程小正

一體化ETS系統(tǒng)在大唐蘇州熱電公司中的應(yīng)用

程小正

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215214

主要對(duì)汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)的發(fā)展沿革進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了當(dāng)前汽輪發(fā)電機(jī)組ETS裝置所廣泛采用的PLC裝置和DCS一體化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，介紹了大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司采用的ABB公司的Symphony Plus一體化系統(tǒng)。

汽輪機(jī)；ETS；PLC；一體化

汽輪機(jī)作為高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件，完全依靠人工監(jiān)視、操作是極為不安全的，所以在為汽輪機(jī)裝設(shè)危機(jī)保安器（機(jī)械超速和手動(dòng)打閘）之外，還必須配置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停機(jī)的緊急系統(tǒng)，進(jìn)一步保證機(jī)組安全啟停和正常運(yùn)行，同時(shí)對(duì)汽輪機(jī)的軸向位移、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)等參數(shù)，以及軸承溫度、油壓、真空、主蒸汽溫度等熱工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警和異常保護(hù)。當(dāng)被監(jiān)視的參數(shù)在超過(guò)廠家設(shè)計(jì)規(guī)定報(bào)警值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；在超過(guò)設(shè)備承受極限值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作，關(guān)閉汽輪機(jī)主汽門和調(diào)節(jié)門，實(shí)行緊急停機(jī)。實(shí)現(xiàn)這一功能的控制系統(tǒng)我們稱之為汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，也稱為危急遮斷系統(tǒng)或ETS（Emergency Trip System）系統(tǒng)。

1 概述

從汽輪機(jī)保護(hù)控制系統(tǒng)乃至整個(gè)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，國(guó)外尤其歐美、日本等國(guó)家在該領(lǐng)域的發(fā)展起點(diǎn)高。另外，從現(xiàn)狀來(lái)看，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，而國(guó)外在計(jì)算機(jī)方面的技術(shù)水平高。有這一平臺(tái)的支持，國(guó)外的汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展速度很快。

相較而言，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展起點(diǎn)較低，計(jì)算機(jī)控制方面的技術(shù)水平不足。相關(guān)的汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)也是隨著發(fā)電機(jī)組技術(shù)的引進(jìn)而來(lái)的。目前，國(guó)內(nèi)部分大型火電機(jī)組的汽輪機(jī)保護(hù)方案都是完全進(jìn)口化或者在國(guó)外廠家設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上做了少量改進(jìn)。由我國(guó)自主生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，最初只能夠仿制國(guó)外同類型機(jī)組，后來(lái)在設(shè)備引進(jìn)的同時(shí)也引進(jìn)了設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)技術(shù)。最早國(guó)產(chǎn)化的300?MW機(jī)組，由于整體屬于仿制，部分核心技術(shù)并未掌握，其調(diào)速系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)低容量機(jī)組，如125?MW等系列機(jī)組差不多，配有調(diào)速泵、中間滑閥、危急遮斷閥、飛錘（飛環(huán)）、啟動(dòng)器、同步器等復(fù)雜的機(jī)械調(diào)節(jié)和保護(hù)EH油路，被稱為“液調(diào)”機(jī)組。這種機(jī)組配套的汽輪機(jī)保護(hù)裝置是簡(jiǎn)單的繼電器回路，其保護(hù)邏輯是正邏輯。當(dāng)任一跳閘條件發(fā)生時(shí)，跳閘電磁閥帶電，汽機(jī)跳閘。這種保護(hù)形式很容易因回路、電源等環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障造成保護(hù)拒動(dòng)。

2 ETS裝置發(fā)展歷程

20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Electro-hydraulic Control System）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)和保護(hù)油路。機(jī)組的控制精度得到了大大提高，同時(shí)增強(qiáng)了機(jī)組設(shè)備的安全可靠性。在引進(jìn)主設(shè)備的同時(shí)，與主機(jī)配套的控制系統(tǒng)和控制理念也隨之得到了引進(jìn)?？删幊炭刂破鳎≒LC）和分散控制系統(tǒng)（DCS）在我國(guó)的大范圍應(yīng)用以及國(guó)內(nèi)自身研發(fā)水平的提升，基于計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)的汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)火電機(jī)組有了大范圍的應(yīng)用。2000年以后，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用技術(shù)日趨完善，且取得了一定的成績(jī)。汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究出現(xiàn)了很多新成果。諸多新進(jìn)改造方法的提出使得我國(guó)火電機(jī)組的安全水平得到了有效提升。

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的硬件也在不斷提高。20世紀(jì)70年代中期以前，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)均由電磁繼電器搭設(shè)的控制回路組成，部分采用固態(tài)集成電路構(gòu)成。80年代開(kāi)始采用冗余的標(biāo)準(zhǔn)型可編程序控制器（PLC）。隨著對(duì)人身安全、設(shè)備安全和環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，各工業(yè)生產(chǎn)、制造企業(yè)和儀器、儀表自動(dòng)化行業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程安全功能，即有生產(chǎn)、制造工業(yè)中安全保護(hù)系統(tǒng)的功能給予了極大的關(guān)注。這些關(guān)注最終促成整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步與完善。在80年代中期以后，隨著安全控制理念的提升、微電子技術(shù)和控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)的發(fā)展，專門應(yīng)用于工業(yè)制造、生產(chǎn)安全系統(tǒng)的控制系統(tǒng)、安全型控制設(shè)備和安全解決方案得到迅速發(fā)展和實(shí)際推廣。

在20世紀(jì)90年代國(guó)外火力發(fā)電廠中，安全型控制系統(tǒng)和安全型可編程序控制器有了許多應(yīng)用業(yè)績(jī)，主要用于鍋爐燃燒管理系統(tǒng)（BMS）和汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（ETS）。同時(shí)期，即在我國(guó)火力發(fā)電廠應(yīng)用DCS和PLC的初期，由于對(duì)新設(shè)備、新技術(shù)的陌生，火力發(fā)電機(jī)組采用軟邏輯實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，生產(chǎn)專業(yè)人員對(duì)其動(dòng)作速度和可靠性存有疑慮，因此與機(jī)組安全有關(guān)的功能（如汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)ETS，主燃料跳閘MFT、汽機(jī)防進(jìn)水保護(hù)、主要輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)等）大多數(shù)情況下采用電磁繼電器或固態(tài)集成電路組成的硬接線實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算[1]。

隨著PLC性能和可靠性的提高以及在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠逐步推廣和成功應(yīng)用，還有國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)人身、設(shè)備安全認(rèn)識(shí)和要求不斷提高以及環(huán)保意識(shí)的提升，安全型控制系統(tǒng)越來(lái)越被重視。安全型可編程序控制器在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠的ETS等系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

對(duì)比早期的繼電器組成的硬接線保護(hù)回路和后來(lái)的PLC以及當(dāng)前部分采用的DCS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)保護(hù)裝置，其各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。但就技術(shù)發(fā)展前景來(lái)說(shuō)，早期的繼電器組成的硬回路已經(jīng)失去了優(yōu)勢(shì)，且目前幾乎所用機(jī)組已經(jīng)拋棄了這種方式。由電磁繼電器或固態(tài)集成電路組成的硬接線邏輯保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是直觀，便于檢修、成本低廉。缺點(diǎn)是所需硬件較多，能耗高；硬接線多，故障點(diǎn)多；動(dòng)作遲緩，可靠性差，易引起誤動(dòng)和拒動(dòng)。此外，無(wú)事故追憶功能，不利于事故查找和分析。目前已基本淘汰。

可編程邏輯控制器（PLC）分為普通PLC和安全PLC。安全型PLC是為特殊用途的生產(chǎn)系統(tǒng)或設(shè)備而設(shè)計(jì)的，需要得到第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，滿足各種苛刻的安全性和可靠性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于關(guān)鍵型控制和安全型控制。安全型PLC有兩個(gè)特殊設(shè)計(jì)：一是采用冗余工作方式；二是系統(tǒng)失效是在可預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的，當(dāng)出現(xiàn)失效情況時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入安全模式。采用普通PLC控制的汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有硬接線少、故障率低，易于與其他系統(tǒng)接口的特點(diǎn)。與安全型PLC相比較，硬件成本相對(duì)較低，但可靠性相對(duì)較差。采用安全型PLC的汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)安全系數(shù)高，一次性投入較大，但維護(hù)成本較低，可靠性和繼電器組成的硬接線回路及普通PLC相比最高。整體來(lái)說(shuō)，采用PLC作為控制平臺(tái)的主要原因是汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中邏輯運(yùn)算相對(duì)較少，主要就是開(kāi)關(guān)量的判斷。PLC具有掃描、預(yù)算周期快的特點(diǎn)，能夠更加快速地保護(hù)汽輪機(jī)設(shè)備。

此外，國(guó)內(nèi)不少發(fā)電企業(yè)的控制系統(tǒng)都開(kāi)始采用一體化設(shè)計(jì)，即DCS、DEH以及ETS系統(tǒng)都采用同一品牌的DCS系統(tǒng)，利用DCS實(shí)現(xiàn)ETS功能。

3 ABB公司Symphony Plus一體化ETS系統(tǒng)應(yīng)用

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LCZ60-5.8/1.3/0.58抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組配有一個(gè)高壓主汽門（TV）、一個(gè)高壓調(diào)門（GV）、一個(gè)中壓調(diào)門（IV）。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為高壓抗燃油型數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱DEH Digital Electric Hydraulic），熱工控制系統(tǒng)均采用了ABB公司的Symphony Plus系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DCS一體化，DEH和ETS分別是一體化DCS的一個(gè)組成部分，分別是機(jī)組控制環(huán)路上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示：

圖1 DCS拓?fù)鋱D

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司采用DCS一體化的設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)前DCS控制設(shè)備（包括國(guó)產(chǎn)DCS）、系統(tǒng)的可靠性得到了大大提升，且DCS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的采集、監(jiān)視和記錄。對(duì)比PLC實(shí)現(xiàn)的ETS裝置更為直觀，有助于故障分析，系統(tǒng)擴(kuò)展性和可干預(yù)性強(qiáng)。采用DCS一體化后，熱工專業(yè)在備品、備件管理方面也減輕了負(fù)擔(dān)。人員技術(shù)培訓(xùn)方面投入較少，設(shè)備通用性使得在相關(guān)系統(tǒng)遇到異常情況時(shí)能夠得到及時(shí)解決。但這種設(shè)計(jì)也存在一些問(wèn)題和安全隱患。采用一體化設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)的供電、接地等都處于共用狀態(tài)，受其他系統(tǒng)影響程度較大。在設(shè)計(jì)、施工階段要充分考慮采用獨(dú)立的DCS機(jī)柜，獨(dú)立的控制站、I/O卡件合理分配，可以較大減少系統(tǒng)之間的相互影響[2]。

4 總結(jié)

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司采用了ABB公司的Symphony Plus系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DCS一體化，增強(qiáng)了畫(huà)面監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、組態(tài)靈活、維護(hù)方便等功能，同時(shí)在備品備件工作上也減輕了負(fù)擔(dān)。但是由于ETS在DCS內(nèi)部實(shí)現(xiàn)需要采用單獨(dú)的DCS控制站，要求極快的運(yùn)算速度。DCS系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量較大，運(yùn)算速度增加，是采用DCS實(shí)現(xiàn)ETS功能不如采用專用PLC之處。從目前運(yùn)行情況來(lái)看，整體而言，采用一體化ETS系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如：采用DCS控制的ETS系統(tǒng)比PLC控制的系統(tǒng)硬接線明顯減少，故障率降低了，可靠性提高了，保護(hù)方式更靈活，試驗(yàn)功能輕松實(shí)現(xiàn)；沒(méi)有接口問(wèn)題，與DCS系統(tǒng)共同維護(hù)，具備DCS系統(tǒng)的一切優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)維護(hù)成本大大降低；但缺點(diǎn)是運(yùn)算速度較PLC慢。PLC運(yùn)行速度為25?ms，DCS系統(tǒng)運(yùn)算速度能夠達(dá)到50?ms，但是能夠?qū)崿F(xiàn)ETS保護(hù)功能。因此相比較而言，采用DCS一體化的ETS系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

[1]張傳勝，張華.超超臨界機(jī)組熱控電源系統(tǒng)的應(yīng)用[J].華電技術(shù)，2008，30（1）：63-65.

[2]李博.大型火力發(fā)電廠熱工電源系統(tǒng)配置方案探討[J].吉林電力，2005（4）：7-8.

Integrated ETS System in the Application of Datang SuzhouThermo Power Corporation

Cheng Xiaozheng

Datang Suzhou Thermal Power Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215214

The paper studies the development of the steam turbine ETS system. The advantages of PLC and DCS integrated system widely adopted in ETS unit of steam turbine generator set are compared and analyzed. At the same time, the Symphony Plus integration system of ABB company of Datang Suzhou Thermal Power Co., Ltd. is introduced.

steam turbine; ETS; PLC; integration

TK323

A

1009-6434（2017）10-0070-03