汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)的控制原理及改進(jìn)

蔡延龍　邸星杰　陳鵬

摘要：在發(fā)電廠汽輪機(jī)組運(yùn)行的過程中，ETS系統(tǒng)發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，該系統(tǒng)的運(yùn)行不僅可以顯著提升勞動生產(chǎn)率和電能質(zhì)量，還可以進(jìn)一步降低發(fā)電成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。基于此，本文對汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)的控制原理展開分析，并在此基礎(chǔ)上提出從超速保護(hù)、位移保護(hù)以及操作顯示面板等環(huán)節(jié)對系統(tǒng)運(yùn)行加以改進(jìn)，切實提升汽輪機(jī)組ETS系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步為同行業(yè)后續(xù)發(fā)展運(yùn)行提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)ETS系統(tǒng);控制原理;改進(jìn);

Control Principle and Improvement of Steam Turbine ETS System

CAI Yanlong DI Xingjie CHEN Peng

（Hydropower Plant of PetroChina Yumen Oilfield Company， Jiuquan， Gansu Province， 735200 China）

Abstract： ETS system plays a key role in the operation of steam turbine units in power plants. The operation of ETS system can not only significantly improve labor productivity and power quality， but also further reduce power generation costs and improve economic benefits. Based on this， this paper analyzes the control principle of steam turbine ETS system， and proposes to improve the system operation from overspeed protection， displacement protection and operation display panel， so as to effectively improve the safety and stability of steam turbine ETS system operation， so as to provide reference for the follow-up development and operation of the same industry.

Key Words： Turbine ETS system; Control principle; Improvement

0引言

汽輪機(jī)的ETS系統(tǒng)也就是危急遮斷系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行離不開ETS系統(tǒng)的安全保護(hù)。在汽輪機(jī)實際運(yùn)行的過程中，很容易受到外界因素的影響而產(chǎn)生一定的機(jī)組損害問題，這時就可以通過ETS裝置來實施汽輪機(jī)自動緊急遮斷，從而最大限度地保證機(jī)組的安全運(yùn)行。與此同時，這也對ETS系統(tǒng)的可靠性與靈活性提出了更高的要求，因此有必要在當(dāng)前的基礎(chǔ)上加強(qiáng)研究，有效實現(xiàn)ETS系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化與改造。

1汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)的控制原理

1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

汽輪機(jī)組的ETS（Emergency Trip System）系統(tǒng)也就是危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)行主要是為了當(dāng)檢測出安全運(yùn)行狀態(tài)或參數(shù)出現(xiàn)異常的時候可以在第一時間關(guān)閉汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門，切斷所有的系統(tǒng)聯(lián)系，從而防止損害的進(jìn)一步擴(kuò)大。汽輪機(jī)組的ETS系統(tǒng)與DEH系統(tǒng)、TSI系統(tǒng)之間均存在著相應(yīng)的接口，因此在廣義上，危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)還包括熱工監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)以及現(xiàn)場檢測等環(huán)節(jié);而在狹義上只是簡單表示熱工電氣保護(hù)裝置以及相關(guān)原件，在對其運(yùn)行原理進(jìn)行研究的時候，更多也是從狹義層面入手^[1]。ETS系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要由四個危急遮斷電磁閥AST以及兩個OPC電磁閥組成，這部分元件在絕大多數(shù)情況下都是安裝在危急遮斷控制塊上。在正常運(yùn)行的情況下，危急遮斷電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而抗燃油的泄油通道也是封閉的，在這樣的情況下可以有效提升蒸汽閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞下的油壓;而在泄油通道被打開的時候，則會導(dǎo)致蒸汽閥停機(jī)^[2]。

1.2運(yùn)行原理

ETS系統(tǒng)運(yùn)行通過直流110V電源進(jìn)行供電，而危急遮斷電磁閥在電氣控制回路當(dāng)中處于串聯(lián)的安裝方式，充分發(fā)揮雙通道控制理論的重要作用，也就是說，只有在其中兩個通道都存在信號驅(qū)動電磁閥動作的時候才可以完成停機(jī)信號的有效輸出。由此也可以得出，在只有一個通道危急遮斷電磁閥進(jìn)行動作的時候，不能對汽機(jī)進(jìn)行跳閘與停機(jī)，采用這樣的設(shè)計可以最大限度地降低出現(xiàn)保護(hù)誤動和拒動的概率。

2汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)的改進(jìn)分析

2.1實施汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)改進(jìn)的必要性

就當(dāng)前的ETS保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行情況來看，存在很多的弊端與不足：大多數(shù)運(yùn)行機(jī)組都是采用傳統(tǒng)的電子集成電路控制方式;同時在運(yùn)行年限比較長的情況下，其內(nèi)部的繼電器與電子元件均會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的老化情況，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行將會造成十分不利的影響，例如因半導(dǎo)體元件干枯而造成系統(tǒng)可靠性降低等問題。與此同時，采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行安裝的老舊設(shè)備往往在制造工藝上存在弊端，這也會導(dǎo)致其檢修難度的顯著提升，難以顧及檢修死角，形成安全隱患。例如配線種類大多為硬線，就會存在共入同一繼電器的問題;如果內(nèi)部接線的復(fù)雜程度比較高，則會引發(fā)虛線、掉線等隱患。除此以外，還會存在部分元件沒有投退開關(guān)以及廠家停產(chǎn)等問題，這都會給故障的檢修與困難的解決帶來限制。為妥善解決上述問題，提升汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有必要在當(dāng)前的基礎(chǔ)上對ETS控制系統(tǒng)進(jìn)行改造與革新。可以采用可編程控制器技術(shù)完成信號輸入以及相應(yīng)的邏輯運(yùn)算和判斷，進(jìn)而結(jié)合判斷結(jié)果輸出跳機(jī)信號。而且，還可以通過雙PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，兩個PLC內(nèi)部的運(yùn)行邏輯應(yīng)保持一致，即在一個PLC工作的時候，另外一個可以備用，這樣一旦出現(xiàn)故障，另外一個PLC可以在第一時間保證正常工作，并完成相關(guān)故障的檢修，提升設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性^[3]。

2.2汽輪機(jī)ETS系統(tǒng)改進(jìn)原則

為充分保證汽輪機(jī)的可靠性，提升運(yùn)行效果，在對ETS系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)充分遵循以下原則：第一，應(yīng)遵循簡單、獨(dú)立原則，盡可能地減少系統(tǒng)檢修期間不必要的環(huán)節(jié)與時間延遲，同時保證簡單、直接，減少其中的轉(zhuǎn)接與轉(zhuǎn)換;第二，應(yīng)遵循獨(dú)立原則，保護(hù)系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間應(yīng)保持充分的獨(dú)立狀態(tài)，其中的相關(guān)設(shè)計也應(yīng)盡量分開，這也就可以保證在調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，通過保護(hù)系統(tǒng)使汽輪機(jī)停止運(yùn)行;第三，應(yīng)遵循失電跳機(jī)原則，也就是ETS系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中應(yīng)保持獨(dú)立供電，借助交流電源與冗余直流電源完成供電。一旦獨(dú)立供電系統(tǒng)不能正常工作或者失電后保護(hù)邏輯無法順利執(zhí)行的時候就應(yīng)有針對性地設(shè)計失電跳機(jī)方式，同時保證系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的監(jiān)視功能與報警功能;第四，應(yīng)遵循冗余配置原則，也就是保證一套系統(tǒng)工作，而另外一套備用，這樣一旦出現(xiàn)故障就可以通過另一套系統(tǒng)停止汽輪機(jī)運(yùn)行。與此同時，在一套系統(tǒng)處于維修、更換狀態(tài)的時候不能對整體系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，只有這樣才可以有效實現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行水平的不斷提升^[4]。

2.3加強(qiáng)汽輪機(jī)系統(tǒng)邏輯保護(hù)

2.3.1超速保護(hù)

汽輪機(jī)在運(yùn)行的過程中，往往會處于高溫、高壓的環(huán)境，同時其快速轉(zhuǎn)動也會為內(nèi)部部件帶來巨大的離心力，轉(zhuǎn)速越快，離心力也就越大，因此該離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。通常情況下，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動部件具備相應(yīng)的承受極限，其數(shù)值為額定轉(zhuǎn)速的115%～120%，如果超過了這個范圍就很容易引發(fā)部件碰撞、葉片斷裂等安全事故。因此在汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)充分發(fā)揮超速限制的重要作用，就其實際應(yīng)用情況來看，最常見的超速限制主要包括機(jī)械超速保護(hù)系統(tǒng)、EH超速保護(hù)系統(tǒng)以及TS電超速保護(hù)系統(tǒng)^[5]。

2.3.2位移保護(hù)

汽輪機(jī)運(yùn)行過程中其進(jìn)氣參數(shù)與排汽參數(shù)會出現(xiàn)一定的差異，在這樣參數(shù)差的影響下勢必會出現(xiàn)巨大的軸向推力。正常情況下，絕大多數(shù)的軸向推力都會分散給平衡盤或平衡管，而剩余小部分的推力則由推力軸承承擔(dān)。推力軸承上方設(shè)置有推力瓦塊，由推力瓦塊與推力盤共同作用完成推力的承載。但一旦推力超過其最大負(fù)荷，就會引發(fā)推力瓦塊與推力盤之間的干摩擦，嚴(yán)重的時候還會引發(fā)難以預(yù)計的機(jī)械安全事故。與此同時，在再熱機(jī)組運(yùn)行的過程中出現(xiàn)高、中壓缸進(jìn)汽量不平衡的問題時就會引發(fā)汽輪機(jī)推力顯著提升，進(jìn)而造成燒瓦事故的發(fā)生。因此，汽輪機(jī)有必要設(shè)置位移監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)，及時對其中的異常信息進(jìn)行監(jiān)控，并把測得的信號傳送給ETS系統(tǒng)，為后續(xù)的跳機(jī)任務(wù)提供信息支持與數(shù)據(jù)支持^[6]。

2.4顯示操作面板的改進(jìn)

針對ETS系統(tǒng)的改進(jìn)也包括對顯示操作面板的改進(jìn)，在應(yīng)用液晶顯示器可編程面板之后有效代替了原有的硬接線ETS操作面板，進(jìn)而在運(yùn)行上與操作上均實現(xiàn)了較大的提升：首先，在原有的硬接線ETS操作面板上進(jìn)行在線試驗功能操作可以發(fā)現(xiàn)，該面板是通過預(yù)制電纜與ETS控制柜完成信號傳遞，同時因電子元件老化以及指示燈變暗等問題給試驗操作帶來了一定困難;而新的系統(tǒng)則采用觸摸式液晶顯示屏不僅大大提升了操作的便利性與直觀性，還可以顯著縮短接收信號的時間;其次，新面板的應(yīng)用可以在第一時間記錄跳閘原因，保證相關(guān)人員可以有效了解出現(xiàn)跳閘的實際情況，避免被后續(xù)的相關(guān)信號所干擾;而原有的面板系統(tǒng)并不具備這項功能，因此需要其他的設(shè)備幫助完成;最后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報警信號狀態(tài)指示的時候會根據(jù)其具體內(nèi)容發(fā)出“首出”記憶信號，完成第一個遮斷信號的顯示。這樣針對不同的信號信息內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的報警提醒大大方便了相關(guān)運(yùn)行人員的監(jiān)視和操作，進(jìn)而促進(jìn)汽輪機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率的不斷提升^[7]。

2.5電源回路問題的改進(jìn)

為進(jìn)一步保證ETS系統(tǒng)控制電源可以實現(xiàn)消除保護(hù)誤動與冗余切換等功能，需要進(jìn)一步對電源回路進(jìn)行改進(jìn)。其主要的改進(jìn)方法為：將把AST1、ATS3電磁閥的供電電源轉(zhuǎn)換為電源切換以前的狀態(tài)，并通過保護(hù)電源來完成供電功能;同時在AST1與AST3電磁閥電源控制回路上連接操作臺上的汽機(jī)跳閘按鈕，并把并聯(lián)常閉接點(diǎn)連入到AST2與AST4的電磁閥電源控制回路之中。經(jīng)過這樣的改良以后，AST電磁閥會通過UPS與保安段實施獨(dú)立供電，因此在一個控制電源出現(xiàn)故障或者斷電的時候，另外一個依舊保持穩(wěn)定的安全油壓，最大限度地避免了汽輪機(jī)機(jī)組跳閘問題的出現(xiàn)。與此同時，當(dāng)ETS系統(tǒng)的單路控制電源出現(xiàn)切斷現(xiàn)象的時候，危急遮斷液壓組塊結(jié)構(gòu)中的油壓狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)就會被有效觸發(fā)，進(jìn)而對相關(guān)工作人員發(fā)出警報信號，便于在第一時間采取相應(yīng)的解決措施進(jìn)行妥善的檢修與處理。而在PLC系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的時候，操作臺可以直接切斷AST電磁閥供電回路，進(jìn)而出現(xiàn)停機(jī)情況。在完成電源回路問題的改進(jìn)之后，ETS系統(tǒng)控制電源可以充分發(fā)揮冗余互備功能的真正效用，進(jìn)而最大限度地避免了因單路控制電源故障切換而導(dǎo)致的汽輪機(jī)保護(hù)誤動跳閘問題。

3結(jié)語

綜上所述，ETS系統(tǒng)的的運(yùn)行為提升汽輪機(jī)組的安全性與穩(wěn)定性發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，通過對其內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)控，保證可以在第一時間發(fā)現(xiàn)其中的異常情況，從而實施緊急停機(jī)，保障汽輪機(jī)組的運(yùn)行安全。因此在實際工作的過程中，相關(guān)人員應(yīng)不斷提升對ETS控制系統(tǒng)的重視程度，在充分了解、分析其運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，對其開展新一輪的改進(jìn)與革新，從而有效為優(yōu)化ETS邏輯以及保護(hù)系統(tǒng)功能奠定基礎(chǔ)。

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