调节保安系统的问题分析及处理

时间：2024-08-31

熊巍

(西北电力建设调试施工研究所,陕西西安 710032)

1 概述

调节保安系统是高压抗燃油数字电液控制系统(DEH)的执行机构,可接受DEH 发出的指令,完成挂闸、驱动阀门及遮断机组等操作。某600 MW 机组的汽轮机调节保安系统,按照其组成可划分为低压保安系统和高压抗燃油系统两大部分。而高压抗燃油系统,即EH油系统是由液压伺服系统、高压遮断系统和EH油供油系统三个部分组成,现将各组成部分分别加以说明。

1.1 低压保安系统

低压保安系统布置见图1,系统由危急遮断器、危急遮断装置、危急遮断装置连杆、手动停机机构、复位试验阀组、机械停机电磁铁(3YV)和高压遮断组件等组成。该系统可以完成机组的挂闸、遮断功能。

图1 低压保安系统图

挂闸操作时,系统设置的复位试验阀组中的复位电磁阀(1YV),机械遮断机构的行程开关ZS1、ZS2供挂闸用。挂闸程序如下:按下挂闸按钮,复位试验阀组中的复位电磁阀(1YV)带电动作,将润滑油引入危急遮断装置活塞侧腔室,活塞上行到上止点,使危急遮断装置的撑钩复位,通过危急遮断装置连杆的杠杆,将高压遮断组件的紧急遮断阀复位,接通高压安全油路进油的同时,将高压安全油的排油口封住,建立高压安全油。当高压压力开关组件中的三取二压力开关,检测到高压安全油已建立后,向DEH发出信号,使复位电磁阀(1YV)失电,危急遮断器装置活塞回到下止点,DEH检测行程开关ZS1的常开触点由断开转换为闭合,再由闭合转为断开,ZS2的常开触点由闭合转换为断开,DEH判断挂闸程序完成。

遮断操作时,为了确保机组遮断的可靠性,该系统设计有电气、机械及手动三种冗余的遮断方式。

(1)电气停机

实现该功能是由机械停机电磁铁和高压遮断组件完成。该系统设置的电气遮断本身就是冗余的,一旦接受电气停机信号,ETS使机械停机电磁铁(3YV)带电,同时使高压遮断组件中的主遮断电磁阀(5YV、6YV 、7YV 、8YV)失电。机械停机电磁铁(3YV)通过危急遮断装置连杆的杠杆,使危急遮断装置的撑钩脱扣,危急遮断装置连杆使紧急遮断阀动作,切断高压安全油的进油并将高压安全油的排油口打开,泄掉高压安全油,快速关闭各主汽、调节阀门,遮断机组进汽。而高压遮断组件中的主遮断电磁阀失电,直接泄掉高压安全油,快速关闭各阀门。因此危急遮断器装置的撑钩脱扣后,即使高压遮断组件中的紧急遮断阀拒动,系统仍能遮断所有调门、主汽门,以确保机组安全。

(2)机械超速保护停机

机械超速保护由危急遮断器、危急遮断装置、高压遮断组件和危急遮断装置连杆组成。当机组转速达到危急遮断器设定值时,危急遮断器的飞环击出,打击危急遮断装置的撑钩,使撑钩脱扣,通过危急遮断装置,使高压遮断组件中的紧急遮断阀动作,切断高压安全油的进油并泄掉高压安全油,快速关闭各进汽阀,遮断机组进汽。

(3)手动停机

系统在机头设有手动停机机构供紧急停机用。手动停机机构按钮,通过危急遮断装置连杆,使危急遮断装置的撑钩脱扣,后续过程与机械超速保护动作相同。

1.2 液压伺服系统

液压伺服系统由阀门操纵座及油动机两部分组成,见图2所示。伺服系统可对每个阀门实现开度控制和快速关闭的操作。该机组设置有4个高压调节阀油动机,2个高压主汽阀油动机,2个中压主汽阀油动机,2个中压调节阀油动机。油动机按其动作类型可分为两类,即连续控制型和开关控制型。高压调节阀油动机、右侧高压主汽阀油动机和中压调节阀油动机由电液伺服阀实现连续控制,属连续控制型油动机,该类型油动机的控制块上装有伺服阀、关断阀、卸载阀、遮断电磁阀和单向阀及测压接头等,而左侧高压主汽阀油动机、中压主汽阀油动机由电磁阀实现二位控制,属开关控制型油动机,该类型油动机的控制块上则装有试验电磁阀、关断阀、卸载阀、遮断电磁阀和单向阀及测压接头等。

图2 油动机液压油路图

不论是连续控制型还是开关控制型油动机,二者均具有阀门快关的功能。在发生事故的情况下,一旦安全油压泄掉时,卸载阀打开,将油动机活塞下腔室接通油动机活塞上腔室及排油管,在弹簧力及蒸汽力的作用下快速关闭油动机,同时伺服阀(试验电磁阀)将与活塞下腔室相连的排油口也打开接通排油,作为油动机快关的辅助手段。另外,油动机设置的关断阀供甩负荷或遮断状况时,快速切断油动机进油,避免系统油压因油动机快关的瞬态耗油而下降。

1.3 高压抗燃油遮断系统

高压遮断系统由能实现在线试验的主遮断电磁阀、隔离阀及紧急遮断阀组成。当机组挂闸后,危急遮断装置的撑钩复位;紧急遮断阀复位;主遮断电磁阀(5YV 、6YV 、7YV 、8YV)带电,高压安全油相继建立。

1.4 供油系统

供油系统为调节保安系统各执行机构提供符合要求的高压工作油。该系统主要由油泵、油箱、滤油器、安全阀、冷油器、油加热器、蓄能器、磁性过滤器、油再生装置以及必备的监视仪表等组成。

2 调试过程中的问题分析及处理

调节保安系统所涉及的范围较广,中间环节较多,加之电气、热工、机械、液压等方面的诸多接口问题,因此在调试过程中难免会出现一些异常情况。鉴于调节保安系统对于机组的重要性,面对这些异常情况,必须及时地解决并采取预防措施。现对调试过程中曾遇到的问题进行分析和探讨。

2.1 1号高压调节阀不能正常开启

主机进行阀门标定期间,1号高压调节阀(简称CV1)打不开。而在此期间CV2～CV4等3个阀门均能正常开启,因此可以排除系统安全油压出问题的怀疑。就地进行检查,使用干电池直接给CV1的伺服阀加信号,阀门仍然无法开启;由此可以排除DEH远控指令的问题,初步判定为就地的问题。为便于排查,首先将CV1和CV2的伺服阀互相对换。互换后再试的结果:CV1仍然打不开,而CV2能够正常开启。由此可以证明CV1的伺服阀工作正常,排除了CV1的伺服阀故障的可能,遂将对换的伺服阀重新恢复到各自的系统中。据此情况进一步分析认为导致CV1的油动机无法开启,有两种可能:其一,油动机不能进油;其二,油动机内部的安全油压不能建立。出现第一种情况的原因:

(1)油动机进油滤网被堵。

(2)油动机内部的安全油压不能建立。

若油动机内部的安全油压不能建立,关断阀则不能开启,进而无法导通油动机的高压进油。在这种情况下,若快关电磁阀关闭不严或油动机内部的快速卸载阀关闭不严。均有可能引起这种故障现象,按照由易到难的顺序,进行针对性排查。

首先,隔离油动机的滤网,导通滤网旁路,再试CV1仍无法开启,同时排除滤网堵的可能;根据这一情况分析:EH油不能进入油动机,就只能是因为关断阀不能开启造成的。由于关断阀是一个纯粹的机械部件,如果内部存在卡涩而导致密封不严,极易造成安全油压下降,从而无法克服弹簧的预紧力,达到导通EH进油的目的。为了查明CV1的关断阀是否存在问题,进行下面的操作:互换CV1和CV2的关断阀。更换完毕后再试:CV1正常开启,而CV2却不能开启。由此判定问题的确出自CV1油动机的关断阀,另外排除了CV1油动机内部安全油压不能建立的怀疑,进一步可以证明CV1的快关电磁阀和快速卸载阀均工作正常。

重新更换CV1的关断阀后,同时将CV2的关断阀装回原系统中,再次试验:CV1、CV2均能正常开启,问题得以解决。

2.2 OPC超速保护动作使汽机跳闸

超速试验期间,首先进行OPC保护试验。升速至3090r/min,OPC保护动作。联关高、中压调门(由于机组为中压缸启动,在空负荷期间高压调门不开启,因此高压调门处于全关位置。但是OPC动作仍会联开高压调门的快关电磁阀,泄放油动机内部的安全油),保护动作正确。当转速降至3086 r/min以下,OPC复位时汽机跳闸。事后查阅此次OPC动作期间的相关参数,发现在OPC复位后,高压遮断模块处的安全油压力开关和压力变送器显示安全油压均下降,造成主汽门关闭使汽机跳闸。

分析认为:基于OPC保护的设计理念,只是在超速工况发生的瞬间,使所有调节阀门的快关电磁阀带电从而关闭高、中压调门,抑制转速进一步上升,待转速降至3086r/min以下时,OPC复位、快关电磁阀失电,进而高、中压调门转为由伺服阀控制,维持3000 r/min稳定运行。主汽门在此期间应该正常开启。机组在OPC复位后,安全油压大幅下降,有可能是因快关电磁阀在复位的过程中造成的。按此思路出发,更深入地对该问题进行了排查。

暂时从OPC保护逻辑中解列4个高压调门,即OPC动作后,不给4个高压调门的快关电磁阀发出带电的指令,使之始终处于关闭的位置。重新开始OPC试验:转速至3090 r/min时,中压调门迅速关闭;转速降至3086r/min以下时,OPC复位,中压调门恢复至伺服阀控制,维持机组转速至3000r/min,汽机未跳闸。OPC动作前后,从高压遮断模块处观察的系统安全油压未见大幅下降,基本平稳。据此可以判定问题出在4个高压调门上(其中的1个或几个),进一步展开排查措施,锁定故障发生在高压调门。

从OPC保护逻辑中解列CV3和CV4,恢复对CV1和CV2的控制逻辑。重新开始OPC试验,试验现象同上所述:OPC动作前后,系统安全油压未见大幅下降,基本平稳,汽机维持3000r/min运行。由此可以证明CV1和CV2均没有问题。

从OPC保护逻辑中解列CV1和CV2,恢复对CV3和CV4的控制逻辑。重新开始OPC试验:转速至3090 r/min时,中压调门迅速关闭;转速降至3086r/min以下时,OPC复位,此时,系统安全油压大幅下降,导致汽机跳闸。

从OPC保护逻辑中解列CV1、CV2和CV3,恢复对CV4的控制逻辑。重新开始OPC试验:转速至3090 r/min时,中压调门迅速关闭;转速降至3086r/min以下时,OPC复位,此时,系统安全油压大幅下降,导致汽机跳闸。由此锁定故障的高压调门即为CV4。随后隔离CV4油动机,对其快关电磁阀实施解体检查:机械滑阀阀芯动作灵活、密封严密,未发现进、回油通道“窜油”等异状,由此可以排除快关电磁阀对于系统安全油压的影响。继续对CV4油动机上的与安全油有联系的相关部件进行检查:快速卸载阀由于在油动机内部,拆卸工作在现场不便进行,加之如果该阀有异常,系统安全油压应该一直无法建立,与实际故障现象不相符。因此暂不考虑检查快速卸载阀,决定先对关断阀进行解体检查。检查发现:该阀的安全油进油管路上的节流孔为1.2mm,较之厂家要求的0.8mm偏大。综合分析认为:快关电磁阀从开到关,实际是完成针对油动机内部安全油从泄油到进油的一次转换。现就OPC保护所触发快关电磁阀的动作过程做一分解:OPC信号发出后,快关电磁阀带电开启,泄油通道打开、将油动机内部的安全油压释放,同时封闭进油通道,将来自系统安全油的进油阻断。这样便保证了油动机的快速关闭,同时避免了系统安全油压的降低,从而保证了在OPC的工况发生时,只是关闭调门而主汽门保持开启;OPC信号复位后,快关电磁阀失电关闭,进油通道打开、引入来自系统安全油的进油,同时封闭泄油通道,等待油动机内部的安全油压再次建立。在这个过程中,系统安全油压也是变化的。快关电磁阀带电时,其油动机内部的安全油压消失殆尽,系统的安全油压相对稳定,当快关电磁阀失电后,对于油动机内部安全油系统“空空如也”的情况,一旦系统安全油向其进油,必然会打破系统安全油原有的稳态,导致系统安全油压下降。为此厂家设计了节流孔来抑制系统安全油压的这种下降趋势,也就是允许系统安全油压在一定程度上的降低。但是如果节流孔的孔径超过了厂家的原有设计尺寸,必然会造成系统安全油压的非正常下降,进而导致汽机跳闸。

查明原因后,更换了CV4油动机的关断阀处的安全油进油节流孔,同时针对其它高压调节阀油动机的相应节流孔进行复查。恢复系统后再次进行OPC保护试验,动作正确,汽机正常运行。

2.3 ZS2行程开关的闭合信号

在进行远方、就地打闸试验期间,发现ZS2行程开关的动作很不稳定:打闸后,汽机遮断动作正确,但是ZS2的信号时发时不发。起初认为是ZS2行程开关有问题,重新更换1个新的备品后,再次进行打闸试验,发现问题依旧。查阅ZS2信号的历史趋势,发现一个现象:即每次在就地通过手动停机机构打闸,ZS2信号都能触发;而每次在远方通过集控室停机按钮打闸,ZS2信号却过不来。依据这一情况分析:就地打闸是手拉机头处的停机手柄,通过危急遮断装置连杆使危急遮断装置的撑钩脱扣,进而使高压遮断组件中的紧急遮断阀动作,切断高压安全油的进油并泄掉高压安全油;远方打闸属于电气遮断方式,电气遮断本身就是冗余的,一旦接受电气停机信号,ETS使机械停机电磁铁(3YV)带电,同时使高压遮断组件中的主遮断电磁阀(5YV、6YV、7YV、8YV)失电。机械停机电磁铁(3YV)带电动作后,通过危急遮断装置连杆的杠杆使危急遮断装置的撑钩脱扣,危急遮断装置连杆使紧急遮断阀动作,切断高压安全油的进油并将高压安全油的排油口打开,泄掉高压安全油;而高压遮断组件中的主遮断电磁阀(5YV 、6YV 、7YV、8YV)失电,直接泄掉高压安全油。

位于机械遮断机构上的ZS2行程开关,是通过就地危急遮断装置的动作实现信号的触发,在低压保安系统中是一个用来表征汽机跳闸的信号。DEH在发出“挂闸”指令前,首先要检验ZS2的常开接点是否处于闭合位置,否则不能挂闸,其作用相当于一个挂闸的允许条件。因此必须确保该信号在汽机跳闸后能够准确发出,否则将延误汽机挂闸。根据分析,无论在就地、还是远方进行打闸,汽机的遮断动作均正确,证明两种打闸方式下高压安全油均可以迅速泄掉。可是唯独只有通过就地打闸,ZS2的常开接点才能处于闭合位置。这说明远方打闸,也即电气遮断方式中的机械停机电磁铁(3YV)动作回路存在故障。在这种情况下,远方打闸其实已经失去了原有的冗余配置,汽机遮断时起作用的仅仅是高压遮断组件中的主遮断电磁阀(5YV、6YV、7YV、8YV)失电这一路遮断回路。如此也恰恰吻合了故障现象:远方打闸,汽机遮断正确,但是ZS2的信号出不来。为了验证这一判断,在将主遮断电磁阀的失电指令强置为零以后,再次挂闸进行了远方打闸试验。试验结果:汽机未遮断。证明机械停机电磁铁(3YV)的动作回路有问题,随即对机械停机电磁铁(3YV)进行了检查,发现其线圈已经烧坏无法使电磁铁动作。

待重新更换机械停机电磁铁(3YV)的线圈后,再次试验远方打闸回路。汽机遮断动作已恢复,ZS2的闭合信号发讯正常。问题已排除,重新再审视该故障案例:问题由一个行程开关引起,初看时误以为是信号传递的小毛病,实际上却牵涉出机组危急遮断的安全保护方面的重大隐患。