6. Технологические защиты и блокировки теплосилового оборудования

6-1. ОСНОВНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ

Устройства технологической защиты служат для автоматического воздействия на работающие агрегаты в случае аварийного нарушения технологического процесса. Показателями нарушения процесса служат отклонения от нормального значения тех или иных параметров работы оборудования. В практике применяются защиты, в результате действия которых происходит отключение (останов) защищаемых агрегатов или перевод их на пониженную нагрузку. Некоторые из защит выполняют операции местного значения (локальные), например включают мазутные форсунки при потемнении пылевого факела в топке.

Защитные устройства помогают обслуживающему персоналу при ликвидации возникающих аварийных положений. Действие их предотвращает развитие аварии или уменьшает ее последствия. Значение технологических защит особенно сильно возросло за последние годы в связи с переходом на блочную компоновку оборудования электростанций с расширением зоны обслуживания дежурного персонала и переводом его на центральные (блочные) щиты управления, удаленные от котельного и турбинного оборудования. В своей работе технологические защиты связаны с автоматическими устройствами блокировки, включения резерва (АВР) и сигнализации.

К наиболее известным средствам технологической защиты относятся паровые предохранительные клапаны, применявшиеся на котлах в течение всего времени их существования. С давних пор все паровые турбины оборудуются приспособлением, называемым автоматом безопасности, останавливающим агрегат в случае повышения скорости вращения (число оборотов) вала сверх заранее установленной величины. Без этих устройств технологической защиты котельные и турбинные агрегаты не могут быть допущены к работе, так как даже при незначительном сбросе нагрузки возможно повышение давления в котле и скорости вращения турбины за преде­лы механической прочности их частей.

Срабатывание большинства устройств защиты сопровождается действием электрической блокировки, последовательно воздействующей по заданной программе на механизмы, обслуживающие агрегат.

Рис. 3-23. Схема включения контактов датчиков защиты I, II иIII в цепь включения реле Р.

а - параллельное включение (схема «или»)

б - последовательное включение (схема «и»)

в - схема «два из трех»

По смыслу своего назначения защитные устройства должны быть более надежными, чем оборудование, которое они защищают. Все элементы защиты должны уверенно срабатывать в любой момент, до наступления которого они могут длительное время бездействовать. Это вызывает повышенные требования к надежности датчиков, подающих сигнал на срабатывание и релейных устройств, выполняющих этот сигнал.

Основным направлением при построении схемы защиты считается измерение любого из параметров, приводящих ее в действие, одним прибором - датчиком. В качестве датчиков допускается применение указывающих или самопишущих приборов технологического контроля, снабженных контактами, замыкающимися или размыкающимися при достижении заданного предельного значения контролируемой величины. Эти приборы удовлетворяют требованиям защиты по точности измерения, но обычно недостаточно надежны. Для повышения вероятности правильного срабатывания за­щиты применяют два самостоятельных прибора, контакты которых включены параллельно или последовательно. Оба датчика могут измерять одну и ту же величину или две разных величины, отклонения которых свидетельствуют о нарушении нормального режима. Параллельное включение контактов датчиков (рис. 3-23,а) применяется в тех случаях, когда ложное срабатывание защиты не вызывает больших нарушений в работе оборудования, а отказ от включения приводит к значительным последствиям. В тех случаях, когда ложное срабатывание нежелательно, контакты датчиков включаются последовательно (рис. 3-23,б), например у защит, действующих на полную остановку блока.

Опыт эксплуатации большого числа защитных устройств, накопленный за последнее время, показал, что случаи ложного срабатывания защит встречаются значительно чаще, чем случаи отказа от включения при наличии сигнала от датчика. В связи с этим предпочитают осуществлять схемы с последовательным включением контактов двух датчиков, с сигнализацией срабатывания каждого контакта в отдельности.

Для наиболее ответственных защит иногда применяют три датчика, включенных по схеме «два из трех» (рис. 3-23,в). При таком включении отказ от срабатывания одного из датчиков или ложное срабатывание его контактов не приводят в действие защиту. Вместе с тем защита уверенно действует при правильном срабатывании двух датчиков, если даже третий не включится.

В качестве примера ниже рассмотрены некоторые из наиболее важных устройств технологической защиты котельных и турбинных установок. Этими примерами не исчерпываются все средства защиты, применяемые на современных энергетических установках.

6-2. ЗАЩИТЫ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

К наиболее важным защитам котельных агрегатов барабанного типа относятся защиты, действующие при отклонении уровня в барабане до верхнего или нижнего допустимого предела, т. е. при перепитке котла водой или при упуске уровня. На прямоточных котлах большее значение имеет защита при прекращении подачи пита­тельной воды по любой из магистралей котла при по­вышении или понижении давления перед задвижкой, встроенной в тракт котла, и при разрыве труб водяного экономайзера или нижней радиационной части.

Важное значение имеет для котлов всех типов защита при погасании пылевого факела в топке, при отключении всех дутьевых вентиляторов или дымососов; при недопустимом повышении или понижении температуры свежего пара; при повышении температуры вторичного пара до верхнего установленного предела; при падении давления жидкого или газообразного топлива перед котлом, работающим на мазуте или газе; при прекращении расхода пара через промежуточный пароперегреватель.

Перечисленные защиты обычно действуют на останов котла, а в некоторых случаях - на снижение его нагрузки. Кроме них применяются еще защиты, выполняющие местные операции по котлу: включают мазутные форсунки при потускнении факела в топке; подают охлаждающую воду на аварийный впрыск при повышении температуры перегрева вторичного пара до первого установленного предела; сбрасывают воду из барабана котла при повышении уровня до первого предела; включают аварийный сброс из прямоточного котла при повышении влажности среды за переходной зоной.

На рис. 3-24,а показана схема действия защит, останавливающих барабанный котел. Сплошными линиями изображено действие защит, закрывающих или отключающих какое-либо устройство. Пунктирные стрелки обозначают открытие или включение устройства. При снижении температуры ядра пылевого факела (потускнение факела) фотосопротивления Ф₁ и Ф₂ с выдержкой времени порядка 3 сек (обозначенной индексом) подают команду на включение мазутных форсунок, а на щит подается световой сигнал. После восстановления пылевого факела мазутные форсунки отключаются дистанционно или автоматически. Если, несмотря на команду на включение мазутных форсунок яркость пылевого факела не восстановится и факел погаснет, по истечении 8 - 9 сек устройство подает команду на останов котла. Для повышения надежности необходимо, чтобы были поданы сигналы от обоих фотосопротивлений, что изображается на схеме индексом «И».

Защита при повышении уровня воды в барабане котла имеет две ступени срабатывания и, кроме того, при первоначальном повышении или понижении уровня подает световой или звуковой сигнал. При достижении 1-го установленного предела повышения уровня открываются две установленные последовательно задвижки на линии аварийного слива из барабана. В случае восстанов­ления нормального уровня задвижки закрываются. Защиты, действующие на останов котла при повышении уровня до второго установленного предела или понижении уровня, включены по схеме «два из трех» (или по схеме с последовательным включением контактов). Для автоматического отключения котла необходимо, чтобы сработали два любых из имеющихся приборов (индекс «И»).

Рис. 3-24. Схема защит, действующих на отключение котла.

а - для барабанных котлов

б - для прямоточный котлов

Отключение одного из двух дутьевых вентиляторов или дымососов приводит к снижению нагрузки котла. Остановка обоих механизмов вызывает остановку котла. Отключение одного из вентиляторов первичного воздуха вызывает снижение нагрузки, а при остановке обоих котел переводится в растопочный режим или останавливается в зависимости от расположения контактных накладок в электрической схеме защиты.

На рис. 3-24,б показана схема защиты прямоточного котла. Падение давления р газа или мазута с предупреждением о том, что задвижка на топливопроводе перед котлом автоматически закрылась, приводит к отключению котла. Сигнал о прекращении подачи питательной воды Q, поданный от двух приборов, включенных по схеме «два из трех» или с последовательным включением контактов, действует на отключение котла с выдержкой времени . Повышение температуры за нижней радиационной частью котла, измеренной двумя термопарами, включенными по последовательной схеме, приводит к отключению котла без выдержки времени. Снижение температуры за средней радиационной частью котла, измеренной одной из двух установленных на котле термопар, приводит к открытию задвижки на линии аварийного сброса среды из водопарового тракта котла. Повышение или понижение давления перед встроенной задвижкой приводит к отключению котла без выдержки времени. Давление измеряется двумя электроконтактными манометрами типа ЭКМ. Контакты защиты при повышении давления включены параллельно, а защита при понижении давления имеет последовательно вклю­ченные контакты. В многопиточных котлах защитой снабжается каждый тракт.

Для защиты при потускнении и погасании пылевого факела применяются автоматы включения мазутных форсунок типа АЗК. Наиболее совершенен из них автомат АЗК-4, электрическая схема которого показана на рис. 9-3. Схема питается постоянным током 220 в. Яркость свечения пламени в топке измеряется двумя фотосопротивлениями Ф₁ и Ф₂ типа ФС-К2. При уменьшении яркости свечения фототок в цепях обмоток про­межуточных реле 1РП—3РП уменьшается. Схема настраивается переменными сопротивлениями R₁ и R₂ так, что при потускнении факела срабатывает только реле 1РП, при этом происходит замыкание его контактов и катушка реле времени 1РВ включается под напряже­ние. По прошествии 2—3 сек, что необходимо для исключения влияния пульсации факела, включается контактор 1К, подающий питание к электромагнитным при­водам клапанов форсунок. При погасании пылевого факела в топке фототок резко снизится, срабатывают промежуточные реле 1РП—ЗРП и реле времени 1РВ и 2РВ. Если факел не восстановится, то по истечении 8— 9 сек реле 2РВ включит промреле 6РП, подающее сигнал на остановку котла и одновременно отключающее мазутные форсунки. Чтобы снизить опасность ложных отключений котла, схема выполнена с подтверждением о потускнении факела от обоих фотосопротивлений, поэтому при случайном загрязнении тубуса любого изме­рителя отключения не произойдет.

Рис. 3-25. Электрическая схема автомата подхвата факела типа АЗК-4.

Сигнал на понижение или повышение уровня воды в барабане котла подается от электронных приборов тала ДПР или ДСР (показывающих или самопишущих), работающих в комплекте с мембранными дифманометрами типа ДМ. Большое значение имеет правильное измерение уровня. Обычно применяемые для подключения дифманометра сосуды (рис. 3-26,а) дают при изменении большую ошибку за счет разности удельных весов воды, заполняющей сами сосуды и соединительные трубки.

Лучшие результаты дают усовершенствованные сосуды, показанные на рис. 3-26,б.

Обозначив через ₁ ₂ ₃ удельные веса воды в разных местах устройства, согласно рисунку можно написать:

H=1L1+2L2-3H3-n(I-H)

где h - показания дифманометра; L₁, L₂, L₃ и H -соответствующие размеры, показанные на рисунке.

Удельный вес ₂ обеих соединительных трубках можно считать одинаковым. Пренебрегая удельным весом пара по сравнению с весом воды, примем _n(l-h)=0 Тогда для максимального повышения точности измерения необходимо выдержать равенство размеров L₁=H.

Рис. 3-26. Устройства для измерения уровня в барабане котла.

Изображенный на рис. 3-26,б усовершенствованный сосуд применяется для устранения погрешностей, возникающих при отклонении от нормы давления в барабане котла, например во время растопки или при работе турбины с переменным давлением. Подобными сосудами комплектуются не только устройства защиты котлов при отклонении уровня, но и автоматические регуляторы питания барабанных котлов. Каждый из датчиков защиты по уровню должен быть подключен к самостоятельному сосуду и соединен с барабаном независимо от других датчиков.

На рис. 3-27 показана схема действия блокировок при остановке котлов разного типа. Для отключения котла, работающего на пылевидном топливе, защита, рассчитанная на выполнение этой операции, дает через свою электрическую схему параллельную команду на отключение дутьевых вентиляторов и топливоподающих устройств (питателей пыли). На котлах, сжигающих жидкое или газообразное топливо, защита воздействует на закрытие быстродействующих запорных и регулирующих топливных клапанов перед котлом, оставляя дутьевые вентиляторы в работе (если блокировка не останавливает дымососы). Дальнейшие действия осуществляются по блокировке. При этом помимо отключения двига­телей механизмов выполняются следующие операции.

На котлах всех типов закрываются главные парозапорные задвижки. Закрываются запорные задвижки и клапаны регуляторов на основной и байпасных линиях питательной воды перед котлом. На барабанных котлах эта операция выполняется только при упуске уровня или перепитке котла. Закрываются задвижки на «холодной» и «горячей» линиях по обе стороны промперегревателя и задвижка на линии аварийного впрыска в промперегреватель. При отключении защитой дутьевых вентиляторов на котлах, работающих на пылевидном топливе, блокировка закрывает задвижки на подаче мазута к форсункам и вводит запрет на их открытие. На барабанных котлах закрываются задвижки на линиях впрыска «собственного» конденсата или питательной воды к впрыскивающим пароохладителям первичного пара и открывается задвижка на лини продувки пароперегревателя.

Рис. 3-27. Схема действия защитных и блокировочных устройств

при останове котла.

Современные блочные установки оборудуются импульсно-предохранительными устройствами, заменившими грузовые предохранительные клапаны прямого действия, долгое время применявшиеся на котлах относительно небольшой производительности. Схема импульсно-предохранительного устройства показана на рис. 3-28. При нормальном давлении пара в коллекторе импульсный клапан 1 закрыт грузом 2 и не пропускает пар из коллектора. Давление по обе стороны поршня 3 сервомотора главного предохранительного клапана равно атмосферному и клапан 4 прижат к седлу давлением пара.

Повышение давления пара в коллекторе до предела настройки положения груза 2 на рычаге приводит к открытию импульсного клапана 1, перепускающего пар в пространство над поршнем 3 сервомотора. Давление на поршень сравняется с давлением в коллекторе, вследствие чего главный клапан 4 открывается и выпускает пар в атмосферу. При снижении давления клапан автоматически закрывается. Удар при посадке главного клапана демпфируется за счет сжатия пара, оставшегося в цилиндре сервомотора, и перетекания воды, заполяющей полости демпферного устройства 5. Для увеличения на­дежности работы устройства снабжено электромагнитами ЭО и ЭЗ, которые ставятся под напряжение при замыкании контактов манометров типа ЭКМ. Замкнутое положение концевых выключателей электромагнитов сигнализируется горением ламп.

Рис. 3-28. Импульсное предохранительное устройство

6-3. ЗАЩИТЫ ТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Паровые турбины останавливаются защитами в случаях следующих нарушений режима: при осевом (продольном) сдвиге ротора; при падении вакуума в конденсаторе; при снижении давления масла в системе смазки, если действие устройств автоматического вклю­чения резервных насосов с электродвигателями переменного, а затем постоянного тока не восстановит положения. Часто применяются также защиты, отключающие турбину при повышении или понижении температуры свежего пара за установленные пределы. Турбина принудительно останавливается в случае внутренних повреждений генератора и может быть аварийно останов­лена кнопкой или ключом со щита управления.

Для экстренного останова турбины защита включает под напряжение катушки электромагнита отключения, воздействующего на закрытие стопорного клапана и задвижки на подводе свежего пара к турбине. Одновременно закрываются задвижки на линиях регулируемых отборов и подается команда на принудительное закрытие обратных клапанов на линиях нерегулируемых отборов турбины. Вместе с остановкой турбины подается команда на отключение генератора.

Защита при осевом сдвиге ротора. При работе турбины вдоль ее ротора действует усилие, создаваемое реакцией пара, расширяющегося на рабочих лопатках. Эти усилия воспринимаются упорными подшипниками, препятствующими движению ротора вдоль оси. В некоторых случаях, например, при заносе лопаточного аппарата турбины солями, продольные усилия могут возрасти настолько, что дальнейшая работа турбины становится опасной, и она должна быть аварийно остановлена защитными устройствами.

Лучшим решением задачи было бы измерение усилия, воспринимаемого упорными подшипниками, и при возрастании его до некоторой заранее заданной величины ввод в действие защиты, останавливающей турбину. Продольное усилие можно было бы оценить по повышению температуры сегментов подшипника. Однако этот способ не нашел практического применения из-за сложности и большой инерционности измерения температуры. Поэтому вместо измерения усилия, характеризующего появление опасности сдвига, измеряют сам сдвиг уже после его появления, т. е. после того как произошла деформация сегментов упорного подшипника. Срабатывание защиты должно произойти ib самом начале сдвига, когда продольное перемещение ротора от среднего положения еще не превосходит 1,2—1,7 мм. Только в этом случае может быть предотвращено разрушение лабиринтовых уплотнений вала и самого лопаточного аппарата турбины. Однако после каждого случая срабатывания защиты при осевом сдвиге вала должны производиться ревизии и в случае необходимости ремонт упорных подшипников.

Осевой сдвиг вала турбины измеряется с помощью специальных комплектов («реле осевого сдвига»), поставляемых с турбинами. Действие этого реле основано на электрическом измерении воздушных зазоров с помощью дифференциального трансформатора.

Рис. 3-29. Схема устройства защиты при осевом сдвиге ротора турбины ЛМЗ.

На рис. 3-29 показана схема реле осевого сдвига конструкции Ленинградского металлического завода (ЛМЗ). Датчик выполнен в виде Ш-образного сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали. На среднем керне сердечника находится первичная питающая обмотка Wi, а на крайних кернах две пары вторичных, измерительных обмоток: w₂—w₃ и w₄—w₅ . Датчик устанавливается внутри корпуса турбины, на стуле подшипника. Между крайними кернами датчика располагается диск (гребень) 1 вала турбины. Зазоры а и б между кернами и диском устанавливаются при настройке с большой точностью. Первичная обмотка датчика питается переменным током 24 или Э6 в через стабилизатор и понижающий трансформатор. Напряжение, индуцируемое во вторичных обмотках, зависит от величины магнитных потоков в левом и правом кернах датчиков. При симметричном положении датчика по отношению к диску магнитные потоки в обоих кернах одинаковы, а так как вторичные обмотки включены встречно, суммарное напряжение, создаваемое в них, равно нулю. В случае появления осевого сдвига ротора один из зазоров а или б уменьшается, а другой увеличивается. В результате этого симметрия магнитных потоков нарушается и в цепи вторичных обмоток по­является э. д. с., равная разности э. д. с., наведенных в обоих кернах, и пропорциональная величине осевого сдвига.

Напряжение со вторичных обмоток поступает на выпрямительные мосты В₁ и В₂. В цепи постоянного тока мостов включены обмотки реле РОС-1 и РОС-2. Одно из них срабатывает три сдвиге ротора в сторону переднего подшипника турбины, а второе в сторону генератора. За положением ротора можно следить по показаниям указывающего прибора УП. Падение напряжения на сопротивлении R₄ служит для подключения самопишущего прибора.

Защита при падении вакуума. Снижение вакуума в конденсаторе приводит к повышению температуры в хвостовой части турбины и к ухудшению работы эжекторов, отсасывающих паровоздушную смесь из конденсатора. В тяжелых случаях потеря вакуума может привести к поломке лопаточного аппарата турбины. Поэтому по мере уменьшения вакуума в конденсаторе бывает необходимо снижать нагрузку турбины. В том случае, когда полная разгрузка турбины не приведет к прекращению снижения вакуума, защита должна остановить турбину.

Рис. 3-30. Схемы защиты при падении вакуума в конденсаторе турбины.

а - с резиновым сильфоном;

б - с двумя металлическими сильфонами.

Для выработки сигнала, останавливающего турбину при исчезновении вакуума, применяются специальные вакуум-реле. Схемы наиболее известных из них показаны на рис. 3-30. Вакуум-реле типа ВРС с резиновым сильфоном изображено на рис. 3-30,а. В дно сильфона 1 ввернут шток 2, соединенный со скобой 3, подтянутой кверху пружиной 4. Конец пружины прикреплен к регулировочному винту 5. На стойках 6 с помощью гаек 7 неподвижно установлены два микропереключателя 8 типа МП-1. Внутреннее пространство резинового сильфона соединено с конденсатором турбины. Натяжение пружины 4 подобрано при настройке реле так, чтобы при нормальном вакууме скоба 3 нажимала на кнопку верхнего переключателя, а контакты его находились в разомкнутом состоянии. Кнопка нижнего переключателя в этом положении свободна. При снижении вакуума до первого установленного предела порядка 650 мм рт. ст. пружина подтягивает скобу кверху и освобождает кнопку верхнего переключателя, который срабатывает и по­дает сигнал в схему технологической сигнализации. При дальнейшем снижении вакуума до 500—540 мм рт. ст. скоба включает нижний микропереключатель, подавая сигнал на отключение турбины.

На рис. 3-30,б показана схема вакуум-реле ЛМЗ с двумя металлическими сильфонами 1. Внутри сильфонов поддерживается давление, подведенное через штуцер 2 из конденсатора. Сильфоны нагружены пружинами 3, натяжение которых настраивается с помощью прокладок. Крышки сильфонов заканчиваются штоками 4, высота которых устанавливается с помощью гаек 5. Над штоками неподвижно укреплены микропереключатели 6", кнопки которых замыкаются при уменьшении вакуума. Один из переключателей срабатывает при снижении вакуума до 650 мм рт. ст., подавая сигнал о нарушении режима. Второй переключатель действует на остановку турбины при дальнейшем снижении вакуума до второго установленного предела.

6-4. ЗАЩИТА ПРИ ПЕРЕПОЛНЕНИИ ВОДОЙ КОРПУСА