浅谈热电厂汽轮机系统的热工保护
永煤集团热电厂 刘涛
摘要：汽轮机组热工保护的主要作用是当机组在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护和联锁措施，防止事故产生和避免事故扩大，从而保证机组的正常启停和安全运行。
关键词：CAMP、轴向位移、机组转速、润滑油压、凝汽器真空
1 简述
热电厂汽轮机热工自动化技术，包括以下四个方面：控制（Control）、报警（Alarm）、监测（Monitor）和保护（Protection），简称CAMP。这四个方面既相互独立，又相互联系。随着汽轮机容量的不断增大、蒸汽参数的不断提高，热力系统越来越复杂。为了提高汽轮机组的热经济性，汽轮机的级间间隙、轴封间隙都选择的比较小。由于汽轮机的旋转速度很高，在机组启动、运行或停机过程中，如果没有按规定的要求操作控制，则很容易使汽轮机的转动部件和静止部件相互摩擦、甚至碰撞，引起叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等严重事故。为了保证机组安全启停和正常运行，需对汽轮机的轴向位移、偏心度、差胀、振动、转速、油动机和同步器行程等机械参数进行监控，并对轴承温度、润滑油压、凝汽器真空等热工参数进行监视和保护。当被监控的主要参数超过规定值时发出报警信号；在超过极限值是保护装置动作，主汽门关闭，实行紧急停机，以避免重大恶性事故的发生。
2.1 监视的目的
高速旋转的汽轮机在启停和运行过程中，由于各种原因都可以转子上的轴向产生推力，这是由于汽轮机叶片具有一定的反动度，叶片和叶轮前后两侧存在着差压，形成一个与气流方向相同的轴向推力。此外，因轮毂两侧转子轴的直径不等，隔板汽封处转子凸肩两侧的压力不等，也要产生作用于转子的轴向力。高压前轴封处因轴封漏汽，由后向前压力逐渐降低，则产生与气流方向相反的轴向力。还有其他方面产生的轴向力，这些轴向力的合成结果就是总的轴向推力。
2.2 电感式轴向位移监视保护装置
电感式轴向位移装置一般由电感式位移传感器、指示器和控制器等部分组
成。
电厂电感式位移装置为Ш形传感器，如图一所示。
Ф1 图一 轴向位移平头Ш形铁芯传感器结构示意图1--铁芯； 2--转子凸缘； W0--励磁绕组； W1、W2--输出绕组传感器有一个铁芯，在铁芯的三个芯柱上都绕有线圈，中间芯柱是励磁绕组W0，与交流电源连接，左右两侧芯柱上是两个匝数相等的线圈W1和W2，它们反向串接后作为输出绕组。当汽轮机轴向位移正常时，转子凸缘2处Ш形铁芯的中间位置，由于两侧磁路对称，其磁导相同，两个分支磁通Ф1和Ф2也相同，因而在两个输出绕组中的感应电势也相等、输出电压为零。当轴向位移正向偏离或负向偏离时，则传感器和转子凸缘位置发生变化，引起磁通变化，其绕组中的感应电势发生变化，作为两感应电势差值的输出电压也发生变化，从而使轴向位移的机械位移转换成输出电压的变化值。
热电厂ETS—8000装置轴向位移测量范围为±1.5mm，报警装置动作值为±0.9mm，停机值为±1.2mm。
3 机组转速监视
3.1监视的目的
汽轮机是在高速旋转状态下工作的。如果转动力矩不平衡，转速就会发生变化。当转速失去控制时，可能发生严重超速现象。汽轮机的零部件再工作过程中已承受很大的离心力，转速的增高会使转动部件的离心力急剧增加。机组设计时留有一定的裕量。当转速过多的超过额定转速，转动部件就会严重受损，甚至发生“飞车”的恶性事故。为了保证机组的安全运行，必须严格监视汽轮机的转速，并设置超速保护装置。
3.2 测量方法
我厂汽轮机组测转速普遍采用磁阻测速的方法。图二为磁阻测转速传感器示意图。在被测轴上放置一导磁材料制成的齿数为60的齿轮，对着齿轮方向安装磁阻测速传感器，它由永久磁铁和感应线圈组成。
图二 磁阻测速传感器示意图
1--感应线圈； 2--软铁磁轭； 3--永久磁铁； 4--支架； 5--去汽轮机保护装置
8000
当汽轮机主轴带动齿轮旋转至测速传感器的软铁磁轭处时，使测速传感器的磁阻发生变化。当齿轮的齿顶和磁轭相对时，气隙最小，磁阻最小；气隙最大时，即齿根和磁轭相对时，线圈产生的感应电动势最小。齿轮每转过一个齿，传感器磁路的磁阻变化一次，因此磁通也就变化一次，线圈中产生的感应电动势为：
d -8E=W×10（V） dt
式中 W：线圈匝数；Φ：穿过线圈的磁通量。
nZ感应电动势的变化频率等于齿轮的齿数和转速的乘积：f=（Hz） 60
式中 n：旋转轴的转速（r/min） Z：测速齿轮的齿数。
当Z=60时，f=n，即传感器感应的交变电动势的频率数等于轴的转速数值。 当汽轮机转速超过额定转速的14%（即3420r/min）时，测速传感器发出高电压信号，接通信号回路和保护回路，发出超速信号和停机信号。
4 润滑油压的监视
4.1 监视的目的
汽轮机润滑油系统的作用是给汽轮发电机的支持轴承、推力轴承和盘车装置提供润滑,为发电机氢密封系统供油，以及为操纵机械超速脱扣装置供油。润滑油系统由汽轮机主轴驱动的主油泵,冷油器、顶轴油装置、盘车装置、排烟系统、油箱、交流润滑油泵、油位指示器、油位开关以及各种控制装置和连接管道、阀门、逆止阀、各种监测仪表等构成。汽轮机润滑油系统故障，处理不及时或不正确，都有可能造成汽轮发电机组的严重损坏。
4.2 测量方法
热电厂测量润滑油压采用3151系列B型智能变送器。测量压力由电容式敏感元件转换为电容变量，经A/D转换后送往微处理器，通过运算修正的数字信号再经D/A转换成4—20mA DC输出信号送往DCS的AI端子板。4—20mA标准信号线性对应润滑油压0—0.4Mpa。润滑油压低报警和保护回路由三个压力继电器控制；第一个压力继电器设置润滑油压低至0.055Mpa光字牌声光报警，第二个压力继电器设置润滑油压低至0.02Mpa关闭主汽门，停机，第三个压力继电器设置润滑油压低至0.015Mpa停盘车电机。
通信线路将来自微处理器的测量压力数字信号转化成频率信号块叠加与4—20mA DC模拟信号上，由HART终端设备接收，原理图如图三： 监测单元主控单元
4--20+
信号
转换润滑油压 压力微处理器转换
数字通信
图三 原理图
5 低真空的监视
5.1 监视的目的
（1）汽轮机内热焓降减少，从而使出力降低，降低了汽轮机的效率，减少了经济效益；（2）低压缸内蒸汽密度增大，使尾部叶片过负荷，造成叶片断裂；
3）增大级间反动度，使轴向推力增大，推力轴承过负荷，严重时使推力轴承钨金融化；（4）使排汽温度升高，造成低压缸热膨胀变形，凝汽器铜管应力增大，破坏铜管的严密性；低压缸轴承上抬，破坏机组的中心产生振动，还会造成轴承径向间隙变化，产生摩擦而损坏设备。
由于低真空运行对机组的安全运行危害极大，所以必须进行低真空保护。运行中无论何种原因引起凝汽器真空下降，且超过规定的低限值时，应首先减小汽轮机的负荷。当真空下降到危险值时，应关闭主汽门，立即停机。
5.2 测量方法
热电厂测量真空压力采用3151型智能变送器，其原理和润滑油压所使用的变送器相同，这里不再叙述。只是它的4—20mA标准信号线性对应0至-0.01Mpa。它的报警保护使用两个低真空压力继电器来实现的。第一个压力继电器设置-0.085Mpa机组光子牌低真空报警，第二个压力继电器设置-0.06Mpa关闭主汽门，停机。
6 结束语
大量事实证明，采用先进的热工自动化保护技术是提高机组安全、经济运行水平的行之有效的措施。自动控制装置在机组启动时，根据启动要求进行控制，当运行出现异常时，自动控制装置能迅速按照预先规定的顺序进行处理，以尽快恢复正常运行，当故障发展到可能危及设备和人生安全时，采取停机保护措施，避免事故进一步扩大。
作者简介：刘涛1983年出生，河南鹤壁人，助理工程师，2005年毕业于郑州电力高等专科学校热工自动化专业。现从事热工仪表校验、管理工作。
浅谈热电厂汽轮机系统的热工保护
永煤集团热电厂 刘涛
摘要：汽轮机组热工保护的主要作用是当机组在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时，自动采取保护和联锁措施，防止事故产生和避免事故扩大，从而保证机组的正常启停和安全运行。
关键词：CAMP、轴向位移、机组转速、润滑油压、凝汽器真空
1 简述
热电厂汽轮机热工自动化技术，包括以下四个方面：控制（Control）、报警（Alarm）、监测（Monitor）和保护（Protection），简称CAMP。这四个方面既相互独立，又相互联系。随着汽轮机容量的不断增大、蒸汽参数的不断提高，热力系统越来越复杂。为了提高汽轮机组的热经济性，汽轮机的级间间隙、轴封间隙都选择的比较小。由于汽轮机的旋转速度很高，在机组启动、运行或停机过程中，如果没有按规定的要求操作控制，则很容易使汽轮机的转动部件和静止部件相互摩擦、甚至碰撞，引起叶片损坏、大轴弯曲、推力瓦烧毁等严重事故。为了保证机组安全启停和正常运行，需对汽轮机的轴向位移、偏心度、差胀、振动、转速、油动机和同步器行程等机械参数进行监控，并对轴承温度、润滑油压、凝汽器真空等热工参数进行监视和保护。当被监控的主要参数超过规定值时发出报警信号；在超过极限值是保护装置动作，主汽门关闭，实行紧急停机，以避免重大恶性事故的发生。
2.1 监视的目的
高速旋转的汽轮机在启停和运行过程中，由于各种原因都可以转子上的轴向产生推力，这是由于汽轮机叶片具有一定的反动度，叶片和叶轮前后两侧存在着差压，形成一个与气流方向相同的轴向推力。此外，因轮毂两侧转子轴的直径不等，隔板汽封处转子凸肩两侧的压力不等，也要产生作用于转子的轴向力。高压前轴封处因轴封漏汽，由后向前压力逐渐降低，则产生与气流方向相反的轴向力。还有其他方面产生的轴向力，这些轴向力的合成结果就是总的轴向推力。
2.2 电感式轴向位移监视保护装置
电感式轴向位移装置一般由电感式位移传感器、指示器和控制器等部分组
成。
电厂电感式位移装置为Ш形传感器，如图一所示。
Ф1 图一 轴向位移平头Ш形铁芯传感器结构示意图1--铁芯； 2--转子凸缘； W0--励磁绕组； W1、W2--输出绕组传感器有一个铁芯，在铁芯的三个芯柱上都绕有线圈，中间芯柱是励磁绕组W0，与交流电源连接，左右两侧芯柱上是两个匝数相等的线圈W1和W2，它们反向串接后作为输出绕组。当汽轮机轴向位移正常时，转子凸缘2处Ш形铁芯的中间位置，由于两侧磁路对称，其磁导相同，两个分支磁通Ф1和Ф2也相同，因而在两个输出绕组中的感应电势也相等、输出电压为零。当轴向位移正向偏离或负向偏离时，则传感器和转子凸缘位置发生变化，引起磁通变化，其绕组中的感应电势发生变化，作为两感应电势差值的输出电压也发生变化，从而使轴向位移的机械位移转换成输出电压的变化值。
热电厂ETS—8000装置轴向位移测量范围为±1.5mm，报警装置动作值为±0.9mm，停机值为±1.2mm。
3 机组转速监视
3.1监视的目的
汽轮机是在高速旋转状态下工作的。如果转动力矩不平衡，转速就会发生变化。当转速失去控制时，可能发生严重超速现象。汽轮机的零部件再工作过程中已承受很大的离心力，转速的增高会使转动部件的离心力急剧增加。机组设计时留有一定的裕量。当转速过多的超过额定转速，转动部件就会严重受损，甚至发生“飞车”的恶性事故。为了保证机组的安全运行，必须严格监视汽轮机的转速，并设置超速保护装置。
3.2 测量方法
我厂汽轮机组测转速普遍采用磁阻测速的方法。图二为磁阻测转速传感器示意图。在被测轴上放置一导磁材料制成的齿数为60的齿轮，对着齿轮方向安装磁阻测速传感器，它由永久磁铁和感应线圈组成。
图二 磁阻测速传感器示意图
1--感应线圈； 2--软铁磁轭； 3--永久磁铁； 4--支架； 5--去汽轮机保护装置
8000
当汽轮机主轴带动齿轮旋转至测速传感器的软铁磁轭处时，使测速传感器的磁阻发生变化。当齿轮的齿顶和磁轭相对时，气隙最小，磁阻最小；气隙最大时，即齿根和磁轭相对时，线圈产生的感应电动势最小。齿轮每转过一个齿，传感器磁路的磁阻变化一次，因此磁通也就变化一次，线圈中产生的感应电动势为：
d -8E=W×10（V） dt
式中 W：线圈匝数；Φ：穿过线圈的磁通量。
nZ感应电动势的变化频率等于齿轮的齿数和转速的乘积：f=（Hz） 60
式中 n：旋转轴的转速（r/min） Z：测速齿轮的齿数。
当Z=60时，f=n，即传感器感应的交变电动势的频率数等于轴的转速数值。 当汽轮机转速超过额定转速的14%（即3420r/min）时，测速传感器发出高电压信号，接通信号回路和保护回路，发出超速信号和停机信号。
4 润滑油压的监视
4.1 监视的目的
汽轮机润滑油系统的作用是给汽轮发电机的支持轴承、推力轴承和盘车装置提供润滑,为发电机氢密封系统供油，以及为操纵机械超速脱扣装置供油。润滑油系统由汽轮机主轴驱动的主油泵,冷油器、顶轴油装置、盘车装置、排烟系统、油箱、交流润滑油泵、油位指示器、油位开关以及各种控制装置和连接管道、阀门、逆止阀、各种监测仪表等构成。汽轮机润滑油系统故障，处理不及时或不正确，都有可能造成汽轮发电机组的严重损坏。
4.2 测量方法
热电厂测量润滑油压采用3151系列B型智能变送器。测量压力由电容式敏感元件转换为电容变量，经A/D转换后送往微处理器，通过运算修正的数字信号再经D/A转换成4—20mA DC输出信号送往DCS的AI端子板。4—20mA标准信号线性对应润滑油压0—0.4Mpa。润滑油压低报警和保护回路由三个压力继电器控制；第一个压力继电器设置润滑油压低至0.055Mpa光字牌声光报警，第二个压力继电器设置润滑油压低至0.02Mpa关闭主汽门，停机，第三个压力继电器设置润滑油压低至0.015Mpa停盘车电机。
通信线路将来自微处理器的测量压力数字信号转化成频率信号块叠加与4—20mA DC模拟信号上，由HART终端设备接收，原理图如图三： 监测单元主控单元
4--20+
信号
转换润滑油压 压力微处理器转换
数字通信
图三 原理图
5 低真空的监视
5.1 监视的目的
（1）汽轮机内热焓降减少，从而使出力降低，降低了汽轮机的效率，减少了经济效益；（2）低压缸内蒸汽密度增大，使尾部叶片过负荷，造成叶片断裂；
3）增大级间反动度，使轴向推力增大，推力轴承过负荷，严重时使推力轴承钨金融化；（4）使排汽温度升高，造成低压缸热膨胀变形，凝汽器铜管应力增大，破坏铜管的严密性；低压缸轴承上抬，破坏机组的中心产生振动，还会造成轴承径向间隙变化，产生摩擦而损坏设备。
由于低真空运行对机组的安全运行危害极大，所以必须进行低真空保护。运行中无论何种原因引起凝汽器真空下降，且超过规定的低限值时，应首先减小汽轮机的负荷。当真空下降到危险值时，应关闭主汽门，立即停机。
5.2 测量方法
热电厂测量真空压力采用3151型智能变送器，其原理和润滑油压所使用的变送器相同，这里不再叙述。只是它的4—20mA标准信号线性对应0至-0.01Mpa。它的报警保护使用两个低真空压力继电器来实现的。第一个压力继电器设置-0.085Mpa机组光子牌低真空报警，第二个压力继电器设置-0.06Mpa关闭主汽门，停机。
6 结束语
大量事实证明，采用先进的热工自动化保护技术是提高机组安全、经济运行水平的行之有效的措施。自动控制装置在机组启动时，根据启动要求进行控制，当运行出现异常时，自动控制装置能迅速按照预先规定的顺序进行处理，以尽快恢复正常运行，当故障发展到可能危及设备和人生安全时，采取停机保护措施，避免事故进一步扩大。
作者简介：刘涛1983年出生，河南鹤壁人，助理工程师，2005年毕业于郑州电力高等专科学校热工自动化专业。现从事热工仪表校验、管理工作。