汽門油動機的安全油管與危急遮斷（AST）油總管相通，調節汽閥油動機和再熱調節汽閥油動機的安全油管與超速保護（OPC）油總管相通。AST母管與OPC母管均通入危急遮斷控制塊，在危急遮斷控制塊內，AST 母管與OPC母管之間布置了單向閥，方向為OPC 向AST可通，反向逆止，這樣可以在超速保護動作時只泄去OPC油壓而保持AST 油壓，而在泄去AST油壓（如停機）時，OPC油壓自動泄去，不必動作相關的OPC 電磁閥。系統布置示意圖如圖2所示。

4只AST電磁閥設計為任一電磁閥誤動都不會造成機組跳閘，分為兩個通道：通道1包括AST1與AST3，而通道2則包括AST2與AST4。每一通道由在危急遮斷系統控制柜中各自的繼電器保持供電。危急遮斷系統的作用為，在傳感器指明汽輪機的任一變量處于遮斷水平時，打開所有的AST 電磁閥，以遮斷機組。系統設計成在任一電磁閥故障拒動時，不會影響系統功能。遮斷汽輪機需要兩個通道同時動作。如果發生一偶然性遮斷事故，至少在每一通道中有一AST 電磁閥應動作，才能遮斷汽輪機。每一通道可以分開地在汽輪機運行時作試驗而不會產生遮斷或在實際需要遮斷時拒動。在試驗時，通道的電源是隔離的，所以一次只能試驗一個通道。系統中提供兩個OPC電磁閥，作為雙重保護，以防止一只閥失效，而使OPC控制失效，為機組留下超速隱患。

1.3 常規低壓保安系統介紹

1.3.1 不帶隔膜閥的低壓保安系統

低壓保安系統的作用主要是實現機組掛閘和機組遮斷，由危急遮斷器、危急遮斷裝置、危急遮斷裝置連桿、手動停機機構、復位試驗閥組、機械停機電磁鐵等組成，見圖3。復位試驗閥組的作用為將潤滑油引入危急遮斷裝置活塞側腔室，使活塞上行到上止點，使危急遮斷裝置的撐鉤復位，通過危急遮斷裝置連桿的杠桿將遮斷隔離閥組件的機械遮斷閥復位，將高壓安全油的排油口封住，建立高壓安全油，實現機組掛閘。危急遮斷器是機組超速最后一道保護，在轉速達到額定轉速10-12%（即3300-3360轉/分）時，危急遮斷器飛環自動擊出，打擊危急遮斷器裝置的撐鉤，使危急遮斷器裝置撐鉤脫扣，通過機械遮斷機構使遮斷隔離閥組的機械遮斷閥動作，泄掉高壓保安油，快速關閉各進汽閥，遮斷機組進汽。手動停機機構和停機電磁鐵為機組提供緊急狀態下遮斷機組的手段，兩者都能通過機械遮斷機構的連桿使危急遮斷裝置的撐鉤脫扣，遮斷機組進汽，是機組遮斷的冗余保護裝置。

1.3.2 帶隔膜閥的低壓保安系統

帶隔膜閥的低壓保安系統可大致分為低壓安全油供油系統、危急遮斷器、超速遮斷機構、超速遮斷閥復位裝置、超速遮斷機構校驗裝置和綜合安全裝置等主要部分。超速遮斷閥復位裝置用于遙控復位超速遮斷滑閥，由一個2位4通電磁閥控制，超速遮斷滑閥需要復位時，給電磁閥通電，氣缸活塞升出推動復位手柄使超速遮斷滑閥復位實現機組掛閘，其危急遮斷器部分工作原理相同，也同樣具有手動打閘裝置。低壓安全油供油系統借用機組主油泵（潤滑油泵）出口高壓油源經節流減壓和溢流閥穩壓形成低壓安全油壓，使隔膜閥關閉建立AST油壓；當低壓安全油壓力消失時，隔膜閥打開，AST油壓隨之消失，汽機遮斷。

2 北重-阿爾斯通汽輪機調節保安系統特點介紹

2.1 供油系統特點：調節保安供油裝置與潤滑油箱合體布置

北重-阿爾斯通調節保安供油系統油源與傳統采用抗燃油不同，采用透平油作為控制油油源，與主機潤滑油箱合體布置，控制油泵與潤滑油泵共同布置于潤滑油箱上，泵進油口取自油箱內不同的腔室，油質要求為ISO4406-/16/13等級（即NASA7級左右），該設計使系統的布置更為集中，易發現試運過程中的問題，同時相對抗燃油一般油質要求為5級，更低的油質要求也減少了油沖洗的時耗，其控制油與安全油壓為4MPa，壓力比國內常見的系統更低，這也是其供油系統能采用透平油的原因，油壓的降低減小了供油系統發生泄漏的可能性，但由于潤滑油不具備抗燃特性，在系統泄漏或火災等危急情況下存在事故擴大的可能性。

2.2 伺服機構特點：控制油管路增加卸荷閥，減少閥門正常關閉時間

伺服執行機構采用MOOG閥，型號為D639/NG10（3閥位），油動機控制系統由伺服閥及其先導閥、控制油卸荷閥及油管路組成，具體流程示意見下圖。在安全油壓正常情況下，當閥門指令開時，比例閥閥位動作導致進油管路打通引起先導閥閥位改變，在控制油卸荷閥處建立油壓同時進油至油動機腔室實現閥門動作；當閥門指令關時，先導閥下腔室進油，接通控制油回油在卸荷閥作用下控制油壓將很快下降，該設計使得調閥在正常動作時能迅速相應調節，閥門正常關閉時間能達到300ms以內，因此取消了OPC油、OPC電磁閥及OPC功能，轉速調節全部依靠調閥完成。

2.3 保安系統特點：無機械超速保護，AST電磁閥3取2保護

北重-阿爾斯通汽輪機調節保安系統取消了機械超速遮斷模塊和手動打閘裝置，保安系統與高壓遮斷模塊集成為一個模塊，由3個AST電磁閥、順序閥、卸載閥等組成，所有的跳閘都是由三跳閘通道設計的汽輪機電子保護裝置來實現，三個跳閘通道通過三個AST電磁閥失電動作。主機掛閘時，三個AST電磁閥得電后控制油通過節流孔進入系統，在順序閥腔室內形成油壓推動順序閥移動，順序閥共4個閥位對應系統注油的4個過程，注油過程中安全油壓將隨著順序閥閥位變化緩慢建立，最終安全油壓為4MPa；當AST電磁閥失電時，安全油回油管路將被打通，當一個AST電磁閥失電時，順序閥將動作但仍可維持安全油壓，當兩個AST電磁閥同時失電時，回油量過大將導致安全油失壓。該設計未采用常規雙冗余AST電磁閥設計，僅僅采用了AST電磁閥的單冗余設計，從機組的安全性上考慮，在危急情況下不如多冗余設計可靠。

3 總結

北重-阿爾斯通汽輪機調節保安系統相比國內常規的汽輪機系統顯得更加的精簡，為調節保安系統優化提供了一定的思路與方法，設計采用更低的安全油壓（4MPa），通過采用透平油做油源減少了供油系統的布置，取消了OPC保護系統、就地打閘裝置、機械遮斷裝置等，最大限度的減少了就地的設備布置，所有的遮斷保護全部依靠電氣系統與AST電磁閥實現，其AST電磁閥采取單冗余保護設置，安全性上沒有常規系統的雙冗余設置可靠。

【參考文獻】

[1]陳忠，楊自強，李亞軍.北重330MW汽輪機“機械危急遮斷系統”改造探討，中國科協2004年學術會電力分會場暨中國電機工程學會2003年學術年會論文集.

[2]郭繼玉.330MW機組危急遮斷裝置存在的問題分析及對策.科技專論，2011.33（4）：49-51.

[3]北重-阿爾斯通汽輪機說明書.endprint