S5-95F型汽輪機保護系統分析及常見故障處理

米立海

(華北電力大學，河北 保定 071000)

大型汽輪機組是火力發電廠最重要的設備之一，為確保汽輪發電機組安全可靠運行，在機組上裝設各種安全監視系統和汽輪機危急跳閘系統。安全監視系統在機組啟動或運行過程中，連續監視各種重要的熱工參數，當出現異常或故障危及汽輪發電機組的安全時，汽輪機保護系統應立即動作，關閉主汽門和調速汽門，實行緊急停機，以保護機組的安全。同時，驅動報警系統發出聲光報警信號，以提醒運行人員注意并采取相應措施，避免故障擴大化。華能邯峰電廠一期工程2臺660 MW機組汽輪機保護系統由德國西門子公司設計，在其設計中充分考慮如何防止汽輪機保護拒動，并在不拒動的情況下，采取措施保證機組不誤動。由于西門子公司技術保密，軟件系統屬黑盒子方式，在應用過程中，對工程現場處理缺陷、分析故障帶來很多不便，因此對其特點及常見問題進行分析。

1 系統特點

汽輪機保護系統由電子保護系統(Electronic Protection System，簡稱 “EPS”)、汽輪機跳閘系統(Turbine Trip System，簡稱“TTS”)和電液執行器(Electrohydraulic Actuators，簡稱“EHA”)三部分組成。其中EPS由西門子分散控制系統TXP中的1個AP組成，按照設定的極限值監視汽輪發電機組的跳閘參數，如果發現這些參數接近極限，EPS首先發出預跳閘報警信號；如果參數繼續超越直至達到跳閘值，EPS則發出汽輪機跳閘信號。TTS接收跳閘信號或手動跳閘指令，送給電液執行器跳閘電磁閥，電磁閥斷電使跳閘閥打開，泄掉油動機的油壓，閥門快速關閉切斷汽源，實現汽輪機危急停車。

TTS按照高可用性原則設計，采用西門子公司S5-95F元件組成的故障-安全型自動控制裝置AG-F，每個故障-安全型自動控制裝置AG-F有2個基本控制單元(A1,B1/A2,B2)，由光纜將其相互連接起來形成2取2的冗余，2個基本控制單元同步工作，使用相同的用戶程序。

TTS接收從保護系統送來的跳閘信號，通過控制跳閘電磁閥來實現對機組的保護功能。為防止保護系統拒動，汽輪機的每個截止閥、控制閥都設有2個專用的跳閘電磁閥。這些電磁閥按照斷電流工作原理和2選1邏輯來工作，機組正常運行時，電磁閥帶電，接通高壓供油，截斷泄油通道，閥門按照控制信號的大小開啟或關閉。一旦有1個電磁閥失電，將截斷高壓供油，打開泄油通道，使跳閘閥失壓打開，泄掉油動機里的液壓油，油動機帶動閥門快速關閉，切斷汽源。

為防止誤動，每個汽輪機專用跳閘電磁閥都設有2個獨立的電磁繞組，任意1個繞組通電即可保證跳閘電磁閥處于吸合狀態，也就是說只有當2個繞組都失電時才使跳閘電磁閥失磁跳閘。TTS采用冗余配置，2套TTS的跳閘輸出指令分別控制1個電磁閥的2個繞組，只有當2套TTS都發出跳閘指令時，才會使跳閘電磁閥失磁跳閘，2套TTS均是按照2選2邏輯關系工作的。這樣當1套TTS發生故障時，不會使保護動作造成誤動，如果其中1套TTS由于故障原因失去保護功能時，另外1套TTS按1選1方式工作。

2 核心技術要點

2.1 EPS跳閘準則

EPS跳閘信號通過硬接線連到TTS，EPS的跳閘輸出指令通過6個開關量通道送至TTS，每3個指令信號分為一組，共分成2組跳閘指令。6個通道分別連接到每個S5-95F中央處理單元A、B上，2組跳閘信號分別在TTS內經3選2邏輯運算后啟動停機邏輯。為保證EPS和TTS的可靠連接，每間隔1 h，S5-95F都要發出指令對這6個通道進行自動檢測，以判斷系統連接是否正常。檢測程序也可以通過子機架上的按鈕手動啟動。檢測程序逐一對6個通道進行檢查，確認1個通道正常之后，方才進行下1個通道檢測，若檢測過程中發現通道故障，則停止自動檢測，并向操作員站發出報警信息。

EPS中的跳閘準則有：潤滑油壓力低(3選2)、凝汽器真空低(3選2)、汽機軸向位移超限(3選2)、凝汽器水位高(3選2)、排汽溫度高(3選2)、汽機軸承溫度高(3選2)、軸承振動大(2選2)、發電機套管箱液位高(3選2)、發電機冷氫溫度高(3選2)、潤滑油箱油位超限(3選2)、發電機冷卻水溫度高(3選2)、發電機定子冷卻水流量低(3選2)、發電機三相套管冷卻水流量低(3選2)、火災保護按鈕動作(6選1)、手動排氫按鈕動作(2選1)等。

2.2 主燃料跳閘

主燃料跳閘是機組大連鎖保護之一，為保證可靠動作，主燃料跳閘信號通過2條硬接線連到TTS上，其中任何一個信號觸發都將導致汽輪機跳閘。

2.3 發電機跳閘

發電機跳閘是機組大連鎖保護之一，為保證可靠動作，發變組保護系統跳閘信號通過2條硬接線連到TTS上，其中任何一個信號觸發都將導致汽輪機跳閘。

2.4 啟動裝置

啟動裝置是DCS中的一個設定值控制塊，它的輸出控制著汽輪機主汽門和調速汽門上跳閘電磁閥和先導電磁閥的動作。當啟動裝置的輸出大于12.5%時，復位跳閘信號，汽輪機掛閘；大于22.5%時，主汽門跳閘電磁閥帶電；大于32.5%時，調速汽門跳閘電磁閥帶電；大于42.5%時，截門先導電磁閥失電，主汽門打開。當啟動裝置的輸出小于37.5%時，主汽門先導電磁閥帶電，主汽門關閉；小于27.5%時，調速汽門跳閘電磁閥失電；小于17.5%時，主汽門跳閘電磁閥失電；小于7.5%時，汽輪機跳閘系統中的跳閘信號置位。

4.創新性原則。僵化和固化的評價不僅僅無法實現測評績效，反而會阻滯大學生綜合素質的改善和提升。創新原則可以從多個方面加以改進，能夠實現合理引導的功能，如將學生作為主體參與設計，設計一套新的綜合素質測評方法，等等。

2.5 超速保護

為保證超速保護的可靠性，汽輪機轉速測量回路由6個測速傳感器組成，3個為一組構成一套超速保護回路，對于每個超速保護回路而言，其動作條件為：任意2個通道處于跳閘狀態；一個通道處于跳閘狀態，另一轉速通道故障；任意2個轉速通道故障。

為檢測轉速測量系統的工作情況是否正常，每間隔1 h，S5-95F都要發出指令對這6個轉速測量通道進行自動檢測。通道檢測時，分別選擇測試頻率3 303 r/m和3 295 r/m對單一通道發出測試信號，當選擇3 303 r/m時，測試通道將發出超速報警信號；當選擇3 295 r/m時，測試通道的狀態不變。為避免超速跳閘，S5-95F將在一個通道測試完成，并確認動作正確后再進行下一個通道的測試，當發現某通道動作不正常時，測試程序將中止，以等待相關人員檢查。測試程序也可以通過按鈕手動激活，但不影響自動測試程序。

為確保超速保護不拒動，西門子公司還設計了一套硬件超速保護系統。該系統實際上是由多個繼電器搭接起來的3取2回路，各通道未超速信號經過硬件3選2電路后，將產生2個信號帶動相應的硬件超速繼電器。當硬件超速保護動作時，硬件超速繼電器失電，直接截斷跳閘電磁閥的電源，使汽輪機組跳閘。由此可見，硬件超速保護系統是完全獨立于TTS的，當硬件超速保護動作時，不論TTS是否發出跳閘信號，都會保證汽輪機跳閘正常動作。

2.6 手動打閘

手動打閘是汽輪機保護必需的后備手段。手動打閘按鈕共有2個，一個在主控室控制臺上，另一個在汽輪機機頭處。手動打閘信號也有2條硬接線連到TTS上，只是將2個跳閘按鈕的常閉觸點串聯起來使用，按下任何一個手動打閘按鈕，都將同時觸發2個手動打跳閘信號，任何一個手動打閘信號觸發都將導致汽輪機跳閘。

2.7 通信總線傳送的跳閘準則

TTS和DCS間有2條總線進行通信，也有跳閘準則是通過總線傳送到TTS的，分別為控制油箱油位低(3選2)、控制油壓力低(3選2)和控制油緊急停按鈕動作(2選1)。另外，2條總線同時故障時，也將導致汽輪機跳閘。

2.8 閥門快關模式

閥門快關模式是由主機DEH系統發出的短時跳閘信號，閥門快關信號只作用于調速汽門，截止門不需要快關功能。當由于電氣故障導致斷路器跳閘時，網上負荷瞬間減小為0，DEH系統檢測到負荷變化率超出限值時會觸發負荷中斷信號，輸出閥門快關信號至TTS，由TTS執行調速汽門快關功能。閥門快關模式激活時使汽輪機調速汽門快關一小段時間(一般為幾秒鐘)，快關結束后恢復正常的調節方式，在動作過程中截止門全開保持不動，這是在電網異常工況下保護汽輪機安全的重要手段。

3 系統常見故障處理

a.備用鋰電池問題。在備用鋰電池失效的情況下，西門子TTS的CPU是無法啟動的。有時雖然CPU上的電池故障報警并沒有發出，但實際上當備用鋰電池應用時間過長時，CPU仍然會認為電池故障無法啟動。建議定期更換TTS的備用鋰電池，更換周期建議為1年。

b.單個保護系統死機。由于每個保護系統都包含2個CPU，采取2選2的原理工作，任何一個CPU死機都會導致冗余的CPU同時死機，也就是說，單獨啟動某一個CPU是不可能的。在機組正常運行過程中，如果發生單個保護系統死機，只會導致跳閘電磁閥2個繞組中的1個繞組失電，不會造成汽輪機跳閘。經試驗，對單個保護系統進行重啟不會影響機組的正常運行，但是死機的保護系統重啟成功，不會使斷電的繞組自動帶電。在DCS的邏輯中，啟動裝置發給汽輪機跳閘系統的復位跳閘條件的信號(啟動裝置大于12.5%)是一個脈沖量，只有當汽輪機處于跳閘狀態時該信號才能發出。如果只是單個保護系統死機沒有造成汽輪機跳閘，重啟成功后由于復位跳閘條件的信號不能發出，其對應的跳閘電磁閥的繞組仍然處于失電狀態。要解決這一問題，需要技術人員在工程師站中對啟動裝置的部分信號進行強制。

c.超速保護誤動問題。經了解，使用西門子汽輪機保護系統的許多電廠都曾發生超速保護誤動的問題。如前所述，每間隔1 h，S5-95F都要發出指令對各轉速通道進行自動檢測，某個通道進行超速測試時，該通道是處于跳閘狀態的，此時若其它任何一個轉速通道故障就會造成超速保護誤動。為減少超速保護誤動的概率，建議將S5-95F程序中的轉速回路自動檢測的時間間隔延長。由于S5-95F計時器的固有特性所致，自動檢測的時間最多可延長為9 990 s，即不到3 h(如果想要更長的時間間隔，必須考慮多個計時器串聯的方式)。另外，由于在機組運行期間轉速探頭是不能更換的，建議在機組檢修時加裝一個備用轉速探頭。

d.單個跳閘按鈕誤動問題。在西門子的汽輪機保護信號中，有較多的事故按鈕，任何一個通道故障或信號誤發都可能導致機組保護誤動。這些按鈕包括：火災保護按鈕(6選1)、手動排氫按鈕(2選1)，手動打閘(2選1)和控制油緊急停按鈕(2選1)。2003年10月，因某1個火災保護信號抖動，就曾經導致河北邯峰發電有限責任公司2號機組停運。對于這些保護按鈕信號，可以對保護邏輯進行修改，如改為3選2或2選2，以降低保護誤動的概率。

e.通信模件故障。西門子EPS與DCS通過2條L1總線進行通信，部分跳閘準則是通過L1總線傳送到TTS的，同時TTS的大部分報警信號也是通過這2條L1總線發送給DCS。2條L1總線同時故障時，將導致汽輪機跳閘，所以當其中1條L1總線發生故障時，也是一個非常危險的運行工況。由于每條L1總線上包括1個通信處理器CP530、3個總線終端BT777等通信部件，想一次判斷出具體是哪個部件故障是比較困難的，一般采用排除法對故障部件進行逐個排除。經驗證，在機組正常運行的情況下，對單獨一條L1總線上的通訊部件進行檢修操作是不會影響機組安全運行的。

4 結束語

西門子公司汽輪機保護系統的設計還是比較科學、合理的，通過EPS、TTS、跳閘電磁閥的冗余設置，以及保護準則中的3選2或2選2的冗余方式，它可以有效的防止保護拒動，也可以最大限度的防止保護系統誤動。同時，通過對EPS中部分邏輯進行的修改，可以增加該保護系統工作的安全性和可靠性。

本文責任編輯：王麗斌