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1、热工保护系统,李吉中,热工保护,热工保护属开关量控制技术范畴，指机组在启停和运行过程中，若出现异常情况和危险工况，发生可能危及设备和人身安全的故障时，能根据故障的情况和性质，自动地采取措施，对个别的或一系列设备进行操作处理，以消除异常和防止事故扩大的一系列动作。热工保护是一种自动控制手段，它以保证某一参数在限制的范围内或某一设备符合安全运行的条件为前提，监视运行过程。一旦参数越限或设备安全运行的条件被破坏，则产生预定的动作，以避免造成设备损坏和人身伤亡事故，是处理事故的最后手段。保护项目应根据工艺系统和有关设备的特点、安全运行要求以及有关自动化设备的配置情况和技术性能等确定。凡属威胁锅炉和汽轮
2、机安全运行或人身安全的越限参数及异常情况，都需设置热工保护。对单元制机组的热工保护设计，应将锅炉、汽轮机、发电机以及除氧器、给水泵等设备视为一有机整体来考虑。一般设置的热工保护有以下四方面的内容：(1)锅炉热工保护。(2)汽轮机热工保护。(3)辅机联锁保护。(4)单元机组的热工保护。,热工保护系统的组成,热工保护系统一般由输入信号单元、逻辑处理回路以及执行机构等组成。热工保护可分为两级保护，即事故处理回路和事故跳闸回路的保护。例如汽轮机润滑油压低时，依次启动交、直流润滑油泵，此时事故处理的目的是维持机组继续运行。但是，当事故处理回路或其它自动控制系统处理事故无效，致使机组设备处于危险工况下，或
3、者这些自动控制系统本身失灵而无法处理事故时，只能被迫跳闸处理使机组的局部退出工作或整套机组停止运行。跳闸处理的目的是防止机组产生机毁人亡的恶性事故，所以跳闸处理是热工保护最极端的保护手段。,基本逻辑电路,根据这三种逻辑控制电路可以组成各种热工保护回路，实现各种控制功能。,保护信号的摄取方法,热工保护系统能否可靠动作，先决条件是摄取的保护信号是否真实可靠。如果输入信号不能正确反映被监视的参数或设备状态，热工保护系统就无法正常地动作。单一信号法 单一信号法是指用单个检测元件组成信号单元的方法。结构简单，但可靠性差，由此产生了以下几种信号摄取法：串联、并联、三取二及其它信号摄取法。信号串联法 为了减
4、少信号单元的误动作率，将反映同一故障的检测元件信号进行串联。例如汽轮机轴向位移保护中将两个安装于同一位置的轴向位移探头信号进行串联，减少误动作率，但同时信号单元的拒动作率比单一信号时增加了近一倍。因此，信号串联法只适用于特别强调减小保护系统的误动作率，而对拒动作率要求不高的场合。信号并联法 为了减少保护拒动作率，将几个检测元件输出信号并联。因而只要有一个检测元件能正常工作，信号单元就能正常工作。或者说，只有当所有检测元件都拒动作时，信号单元才发生拒动作。例如，在高加保护中，为了防止高压加热器水位过高而引起汽轮机进水，将两个高加水位信号并联成一个高加水位信号，只要有一个水位过高时，即将高加切除。
5、拒动作率大大下降，而误动作率却增加了近一倍。所以信号并联法只能用于要求拒动作率小，而对误动作率要求不高的场合。在实际应用中，为了提高重要参数的准确度和保护系统的可靠性，普遍采用了信号多重化摄取法如“三取二”、“串、并混联”、“二取大”、“二取均”、“三取中”、“三取均”、“四取三”等信号摄取法。这些多重化摄取法，虽然增加了变送器的数量，增加了投资，但对提高测量准确度、增加系统的可靠性等方面是很有必要的。,热工保护的技术,保护常用的控制手段称为联锁的控制技术。所谓联锁是指机器许可、禁止等的约束条件。它是利用被控对象之间存在的简单逻辑关系，使这些对象的动作关系相互牵连，形成联锁反应，从而实现自动保
6、护的一种控制方式。具体地说，就是当某种操作或状态完成之前，不允许有别的操作或状态进入。联锁控制分闭锁控制和联动控制两种方式。甲动作是乙动作的必要条件，则这种关系为闭锁关系。甲动作是乙动作的充分条件，则这种关系为联动关系。例如：引风机未运行时，则送风机、给煤机、磨煤机等相继不允许启动。这种控制关系称闭锁控制。汽轮机润滑油压低时，自动启动交流油泵，油压继续降低时，启动直流油泵，停止交流油泵的运行等。这种控制关系称联动控制。,热工保护系统的特点,保护系统有确定合理的动作。为了设计出合理的保护系统，必须结合具体机组，深入分析主辅设备的结构、技术特征以及机组的运行方式，并根据动作实现的可能性确定保护系统
7、的动作。保护系统检测元件的可靠性应极高。为了达到这一点，保护系统一般应选用转换环节少、结构简单而工作可靠的开关量变送器，如各种行程开关、压力开关、温度开关、流量开关等。保护系统的检测信号应采用专门独立的传感器，不得与其他自动化系统公用。对重要的保护项目，其输入信号可采用多重化处理，如“串、并联”、“三取二”等优选回路。保护系统一般是长信号，能满足并保持到被控对象完成规定的动作要求。保护系统的操作指令应为最优先的操作指令。当保护系统发出的操作指令与该系统本身的自动操作指令或人工操作指令发生矛盾时，必须立即终止其他操作指令而按照保护系统的指令操作，保护系统的指令不受操作人员的控制。,任何时候保护系
8、统都能独立地进行控制，而不受其他自动化系统投入与否的影响。为保证保护装置有最高的可靠性，在装置控制电路中要大量使用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰、冗余技术等提高可靠性的措施。保护装置的电源大多采用直流蓄电池作为主电源，而把交流不中断电源作为后备电源。保护装置应有完善的试验手段。试验范围包括从信号检测直至执行指令的执行结果。试验功能应能保证在机组运行过程中在线进行，而又不影响机组的安全运行。保护装置应设置检修切换开关。在自动保护系统本身(如检测元件、控制装置或执行机构等)出现故障时，保护系统能从“投入”位置切换到“解列”位置，以便进行检修。当机组出现异常时，要求保护系统能迅速正确动作，必须消除在异常情
9、况下可能出现的拒动作和误动作，从拒动作和误动作的后果考虑拒动作比误动作所造成的损失要严重。保护系统在设计时必须最大限度地消除可能出现的误动作和完全消除可能出现的拒动作。,保护要满足下列要求,热工保护系统的设计应有防止误动作和拒动作的措施，保护系统电源中断或恢复不会发出误动作指令。热工保护系统应遵守下列“独立性”原则。1)炉、机跳闸保护系统的逻辑控制器应单独冗余设置。2)保护系统应有独立的I/O通道，并有电隔离措施。3)冗余的I/O信号应通过不同的I/O模件引入。4)触发机组跳闸的保护信号的开关量仪表和变送器应单独设置；当确有困难而需与其他系统合用时，其信号应先进入保护系统。5)机组跳闸命令不应
10、通过通信总线传送。在控制台上必须设置的按钮，应直接接至停炉、停机的驱动回路。停炉、停机保护动作的原因应设事件顺序记录。单元机组还应有事故追忆功能。热工保护系统输出的操作指令应优先于其他任何指令，即执行“保护优先”的原则。保护回路中不应设置供运行人员切、投保护的任何操作设备。,锅炉热工保护项目,(一)锅炉给水系统 锅炉（直流）的给水流量过低保护。(二)锅炉蒸汽系统(1)主蒸汽压力高(超压)保护；当主蒸汽压力高于规定值时，应自动打开其相应的安全门。(2)再热蒸汽压力高(超压)保护；当再热蒸汽压力高于规定值时，应自动打开其相应的安全门。(3)再热器保护。(三)锅炉炉膛安全保护(1)锅炉吹扫。(2)油
11、系统检漏试验。(3)灭火保护。(4)炉膛压力保护，其保护信号应按“三取二”的方式选取。当炉膛压力等于或超过极限值时，严禁送风机和引风机的挡板向扩大事故的方向动作。(5)紧急停炉保护。,MFT流程,S,R,吹扫完成,通过程序或继电器接点,#5、6炉MFT继电器柜原理图,DCS来的接点,汽轮机热工保护系统,大容量发电机组的汽轮机是一种在高温高压蒸汽推动下作高速运转的设备。在机组启动运行或停止过程中如果不按规定的工况和要求操作，很容易发生叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等严重事故。汽轮机系统中还有很多辅机设备，需密切配合、协同工作来保证整个系统的正常运转。因此，必须对汽轮机的轴向位移、胀差、振动、转速
12、等机械参数进行监视和保护，还应对轴承温度、润滑油压、EH油压、凝汽器真空、缸壁温差、高压加热器水位等热工参数进行监视和保护。大型汽轮机系统的热工保护包括以下几方面：(1)汽轮机本体机械参数监控（TSI）。(2)汽轮机辅机保护。(3)汽轮机防进水保护。(4)汽轮机紧急跳闸保护（ETS）。,汽机保护框图,汽机主保护的条件有：1.超速跳闸；2.轴向位移大跳闸；3.低EH油压跳闸；4.低润滑油压跳闸；5.低真空跳闸；6.轴承振动大跳闸；7.胀差大跳闸；8.发电机主保护跳闸；9.锅炉保护跳闸；10.高排温度高跳闸；11.DEH110%跳闸；12.DEH失电跳闸；13.远控手动跳闸；14.汽轮机进水跳闸1
13、5.AST油压低跳闸,ETS动作,ETS跳闸,ETS保护动作对象,1.汽机EHA系统（电液式作动器）：EHA系统接受ETS跳闸信号后，动作主汽门、调门跳闸电磁阀（采用反逻辑时使电磁阀线圈失电；采用正逻辑时则使电磁阀线圈带电），将跳闸油压泄掉，快速关闭主汽门和调门。一般跳闸电磁阀会采用四取二逻辑。四个跳闸电磁阀采用串并联方式，即AST1和AST3并联，AST2和AST4并联，然后串联。只有当AST1、AST3中有一个动作且AST2、AST4中有一个动作，机组才跳闸。2汽轮机抽汽系统设计汽轮机抽汽系统的目的是提高汽轮机的热效率，一般使用抽汽的热力系统有凝水加热器（低加）、给水加热器（高加）、除氧器
14、、汽动给水泵（小汽机）、辅助蒸汽系统等。在汽轮机跳闸甩负荷时，抽汽管道和加热器内储存的能量可能使汽水倒流，引起汽轮机反转甚至超速。为防止此类事故发生，在抽汽管道上设计了气动逆止门。当ETS系统发出汽机跳闸信号时，需要快速关闭气动抽汽逆止门，防止汽轮机超速。3汽轮机旁路系统当ETS系统发出跳闸指令后，联开汽机高压旁路系统，将多余的蒸汽通过高压旁路系统引至再热器，防止过热器超压；联开汽机低压旁路系统，将再热器内多余的蒸汽通过低压旁路系统引至凝汽器，防止再热器超压。4FSSS系统汽轮机跳闸后是否需要锅炉跳闸，一般设计了逻辑判断。当负荷较低，且汽轮机跳闸后，高旁回路、低旁回路都能正常打开，则没有必要锅
15、炉跳闸；否则，ETS系统发出的跳闸信号送到FSSS系统，将炉侧的一次风机、燃料供应系统停运，实现机、炉联锁。5.电气保护系统 ETS系统发出的跳闸信号送到电气保护系统，将发电机主开关断开，将发电机解列，防止因逆功率损坏发电机。,汽轮机监测仪表（TSI),主机和两台小机的TSI系统均选用德国艾普公司生产的MMS6000系列安全监测装置。系统具有自诊断功能，如果监测模块出现故障或输入信号发生问题会自动报警并封锁输出信号以防造成误动；监测系统的所有模块都集中装到专用框架中，根据需要可选用一个或多个框架，#5、6机组主机检测共用了两个框架并装在同一个机柜中；每台小汽机的检测各有一个框架，但这两个框架公
16、用一台机柜。在每个框架中设有两块电源卡，只要其中一个正常工作就能使该框架上的监视模块正常工作。本系统用到的传感器种类，除低压缸胀差和缸体膨胀用LVDT传感器、瓦振用PR9268型速度传感器测量外，其它监测项目都采用电涡流传感器进行测量。监测通道一般都有模拟量输出，通过硬接线方式输送到DCS系统及ETS系统进行显示、报警或作用于联锁保护。主机监测项目：a汽轮机轴承相对振动（每轴承各有X、Y向测量）18套；b汽轮机轴承绝对振动（垂直方向测量）9套；c汽轮机轴向位移 4套；d汽轮机高压缸胀差（双斜坡补偿方式测量）；1套；e汽轮机低压缸胀差（采用LVDT传感器）1套；f 汽轮机转子偏心度 1套；g键相
17、 1套；h汽轮机超速保护（3取2方式）3通道；I汽轮机零转速监测 2套J汽轮机转速测量 1套；k汽轮机缸体热膨胀 2套；,TSI机柜,图 1a.#5、6机组主机TSI装置（正面）,图 1b.#5、6机组主机TSI装置（背面）,在机 柜中部的背面装有继电器，监测系统通过继电器接点向DCS系统发送报警信号、向ETS系统发送停机信号。,TSI信号流程,汽轮机安全监测装置的监测通道设有010V电压输出信号（转速监测通道输出脉冲信号）及420 mA电流信号。其中电压信号送TDM系统用于转机的机械诊断分析；电流信号送到DEH和DCS系统用于画面上的参数显示。监测装置通过继电器发送的开关量信号包括：监测参数
18、越限报警和危险停机信号，还有失电报警和回路故障报警。当出现回路故障时，自动屏蔽模拟量、参数越限报警和危险停机信号的输出，以防造成误显示、误报警或误停机。,Company Logo,传感器,前置器,TSI信号测量,在二瓦和三瓦之间的测速齿轮盘为60齿，其上半周安装了6只转速探头，其中有三只磁阻式转速探头，信号送入DEH控制系统，有一只磁阻式转速探头送机头转速表，另外两只为电涡流传感器送入TSI作为汽机“零”转速监测信号；,偏心度传感器装在前轴承箱中，它是对着轴位移测量盘的外缘安装的；。,轴振动传感器为电涡流传感器，在相应轴瓦的一端分别与垂直方向成左、右45度角安装。,汽机缸体热膨胀（缸体绝对膨胀
19、）传感器安装在汽轮机前轴承箱两侧的地脚基础上。,1#9轴承的绝对振动（简称瓦振）传感器采用的是分别垂直安装于相应轴承的轴承盖上。,用于汽轮机超速保护的三只涡流探头安装在六瓦和七瓦之间的盘车齿轮（88齿）处。,在#1轴承旁的一段轴颈上开有一个键槽，键相探头就是对准该键槽安装的,危急跳闸系统,ETS（EMERGENCY TRIP SYSTEM）是汽轮机危急跳闸系统的简称。汽轮机危急跳闸系统用以监视汽轮机的某些参数，当这些参数超过其运行限制值时，将使危机遮断电磁阀失磁，迫使DEH的调节抗燃油泄压而停机。,单元机组的热工保护,单元机组热工保护的作用和方式 大型单元机组是一个有机的整体，关联密切。任一环
20、节或辅机发生故障，轻则迫使机组降低出力，严重时可能导致整台机组停运，处理不当则有可能造成设备损坏和人身伤亡事故。当任何部分发生危及机组安全运行的事故时，热工保护系统必须发出各种指令送到有关控制系统和被控设备中，自动进行减负荷、投旁路系统、停机或停炉等处理，以确保机组的安全，称单元机组的热工保护，也称炉、机、电大联锁保护。,辅机故障减负荷控制（RB）,这类故障是机组主要辅机发生局部重大故障，而锅炉、汽轮机和发电机主体设备正常，如个别送风机跳闸、个别引风机跳闸等。这时控制系统将强制机组按要求速率减负荷，降低到尚在运行的辅机能够担当的负荷值为止，以稳定机组继续安全运行，这种热工保护叫做辅机故障减负荷
21、控制(RUNBACK)。一般纳入RB控制的辅机主要有如下几个。(1)一台送风机跳闸RB控制。(2)一台引风机跳闸RB控制。(3)一台一次风机跳闸RB控制。(4)一台汽动给水泵跳闸而电动给水泵未能联动投运RB控制。当某台辅机故障跳闸时，联锁保护系统及顺序控制系统将对设备系统进行必要的隔离和启、停处理；锅炉燃烧安全管理系统(BMS)要根据不同的故障处理要求进行停止一台或两台磨煤机的控制；而机前压力将通过DEH控制；协调控制系统(CCS将控制方式自动切换到“汽轮机跟踪方式”，以协调锅炉子系统和汽轮机控制子系统，按相应辅机的RUNBACK目标负荷值和减负荷速率，降低锅炉输入量，稳定主蒸汽压力，使机组能
22、比较平稳地把负荷降到预定值，并且能稳定运行。,机组快速甩负荷控制(FCB),在机组运行过程中汽轮机或电气部分发生事故而锅炉运行正常，如电网故障、汽轮机或发电机本身发生故障等，这时热工保护系统应使锅炉维持在尽可能低的负荷下运行，而汽轮发电机可以跳闸，也可以在一定的条件限制下尽可能使汽轮机空载运行或自带厂用电运行，以便故障消除后较快地恢复运行，这种方式称为机组快速甩负荷(FCB)。当机组设计FCB控制时，必须配以足够容量的旁路系统，必须考虑设备及控制功能的可靠性。,炉、机、电大联锁保护系统的动作如下:(1)当锅炉故障而产生锅炉MFT跳闸条件时，延时联锁汽轮机跳闸、发电机跳闸，以保证锅炉的泄压和充分
23、利用蓄热。(2)汽轮机和发电机互为联锁，即汽轮机跳闸条件满足而紧急跳闸系统(ETS)动作时，将引起发电机跳闸，而发电机跳闸条件满足而跳闸时，也会导致汽轮机紧急跳闸。不论何种情况都将产生机组快速甩负荷保护(FCB动作)。若FCB成功，则锅炉保持30%低负荷运行，若FCB不成功则锅炉主燃料跳闸(MFT)而紧急停炉。,(3)当发电机一变压器组故障，或电网故障而引起主断路器跳闸时，将导致FCB动作。若FCB成功，锅炉保持30%低负荷运行。而发电机有两种情况：当发电机变压器故障时，其发电机负荷只能为零；而电网故障时，则发电机可带5%厂用电运行。若FCB失败，则导致MFT动作，迫使紧急停炉。,炉、机、电大联锁,Thank You!,
