提高西門子T-3000 DEH系統(tǒng)的可靠性研究

俞友群，蔣宇軒

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司 ，浙江 嘉興 314201）

嘉興發(fā)電廠三期工程1 000 MW汽輪機的DEH系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司T-3000控制系統(tǒng)，屬于擴大型的汽輪機控制系統(tǒng)，除汽輪機本體控制外，還涵蓋汽輪機輔助系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)在應(yīng)用中暴露出不少問題，給機組的安全穩(wěn)定運行埋下隱患。為此，從基建階段開始，在了解同類型機組運行中曾經(jīng)出現(xiàn)的問題、吸取其他發(fā)電廠經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展了提高其可靠性的研究，根據(jù)研究結(jié)果對原設(shè)計進(jìn)行了完善。

1 初負(fù)荷運算回路優(yōu)化

7號機組從第一次并網(wǎng)開始，就存在并網(wǎng)后不能迅速帶上初負(fù)荷和出現(xiàn)逆功率等現(xiàn)象，通常持續(xù)約15 s，嚴(yán)重時可達(dá)25 s以上，嚴(yán)重影響機組安全性。8號機組并網(wǎng)后也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題，咨詢廠家調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)其他同類型機組也有類似情況存在。

發(fā)電機組并網(wǎng)后，為避免發(fā)電機逆功率動作，需要帶上一定的初負(fù)荷，通常DEH系統(tǒng)在并網(wǎng)瞬間直接以增大流量指令方式來開大汽輪機調(diào)門。但T-3000系統(tǒng)的初負(fù)荷回路在并網(wǎng)瞬間并不是直接增加流量指令，而是將負(fù)荷設(shè)定值通過正常的PS（負(fù)荷設(shè)定）回路按照升負(fù)荷率逐步提升到初負(fù)荷值，再通過正常的NPR（負(fù)荷控制回路）進(jìn)行計算來開啟閥門。

T-3000 DEH控制系統(tǒng)接收3路功率信號，通過內(nèi)部三選回路（PEL）計算得到最終的功率信號。為保證機組安全，當(dāng)認(rèn)為3路功率信號出現(xiàn)故障、無法計算出準(zhǔn)確的負(fù)荷值時，會將最終的功率值認(rèn)定為1 500 MW，從而使計算回路中的實際功率始終大于負(fù)荷設(shè)定值，最終通過負(fù)荷回路計算后關(guān)閉汽輪機調(diào)閥。在機組并網(wǎng)瞬間，功率信號會有如圖1所示的1個3周（約3 s）的正弦干擾信號，最大值通常可達(dá)到約150 MW，此時系統(tǒng)接收到的負(fù)荷信號為150 MW，或因為PEL回路判斷負(fù)荷信號有故障，因而判定機組負(fù)荷信號為1 500 MW。

圖1 并網(wǎng)瞬間負(fù)荷波動曲線

從圖1可以看到，3個功率信號在并網(wǎng)初期有3周的擾動，持續(xù)約3 s。其中第一個波的尖峰值達(dá)到約160 MW，三選后的功率信號瞬間達(dá)到1 500 MW。因為DEH系統(tǒng)初負(fù)荷設(shè)定值是按照一定的升負(fù)荷率逐步上升的，這種情況下，控制系統(tǒng)判斷實際功率大于負(fù)荷設(shè)定值，因此發(fā)關(guān)閉閥門指令，從而引起發(fā)電機逆功率，只有在功率信號恢復(fù)正常后，通過NPR回路運算，才能逐步開大閥門，通常需要15～25 s才能消除逆功率。從圖1可以看到，OSB指令（DEH調(diào)節(jié)器送到調(diào)閥的流量指令）在并網(wǎng)瞬間明顯向下，因此，調(diào)閥開度關(guān)小，并網(wǎng)后的10 s多時間內(nèi)，功率一直為負(fù)值，即發(fā)電機出現(xiàn)逆功率。

為此，對負(fù)荷運算回路的邏輯進(jìn)行修改：機組并網(wǎng)信號送入PEL運算回路，在該運算回路中增加1個PCL功能塊（脈沖發(fā)生器），1個NSW功能塊（數(shù)值轉(zhuǎn)換開關(guān)）。如圖2所示，電氣功率變送器送來的3個功率信號通過運算后送入新增加的NSW功能塊，當(dāng)并網(wǎng)信號從0變?yōu)?時，PCL功能塊發(fā)出1 s的“1”脈沖，該信號送入NSW功能塊，進(jìn)行功率實際值切換，這1 s內(nèi)功率信號置為0 MW。1 s后，功率信號的擾動消除，系統(tǒng)接收實際功率信號。本邏輯涉及的信號均從FM458邏輯中取信，運算周期短，能迅速實時地響應(yīng)并網(wǎng)信號，屏蔽并網(wǎng)瞬間負(fù)荷擾動。

進(jìn)行以上優(yōu)化后，消除擾動的效果明顯。圖3為增加了切換回路的并網(wǎng)曲線，可以看到三選后的功率在并網(wǎng)瞬間保持為零，躲過第一個明顯的功率信號擾動之后，在第二、第三個波處雖然有輕微的擾動，但OSB指令能持續(xù)上升，在3個擾動波過后，實際的功率信號已經(jīng)為正值，逆功率現(xiàn)象消失。

圖2 負(fù)荷三選邏輯

圖3 更改后并網(wǎng)瞬間負(fù)荷曲線

2 主機保護(hù)存在的問題及其優(yōu)化

根據(jù)國內(nèi)同類型機組的運行經(jīng)驗和出現(xiàn)的問題，對DEH系統(tǒng)主機保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計、邏輯優(yōu)化、現(xiàn)場安裝、隱患排查等問題展開充分討論，進(jìn)行了多項改進(jìn)。現(xiàn)場安裝方面，對所有涉及到保護(hù)的信號，如現(xiàn)場取信、電纜布置、電源分配等都冗余布置，解決了原設(shè)計中存在的主要問題。

2.1 保護(hù)信號未實現(xiàn)真正的冗余

部分模擬量保護(hù)的信號雖然是三取二邏輯，并且也有3個一次元件，但實際上一次元件取信并沒有真正獨立，有些保護(hù)信號的取信不夠合理，稱不上是真正的冗余。

（1）EH油壓力保護(hù)：該保護(hù)邏輯雖然有3個信號，但分別取自2臺EH油泵的出口壓力和母管壓力，并且也未采用三取二邏輯。當(dāng)EH母管壓力高時，表明油系統(tǒng)已正常運行。這時如果運行泵出口壓力低，備泵將自啟動，并要求在5 s內(nèi)出口壓力超過跳機值，否則觸發(fā)跳機。所以從本質(zhì)上來說，EH油壓保護(hù)其實是單點動作。這種邏輯方式從運行模式上看沒有問題，但從熱控保護(hù)的角度看存在以下隱患：

EH油泵出口壓力并不一定等同于EH油母管壓力。當(dāng)EH油泵出口逆止閥后管路出現(xiàn)故障時，可能存在母管壓力低而出口壓力正常的情況，從而可能引起保護(hù)拒動，造成主機主汽門和調(diào)門不受控，動作失常。同類型機組已有類似故障發(fā)生。

因為正常情況下EH油泵只有1臺運行，因此該保護(hù)邏輯從本質(zhì)上來說還是單點保護(hù)，當(dāng)運行泵出口壓力變送器拒動，保護(hù)存在拒動的風(fēng)險。在EH油備泵故障或檢修的情況下，則存在誤動可能。因此，在EH油母管出口上重新開孔，安裝了3個壓力變送器，實現(xiàn)三取二保護(hù)邏輯。

（2）定冷水溫度和氫溫保護(hù)：就地均安裝2個雙支溫度元件，其中1個溫度元件的2支作為三取二信號。按照實際工作經(jīng)驗，當(dāng)雙支溫度元件中的一支故障時，另外一支通常也會很快出現(xiàn)問題，仍然存在安全隱患。因此再增加1個就地元件以實現(xiàn)保護(hù)邏輯三取二信號元件的完全獨立。

2.2 電源和電纜未冗余設(shè)計

在DEH原設(shè)計中，通常對保護(hù)信號的冗余和卡件分卡等考慮得比較周到，但對現(xiàn)場一次元件取信的獨立性考慮得不夠全面，特別是電源，電纜的冗余和獨立性往往被忽視，致使保護(hù)信號并沒有真正獨立，保護(hù)邏輯不能完全實現(xiàn)設(shè)計的目標(biāo)，存在較大的安全隱患。而根據(jù)機組運行的實際情況，一次元件、電源、電纜等現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障引起保護(hù)誤動是最頻繁的。因此，對手動停機按鈕、硬超速回路、LVDT供電的回路等均進(jìn)行了改進(jìn)。

（1）T-3000系統(tǒng)的主機超速保護(hù)配置了6個轉(zhuǎn)速測量回路，組成2個完全獨立的三選二轉(zhuǎn)速保護(hù)回路，任一回路動作，主機都會跳閘。每一個轉(zhuǎn)速保護(hù)回路又有2套實現(xiàn)方式，一套為軟回路，即在控制系統(tǒng)中判斷超速；另一套為硬回路，通過繼電器構(gòu)成三取二判斷邏輯。主機各閥門的快關(guān)電磁閥電源由T-3000系統(tǒng)的FDO卡件提供，F(xiàn)DO卡的電源則通過超速硬回路和操作臺停機按鈕得到。這樣，當(dāng)硬超速回路動作斷開，或操作臺停機按鈕被按下，F(xiàn)DO卡將失電，各閥門的快關(guān)電磁閥失電跳閘。原操作臺停機按鈕雖然有2個，但從DEH柜送到按鈕的電源電纜只有1根，即只有1路電源。為提高該供電回路的可靠性，又增加1路供電電源。操作臺停機按鈕送到DEH硬超速保護(hù)回路雖然是2根電纜，但分別對應(yīng)1組硬超速回路，任何1根電纜故障都會引起1路硬超速回路動作，從而觸發(fā)主機跳閘。因此，采用了在DEH柜內(nèi)將2根電纜并聯(lián)的方式，只有在2根電纜同時故障才會跳閘。

（2）原設(shè)計中，就地手動停機按鈕為單按鈕，容易誤動。改為并聯(lián)的雙按鈕設(shè)計后，必須同時按下2個按鈕，常閉觸點才會斷開以觸發(fā)主機保護(hù)。DEH到2個按鈕的信號電纜要求各自獨立，按鈕的并聯(lián)在DEH柜中實現(xiàn)，以避免電纜故障引起保護(hù)誤動。

（3）原廠家設(shè)計2個中壓主汽門LVDT共用1路電源，進(jìn)入同一塊ADDFEM卡，2個高壓主汽門LVDT共用1路電源，進(jìn)入同一塊ADDFEM卡。由于ADDFEM卡數(shù)量有限，無法完成各閥門在卡件上完全分開。考慮到百萬機組汽輪機允許短時間內(nèi)單側(cè)進(jìn)汽運行，為避免兩側(cè)主汽門同時失去監(jiān)視或判斷為關(guān)閉引起機組跳閘，對信號分布重新布置，不同側(cè)的閥門LVDT信號不得進(jìn)入同一塊ADDFEM卡。在LVDT供電回路設(shè)計上，利用空余的電源開關(guān)，將各閥門的LVDT供電電源分開。

2.3 邏輯完善

（1）根據(jù)機組運行的實際情況，取消了一些不必要的保護(hù)邏輯和就地按鈕，如：EH油箱液位低跳EH油泵，勵磁機風(fēng)溫高跳主機保護(hù)，凝汽器水位高跳主機保護(hù)，就地火警按鈕，EH油泵緊急停泵按鈕等。

（2）溫度測點增加速率限制，限值為10℃/s，超限即判斷為故障并予以切除。

（3）對于所有模擬量信號的保護(hù)（軸向位移、潤滑油壓低除外），為防止信號抖動，在不影響機組安全的前提下，增加3 s延時。

（4）確認(rèn)閥門關(guān)閉電磁閥斷線時，將該閥門閥限設(shè)為0，調(diào)門關(guān)閉伺服閥，主汽門關(guān)閉方向閥，以免因單個閥門關(guān)閉電磁閥動作而使整個EH油系統(tǒng)卸油，造成EH油壓力低跳閘。

3 報警系統(tǒng)、畫面監(jiān)視和通信系統(tǒng)完善

DEH報警系統(tǒng)完善主要包括兩部分：自身系統(tǒng)硬件故障報警和生產(chǎn)過程量的越限報警。

（1）T-3000 DEH系統(tǒng)的電源、網(wǎng)絡(luò)、控制器等均采用了冗余配置，但當(dāng)冗余部件單側(cè)故障時，如果不能及時報警和盡快處理故障，冗余配置的作用也就不能充分發(fā)揮。從各同類型機組的運行情況看，T-3000系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障的情況較多，包括控制器、電源、服務(wù)器和通信卡都有相關(guān)的故障報告。而在原廠家設(shè)計中，對于冗余部件單側(cè)故障的報警做得不夠好，如單側(cè)電源失電、單側(cè)網(wǎng)絡(luò)故障等均無報警畫面，已有的控制器故障報警畫面也不夠直觀。因此，在基建和調(diào)試階段，增加了冗余電源單路失電、冗余控制器單路故障、單側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)故障報警功能和系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)視畫面，所有報警信號均送入大屏報警。機組移交生產(chǎn)后，7號機DEH系統(tǒng)也曾發(fā)生單側(cè)控制器死機現(xiàn)象，因為報警功能完善，才能立刻發(fā)現(xiàn)問題并及時得到了處理。

（2）主機保護(hù)邏輯中有一些用于計算的模擬量信號，如高壓缸內(nèi)缸90%溫度（共3點，用于計算高排溫度跳機值），連通管蒸汽壓力（共3點，用于計算真空跳機值）。原設(shè)計中通過計算得到的實際保護(hù)動作值在操作員畫面上沒有顯示，而僅顯示固定的最大值，不能及時發(fā)現(xiàn)危險所在，因此，在保護(hù)畫面中增加了計算值的顯示。

（3）很多三選的重要信號（特別是在FM458中的信號），如功率、轉(zhuǎn)速等，在顯示畫面上只有三選后的信號，而沒有單個的信號，不利于及時發(fā)現(xiàn)故障，因此增加了FM458重要信號顯示畫面。其中，原設(shè)計中主機轉(zhuǎn)速只有3個用于控制的信號送入DEH系統(tǒng)顯示，另外1組3個轉(zhuǎn)速信號只顯示在DEH控制柜內(nèi)的轉(zhuǎn)速表上，而沒有送到操作員站顯示，如果這1組轉(zhuǎn)速信號出現(xiàn)故障，運行人員是無法及時發(fā)現(xiàn)的，嚴(yán)重影響了機組的安全性。因此進(jìn)行了更改，將這3路轉(zhuǎn)速信號送入ADDFEM3卡件，并送到畫面顯示。

（4）完善至DCS的通信信號和大屏報警，共增加通信點近300個，保證重要信號均在DCS側(cè)有顯示，重要故障都有大屏報警。

4 結(jié)語

嘉興發(fā)電廠三期工程2臺百萬機組移交生產(chǎn)后，實現(xiàn)了1年內(nèi)不因熱控原因造成非計劃停機的預(yù)期目標(biāo)，其中，DEH系統(tǒng)可靠性優(yōu)化措施發(fā)揮了積極作用，為今后提高機組運行可靠性、降低熱工保護(hù)信號誤動提供了新思路。

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