王鵬鵬

(神華國能(神東)電力集團(tuán)公司天津大港發(fā)電廠，天津 300272)

ETS(emergency trip system)，即汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)，其作用是，當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行中重要參數(shù)超過允許限值時，該系統(tǒng)立即發(fā)出遮斷指令，泄掉安全油，迅速關(guān)閉汽輪機(jī)全部蒸汽進(jìn)汽閥門，實現(xiàn)緊急停機(jī)保護(hù)。ETS對汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行起著舉足輕重的作用，如果ETS安全可靠性不高，將造成主保護(hù)誤動或拒動，導(dǎo)致機(jī)組非計劃停運(yùn)，甚至損壞汽輪機(jī)部件。就火電廠ETS而言，現(xiàn)在我國尚沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，只是在DL/T 5000—2000《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中給出了一些指導(dǎo)性意見，對其具體實現(xiàn)方式并沒有作出規(guī)定。因此，目前國內(nèi)發(fā)電廠已投運(yùn)的ETS雖然在保護(hù)功能上多有相同之處，但在設(shè)計理念和可靠性上參差不齊，安全性能值得關(guān)注。

某火電廠2臺310 MW機(jī)組分別于2011年9月、11月投產(chǎn)發(fā)電。汽輪機(jī)為NCK310—17.75/540/540型亞臨界、中間一次再熱、三缸、雙排汽、單軸、直接空冷抽汽冷凝式汽輪機(jī)；ETS由汽輪機(jī)制造廠家配供，采用AB公司的Controllogix系列PLC控制系統(tǒng)。對ETS保護(hù)原理和可靠性分析后發(fā)現(xiàn)，這套ETS在I/O點分配、AST(自動停機(jī)保護(hù))電磁閥遮斷控制方案、控制系統(tǒng)電源回路等方面的可靠性上還存在較大不足，存在可能導(dǎo)致汽輪機(jī)主保護(hù)拒動或誤動的隱患。針對這些問題，技術(shù)人員制定了改進(jìn)方案并對ETS進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和完善。

1 ETS工作原理

ETS主要由ETS控制柜、危急遮斷液壓組塊、現(xiàn)場檢測元件等組成，實現(xiàn)以下汽輪機(jī)主保護(hù)功能：冷凝器真空低保護(hù)、潤滑油壓低保護(hù)、EH(electronic hydraulic，電子液壓系統(tǒng))油壓低保護(hù)、AST超速保護(hù)(110 %)、TSI(turbine supervisory instrument system，汽輪機(jī)監(jiān)視系統(tǒng))超速保護(hù)(109 %)、振動越限保護(hù)、軸位移越限保護(hù)、脹差越限保護(hù)、手動停機(jī)保護(hù)、高壓缸異常保護(hù)、DEH(digital electro-hydraulic control syetem，汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))失電或故障保護(hù)、MFT(main fuel trip，主燃料跳閘)聯(lián)鎖保護(hù)、發(fā)變組聯(lián)鎖保護(hù)等。

ETS控制柜主要包括電源組件、可編程控制器、端子排和繼電器組件等。電源組件接收2路220 V AC冗余輸入電源，進(jìn)行切換后作為AST電磁閥和可編程控制器的電源?？删幊炭刂破鞑捎?套AB公司的Controllogix系列PLC控制系統(tǒng)，2套PLC組件(PLC-A、PLC-B)并列運(yùn)行同時工作。從現(xiàn)場檢測元件和TSI、DEH、MFT柜、發(fā)變組保護(hù)柜等系統(tǒng)送來的所有跳閘輸入信號進(jìn)入ETS控制柜后，經(jīng)端子排轉(zhuǎn)接，同時送給2套PLC組件，經(jīng)2套PLC邏輯處理后來控制AST電磁閥。機(jī)組正常運(yùn)行時，4個AST電磁閥帶電動作，建立安全油壓。當(dāng)有跳機(jī)條件產(chǎn)生時，2套PLC組件同時自動進(jìn)行內(nèi)部邏輯判斷處理，同時輸出遮斷停機(jī)指令斷開4個AST電磁閥電源，使AST電磁閥失電，泄掉汽輪機(jī)安全油，實現(xiàn)緊急停機(jī)保護(hù)。繼電器組件主要用來擴(kuò)展各跳閘因素信號并輸出至DCS(分布式控制系統(tǒng))進(jìn)行報警和事故記錄。

危急遮斷液壓組塊主要由AST電磁閥集成塊和油壓狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)組成，ETS通過控制4個AST電磁閥， 泄去危急遮斷總管油壓, 實現(xiàn)關(guān)閉汽輪機(jī)所有閥門的目的。4個AST電磁閥為常帶電設(shè)計，遵循失電跳機(jī)原則，通道1電磁閥(20-1/AST和20-3/AST)和通道2電磁閥(20-2/AST和20-4/AST) 兩兩并聯(lián)后再串聯(lián)布置(見圖1)。由于整個跳閘塊采用“雙通道”原理，當(dāng)一個通道中的任一個AST電磁閥打開時都將使該通道跳閘，但不能使汽輪機(jī)進(jìn)汽閥關(guān)閉；只有當(dāng)2個通道都跳閘時，才能使汽輪機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)閉，起到跳閘作用。因此，這種設(shè)計理念提高了保護(hù)的可靠性，可有效地防止保護(hù)誤動和拒動。

圖1 跳閘電磁閥油路連接示意

2 ETS可靠性分析

ETS從設(shè)計思路上突出體現(xiàn)了保證危急遮斷的快速性、可靠性，正常情況下基本能滿足機(jī)組安全運(yùn)行的要求。但在調(diào)試過程中通過對ETS進(jìn)行分析和相關(guān)試驗發(fā)現(xiàn)，ETS在I/O點分配、AST電磁閥遮斷控制方案、電源回路等設(shè)計可靠性方面還存在以下問題。

2.1 I/O點分配

作為汽輪機(jī)的重要保護(hù)，冷凝器真空低保護(hù)和潤滑油壓低保護(hù)在ETS中采用“三重冗余”設(shè)計，“三取二”動作于跳閘。就地冷凝器和潤滑油母管上分別安裝了3個取樣管路相互獨立的壓力開關(guān)，實時監(jiān)測冷凝器真空和潤滑油壓是否越限。ETS控制柜中3組真空低及潤滑油壓低保護(hù)信號接線如圖2所示。

圖2 真空低及潤滑油壓低保護(hù)信號接線

圖2中2DIA、2DIB分別代表PLC-A組件和PLC-B組件的第2塊DI輸入卡件，可以看出，在PLC的I/O點分配上，從就地3組壓力開關(guān)引出的冗余跳機(jī)信號設(shè)計均接在了并列運(yùn)行PLC組件的同一塊DI輸入卡件上，因此不符合重要保護(hù)信號“獨立性”的原則，違反了《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》中重要保護(hù)信號必須是相互獨立的一次元件和輸入通道的規(guī)定。如果機(jī)組運(yùn)行中這塊DI卡件發(fā)生故障，3個輸入信號就會同時檢測異常，將會造成主保護(hù)誤動或拒動，“三取二”的保護(hù)邏輯計也失去意義。

2.2 AST電磁閥遮斷控制方案

ETS中4個AST電磁閥的控制回路接線如圖3所示。

圖3 AST電磁閥控制回路接線

圖3中1DOA、1DOB分別代表PLC-A組件和PLC-B組件的第1塊DO輸出卡件，可以看出ETS的AST電磁閥遮斷控制方案設(shè)計為：PLC-A組件控制AST1和AST3電磁閥，其遮斷輸出指令接點串接在AST1和AST3的供電回路中；PLC-B組件控制AST2和AST4電磁閥，其輸出遮斷指令接點串接在AST2和AST4的供電回路中。這種設(shè)計方案在汽機(jī)跳閘因素產(chǎn)生時，必須2套PLC組件均正確動作才能使2個AST通道失電打開泄油，實現(xiàn)停機(jī)保護(hù)，僅單套PLC組件動作無法實現(xiàn)緊急停機(jī)保護(hù)。一旦某一套PLC組件任一細(xì)小的輸入輸出環(huán)節(jié)發(fā)生接線松動或故障，在這個跳閘因素滿足時，該套PLC組件將不能正?？刂葡鄳?yīng)通道的AST電磁閥，即使另一套PLC組件正確動作也無法實現(xiàn)緊急停機(jī)保護(hù)，從而導(dǎo)致汽機(jī)保護(hù)拒動引發(fā)重大設(shè)備損壞事故。因此，2套PLC組件并不能實現(xiàn)真正意義上的冗余互備功能，不符合ETS必須冗余配置(即當(dāng)故障時，備用系統(tǒng)仍然具有使汽輪機(jī)停止運(yùn)行的功能，故障系統(tǒng)可在線檢修、更換)的原則要求。

2.3 ETS控制系統(tǒng)電源回路

ETS設(shè)計采用220 V AC一種等級的電源作為PLC控制電源和AST電磁閥動力電源。ETS控制柜接收來自UPS和保安段的2路220 V AC冗余電源輸入，經(jīng)電源切換裝置(接觸器OJ)切換后直接給4個AST電磁閥和2組PLC組件供電，同時還供給1PS和2PS這2個220 V AC/24 V DC電源轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換后的24 V DC電源作為PLC的2路冗余I/O電源。其電源回路如圖4所示。

圖4 ETS控制系統(tǒng)電源回路

從圖4中可以看出，當(dāng)UPS和保安段2路電源均正常時，切換后的電源為UPS電源。機(jī)組正常運(yùn)行中，如果UPS電源失電或發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動通過接觸器OJ切換至保安段電源供電。雖然接觸器動作過程很快，2路PLC組件的正常工作不會受到影響，但由于切換后的220 V AC電源直接給4個AST電磁閥供電，在接觸器動作電源切換的瞬間必將導(dǎo)致4個AST電磁閥短暫失電，使AST油管瞬時失壓，繼而造成汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門突然關(guān)閉和保護(hù)動作機(jī)組跳閘。在按照DL/T 1012—2006《火力發(fā)電廠汽輪機(jī)監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》進(jìn)行電源切換試驗時，發(fā)現(xiàn)斷開UPS電源后安全油壓降幅很大，DEH閥門自動下關(guān)，同時安全油母管上3個用于掛閘狀態(tài)判斷的油壓開關(guān)也達(dá)到動作值；DEH系統(tǒng)檢測到3個掛閘信號消失后，自動發(fā)出DEH故障信號，使ETS保護(hù)動作機(jī)組跳閘。因此，ETS的2路220 V AC電源并不能實現(xiàn)可靠的冗余備用。

3 ETS改進(jìn)措施

針對ETS存在的上述問題，按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)電廠重大反事故措施的要求，并遵循“重要保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計必須最大限度地消除可能出現(xiàn)的誤動作和完全消除可能出現(xiàn)的拒動作”的原則，分別進(jìn)行了以下改進(jìn)和完善。

3.1 I/O點分配改進(jìn)

依據(jù)DL/T 5428—2009 《火力發(fā)電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定》中5.3.5第3條(冗余I/O信號應(yīng)通過不同的I/O模件和通道引入引出)和《國家電網(wǎng)公司發(fā)電廠重大反事故措施》中13.2.2條(主要控制器應(yīng)采用冗余配置，冗余的I/O信號應(yīng)通過不同的I/O模件引入)的要求，對ETS I/O點進(jìn)行重新分配。將3個冗余的冷凝器真空低輸入信號和3個冗余的潤滑油壓低輸入信號分散接入到每列PLC組件的3個不同DI卡件通道上，并對PLC的數(shù)據(jù)庫、對應(yīng)“三取二”遮斷及報警擴(kuò)展輸出邏輯重新組態(tài)。這從根本上保證ETS重要保護(hù)信號具有三重冗余的獨立性，實現(xiàn)風(fēng)險分散，有效避免因單塊卡件故障造成的保護(hù)誤動和拒動。

3.2 AST電磁閥遮斷控制方案改進(jìn)

遵循ETS控制器必須具備冗余保護(hù)功能和完全消除保護(hù)拒動的原則，將ETS的AST電磁閥遮斷控制方案改進(jìn)為：PLC-A組件控制AST1和AST2電磁閥，將其輸出遮斷指令接點串接在AST1和AST2的供電回路中；PLC-B組件控制AST3和AST4電磁閥，其輸出遮斷指令接點串接在AST3和AST4的供電回路中。

改進(jìn)后，當(dāng)汽輪機(jī)跳閘因素產(chǎn)生時，2列PLC組件中的任一列動作均可以實現(xiàn)危急遮斷功能；當(dāng)某一列PLC組件失靈時，另一列PLC組件在緊急情況下也能保證汽輪機(jī)安全停機(jī)，從而實現(xiàn)了ETS控制器的冗余保護(hù)功能，同時也消除了保護(hù)拒動的隱患。

3.3 ETS控制系統(tǒng)電源回路改進(jìn)

遵循ETS控制電源應(yīng)具備冗余切換功能的要求和消除保護(hù)誤動的原則，對ETS控制系統(tǒng)的電源回路進(jìn)行以下改進(jìn)：將AST1和AST3電磁閥的供電電源改在電源切換之前，由ETS控制柜的UPS電源直接供電；將AST2和AST4電磁閥的供電電源改在電源切換之前，由ETS控制柜的保安電源直接供電；同時將操作臺上汽機(jī)跳閘按鈕原設(shè)計的1副常閉接點串接進(jìn)AST1和AST3電磁閥的電源控制回路，再增加1副并聯(lián)的常閉接點串接進(jìn)AST2和AST4電磁閥的電源控制回路。

改進(jìn)后，危急遮斷液壓組塊2個跳閘通道上的AST電磁閥分別由UPS和保安段2路獨立電源供電。由于4個AST電磁閥為“雙通道”設(shè)計，當(dāng)任意一路控制電源失電或故障進(jìn)行電源切換時，只有1個AST跳閘通道動作，另一個AST跳閘通道的2個AST電磁閥仍帶電維持安全油壓，機(jī)組不會發(fā)生保護(hù)誤動跳閘。在ETS發(fā)生單路控制電源失電后，危急遮斷液壓組塊上的63-1/ASP和63-2/ASP油壓狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)相應(yīng)動作，并在DEH操作員站發(fā)出報警信號，提示運(yùn)行人員聯(lián)系檢修及時進(jìn)行處理。當(dāng)PLC系統(tǒng)故障失靈時，操作臺上的汽機(jī)跳閘硬手操按鈕仍可直接切斷AST電磁閥供電回路。實現(xiàn)緊急打閘停機(jī)功能。通過上述改進(jìn)，真正實現(xiàn)了ETS控制電源的冗余互備功能，從根本上消除了單路控制電源失電或故障切換時汽輪機(jī)保護(hù)誤動跳閘的隱患。

4 結(jié)束語

ETS作為汽輪發(fā)電機(jī)組的重要保護(hù)手段，無論其拒動還是誤動都將造成極其嚴(yán)重的后果。該廠針對ETS中可能導(dǎo)致保護(hù)拒動和誤動的問題實施上述改進(jìn)后，提高了ETS保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，有效避免了汽輪機(jī)主保護(hù)拒動和誤動的發(fā)生，消除了影響安全生產(chǎn)的重大隱患。ETS的改進(jìn)完善對于保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低非計劃停運(yùn)和設(shè)備損壞幾率以及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都有積極意義，是對大型發(fā)電機(jī)組主保護(hù)改進(jìn)方面的有益嘗試。

1 DL/T 5000-2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S]．

2 中國大唐集團(tuán)公司．防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求[M]．北京:中國電力出版社，2006.

3 張 烈，呂 凱，熊 ?。啓C(jī)緊急跳閘系統(tǒng)的設(shè)置原則[J]．熱力發(fā)電，2008(2).

4 DL/T 1012-2006火力發(fā)電廠汽輪機(jī)監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)驗收測試規(guī)程[S].

5 DL/T 5428-2009火力發(fā)電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定[S].6 朱曉星，劉武林，陳 斌．火電廠300 MW機(jī)組ETS安全可靠性評估[J]．熱力發(fā)電，2009(7).

7 牟福祥．汽輪機(jī)ETS裝置跳閘電源可靠性分析與改進(jìn)[J].電力安全技術(shù)，2013(5).