310 MW汽輪機ETS保護系統可靠性分析及改進

王鵬鵬

(神華國能(神東)電力集團公司天津大港發電廠，天津 300272)

ETS(emergency trip system)，即汽輪機危急遮斷系統，其作用是，當汽輪機運行中重要參數超過允許限值時，該系統立即發出遮斷指令，泄掉安全油，迅速關閉汽輪機全部蒸汽進汽閥門，實現緊急停機保護。ETS對汽輪發電機組安全運行起著舉足輕重的作用，如果ETS安全可靠性不高，將造成主保護誤動或拒動，導致機組非計劃停運，甚至損壞汽輪機部件。就火電廠ETS而言，現在我國尚沒有專門的標準或規范，只是在DL/T 5000—2000《火力發電廠設計技術規程》中給出了一些指導性意見，對其具體實現方式并沒有作出規定。因此，目前國內發電廠已投運的ETS雖然在保護功能上多有相同之處，但在設計理念和可靠性上參差不齊，安全性能值得關注。

某火電廠2臺310 MW機組分別于2011年9月、11月投產發電。汽輪機為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；ETS由汽輪機制造廠家配供，采用AB公司的Controllogix系列PLC控制系統。對ETS保護原理和可靠性分析后發現，這套ETS在I/O點分配、AST(自動停機保護)電磁閥遮斷控制方案、控制系統電源回路等方面的可靠性上還存在較大不足，存在可能導致汽輪機主保護拒動或誤動的隱患。針對這些問題，技術人員制定了改進方案并對ETS進行了一系列的改進和完善。

1 ETS工作原理

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

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，進行切換后作為AST電磁閥和可編程控制器的電源。可編程控制器采用2套AB公司的Controllogix系列PLC控制系統，2套PLC組件(PLC-A、PLC-B)并列運行同時工作。從現場檢測元件和TSI、DEH、MFT柜、發變組保護柜等系統送來的所有跳閘輸入信號進入ETS控制柜后，經端子排轉接，同時送給2套PLC組件，經2套PLC邏輯處理后來控制AST電磁閥。機組正常運行時，4個AST電磁閥帶電動作，建立安全油壓。當有跳機條件產生時，2套PLC組件同時自動進行內部邏輯判斷處理，同時輸出遮斷停機指令斷開4個AST電磁閥電源，使AST電磁閥失電，泄掉汽輪機安全油，實現緊急停機保護。繼電器組件主要用來擴展各跳閘因素信號并輸出至DCS(分布式控制系統)進行報警和事故記錄。

危急遮斷液壓組塊主要由AST電磁閥集成塊和油壓狀態監測開關組成，ETS通過控制4個AST電磁閥， 泄去危急遮斷總管油壓, 實現關閉汽輪機所有閥門的目的。4個AST電磁閥為常帶電設計，遵循失電跳機原則，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) 兩兩并聯后再串聯布置(見圖1)。由于整個跳閘塊采用“雙通道”原理，當一個通道中的任一個AST電磁閥打開時都將使該通道跳閘，但不能使汽輪機進汽閥關閉；只有當2個通道都跳閘時，才能使汽輪機進氣閥關閉，起到跳閘作用。因此，這種設計理念提高了保護的可靠性，可有效地防止保護誤動和拒動。

圖1 跳閘電磁閥油路連接示意

2 ETS可靠性分析

ETS從設計思路上突出體現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組安全運行的要求。但在調試過程中通過對ETS進行分析和相關試驗發現，ETS在I/O點分配、AST電磁閥遮斷控制方案、電源回路等設計可靠性方面還存在以下問題。

2.1 I/O點分配

作為汽輪機的重要保護，冷凝器真空低保護和潤滑油壓低保護在ETS中采用“三重冗余”設計，“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，實時監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信號接線如圖2所示。

圖2 真空低及潤滑油壓低保護信號接線

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組壓力開關引出的冗余跳機信號設計均接在了并列運行PLC組件的同一塊DI輸入卡件上，因此不符合重要保護信號“獨立性”的原則，違反了《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中重要保護信號必須是相互獨立的一次元件和輸入通道的規定。如果機組運行中這塊DI卡件發生故障，3個輸入信號就會同時檢測異常，將會造成主保護誤動或拒動，“三取二”的保護邏輯計也失去意義。

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。這種設計方案在汽機跳閘因素產生時，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，實現停機保護，僅單套PLC組件動作無法實現緊急停機保護。一旦某一套PLC組件任一細小的輸入輸出環節發生接線松動或故障，在這個跳閘因素滿足時，該套PLC組件將不能正常控制相應通道的AST電磁閥，即使另一套PLC組件正確動作也無法實現緊急停機保護，從而導致汽機保護拒動引發重大設備損壞事故。因此，2套PLC組件并不能實現真正意義上的冗余互備功能，不符合ETS必須冗余配置(即當故障時，備用系統仍然具有使汽輪機停止運行的功能，故障系統可在線檢修、更換)的原則要求。

2.3 ETS控制系統電源回路

ETS設計采用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電源轉換模塊，轉換后的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控制系統電源回路

從圖4中可以看出，當UPS和保安段2路電源均正常時，切換后的電源為UPS電源。機組正常運行中，如果UPS電源失電或發生故障時，系統自動通過接觸器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，繼而造成汽輪機進汽閥門突然關閉和保護動作機組跳閘。在按照DL/T 1012—2006《火力發電廠汽輪機監視和保護系統驗收測試規程》進行電源切換試驗時，發現斷開UPS電源后安全油壓降幅很大，DEH閥門自動下關，同時安全油母管上3個用于掛閘狀態判斷的油壓開關也達到動作值；DEH系統檢測到3個掛閘信號消失后，自動發出DEH故障信號，使ETS保護動作機組跳閘。因此，ETS的2路220 V AC電源并不能實現可靠的冗余備用。

3 ETS改進措施

針對ETS存在的上述問題，按照電力行業標準和發電廠重大反事故措施的要求，并遵循“重要保護系統設計必須最大限度地消除可能出現的誤動作和完全消除可能出現的拒動作”的原則，分別進行了以下改進和完善。

3.1 I/O點分配改進

依據DL/T 5428—2009 《火力發電廠熱工保護系統設計規定》中5.3.5第3條(冗余I/O信號應通過不同的I/O模件和通道引入引出)和《國家電網公司發電廠重大反事故措施》中13.2.2條(主要控制器應采用冗余配置，冗余的I/O信號應通過不同的I/O模件引入)的要求，對ETS I/O點進行重新分配。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的數據庫、對應“三取二”遮斷及報警擴展輸出邏輯重新組態。這從根本上保證ETS重要保護信號具有三重冗余的獨立性，實現風險分散，有效避免因單塊卡件故障造成的保護誤動和拒動。

3.2 AST電磁閥遮斷控制方案改進

遵循ETS控制器必須具備冗余保護功能和完全消除保護拒動的原則，將ETS的AST電磁閥遮斷控制方案改進為：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。

改進后，當汽輪機跳閘因素產生時，2列PLC組件中的任一列動作均可以實現危急遮斷功能；當某一列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安全停機，從而實現了ETS控制器的冗余保護功能，同時也消除了保護拒動的隱患。

3.3 ETS控制系統電源回路改進

遵循ETS控制電源應具備冗余切換功能的要求和消除保護誤動的原則，對ETS控制系統的電源回路進行以下改進：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跳閘按鈕原設計的1副常閉接點串接進AST1和AST3電磁閥的電源控制回路，再增加1副并聯的常閉接點串接進AST2和AST4電磁閥的電源控制回路。

改進后，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”設計，當任意一路控制電源失電或故障進行電源切換時，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，機組不會發生保護誤動跳閘。在ETS發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油壓狀態監測開關相應動作，并在DEH操作員站發出報警信號，提示運行人員聯系檢修及時進行處理。當PLC系統故障失靈時，操作臺上的汽機跳閘硬手操按鈕仍可直接切斷AST電磁閥供電回路。實現緊急打閘停機功能。通過上述改進，真正實現了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保護誤動跳閘的隱患。

4 結束語

ETS作為汽輪發電機組的重要保護手段，無論其拒動還是誤動都將造成極其嚴重的后果。該廠針對ETS中可能導致保護拒動和誤動的問題實施上述改進后，提高了ETS保護系統的可靠性，有效避免了汽輪機主保護拒動和誤動的發生，消除了影響安全生產的重大隱患。ETS的改進完善對于保證機組安全穩定運行、降低非計劃停運和設備損壞幾率以及提高企業經濟效益都有積極意義，是對大型發電機組主保護改進方面的有益嘗試。

1 DL/T 5000-2000火力發電廠設計技術規程[S]．

2 中國大唐集團公司．防止電力生產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 巍．汽輪機緊急跳閘系統的設置原則[J]．熱力發電，2008(2).

4 DL/T 1012-2006火力發電廠汽輪機監視和保護系統驗收測試規程[S].

5 DL/T 5428-2009火力發電廠熱工保護系統設計規定[S].6 朱曉星，劉武林，陳 斌．火電廠300 MW機組ETS安全可靠性評估[J]．熱力發電，2009(7).

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