汽機主保護系統跳閘保護回路的研發與應用

齊艷彬

（秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003）

0 引言

《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中9.4.8條明確指出：“汽輪機緊急跳閘系統跳機繼電器應設計為失電動作……，配置有雙通道四跳閘線圈汽輪機緊急跳閘系統的機組，應定期進行汽輪機緊急跳閘系統在線試驗”[1]。本公司1#機組的ETS保護系統出口跳閘回路設計為：出口繼電器跳閘板完成掛閘及失電工作和帶電動作的接點轉換，未通過冗余的PLC邏輯輸出AST跳閘電磁閥的控制接點。此種跳閘回路設計存在重大隱患，可靠性低，會出現“拒動”或者“誤動”，不利于系統的維護工作。為滿足保護系統二十五項反措相關要求，實現ETS保護系統掛閘保持、失電跳機，以及提高ETS系統的功能性，實現ETS系統的跳閘首出和信號測點監視以及AST跳閘電磁閥在線試驗功能，需要重新研發設計優化#1機組汽機ETS系統出口跳閘繼電器控制回路。

1 背景技術

#1機組ETS系統為2005年改造，采用日本OMRON C200H系列PLC的雙PLC并行控制的裝置。AST跳閘回路及其AST電磁閥電源為GE能源上海新華設計生產，AST跳閘電磁閥采用110V交流供電。跳閘繼電器電源、跳閘板及AST電磁閥試驗功能均在DEH系統中。出口跳閘回路設計原理為：采用接點閉合方式輸出跳閘狀態，送至DEH系統機柜的跳閘繼電器板；跳閘繼電器板采用內部的繼電器完成跳閘信號的常開、常閉轉換及自保持，如圖1。此種跳閘回路設計存在重大隱患，當汽輪機保護動作跳閘后，一旦跳閘保護信號消失，而自保持回路無法完成自保持，汽機會自動掛閘，導致汽輪機誤沖動，引發重大安全問題。另外，ETS保護系統作為汽輪機保護最重要的一環，目前的跳閘回路設計功能有限，無法對跳閘回路繼電器進行實時在線監測，可靠性低和靈活性差，會出現“拒動”或者“誤動”。ETS系統目前未完全獨立，跳閘繼電器電源、跳閘板及AST電磁閥試驗功能均在DEH系統中，違反保護系統獨立原則要求。

圖1 原設計出口跳閘繼電器回路Fig.1 Originally designed outlet trip relay circuit

2 設計思路

為防止因設備失電導致汽輪機失去控制，ETS出口跳閘繼電器應設計為失電跳機邏輯?？紤]ETS保護系統“誤動”和“拒動”的情況，以及提高ETS系統的功能性，重新設計改進ETS系統出口跳閘繼電器控制回路[2]。取消跳閘繼電器板的接點轉換和自保持回路，通過PLC邏輯控制跳閘繼電器，在PLC邏輯里使用掛閘復位信號和跳機信號作為鎖存繼電器的輸入信號，從而達到掛閘保持和跳閘信號消失后，沒有接到人為掛閘指令時，跳閘電磁閥在失電狀態，不會造成汽輪機誤掛閘、誤沖轉的嚴重問題。通過16個跳閘繼電器接點的串并聯結構，實現真正意義上的“失電跳機”，同時保證任意兩個以下繼電器故障情況下，AST電磁閥仍然能夠正常動作，從而保證汽輪機組的安全穩定運行。同時，對每個跳閘繼電器進行在線監測，保證在正常運行工況下對跳閘繼電器異常狀態在線監測，有效避免ETS保護系統“誤動”和“拒動”的情況，大大提高ETS系統保護動作的準確性、可靠性，保證機組的安全穩定運行。

3 AST電磁閥跳閘回路設計原理

3.1 雙PLC冗余控制

如圖2所示，采取冗余PLC控制，每個PLC的跳閘保護輸出通道均采用冗余設計。每個PLC跳閘輸出通道為16個，對應并聯至16個跳閘繼電器1A-11～2B-22。

圖2 PLC輸出至跳閘保護控制電路結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of PLC output to trip protection control circuit

通過冗余PLC邏輯控制跳閘繼電器，在PLC邏輯里使用掛閘復位信號和跳機信號作為鎖存繼電器的輸入信號，從而達到掛閘保持和跳閘信號消失后，沒有接到人為掛閘指令時，跳閘電磁閥在失電狀態不會造成汽輪機誤掛閘、誤沖轉的嚴重問題[3]。

表1為不同方式下PLC內部接點狀態。每個PLC初始上電狀態，全部跳閘輸出通道的內部干接點為打開狀態；接到掛閘指令后，常開型（掛閘狀態帶電）跳閘通道內部干接點閉合，常閉型（跳閘狀態帶電）跳閘通道內部干接點仍為打開，此時4個AST電磁閥均帶電，汽輪機組可以沖轉。當發生保護跳閘信號時，跳閘邏輯成立后，常開型（掛閘狀態帶電）跳閘通道內部干接點打開，常閉型（跳閘狀態帶電）跳閘通道內部干接點閉合，此時4個AST電磁閥失電，汽輪機組緊急停機[4]。

表1 跳閘繼電器接點狀態Table 1 Trip relay contact status

3.2 跳閘繼電器接點串并聯結構控制

如圖3所示，每8個繼電器控制一個跳閘通道（A通道，AST1、AST3；B通道，AST2、AST4）的兩個AST電磁閥；每個通道的8個輸出，分散布置在兩個PLC的DO卡上；每個DO卡帶兩個跳閘輸出繼電器，其中一個為常閉型（跳閘狀態帶電），一個為常開型（掛閘狀態帶電）。

圖3 AST跳閘電磁閥保護控制回路結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the protection control loop of the AST trip solenoid valve

通過16個跳閘繼電器接點的串并聯結構，實現真正意義上的“失電跳機”，同時保證任意兩個以下繼電器故障情況下，AST電磁閥仍然能夠正常動作，從而保證汽輪機組的安全穩定運行。

如果兩套PLC系統均失電，PLC輸出跳閘接點斷開，繼電器1A-11～2B-21失電，其常開接點使4個AST電磁閥失電，符合設計要求的“失電跳機”原則。

如果PLC重新上電，因為PLC輸出內部接點仍然在斷開狀態，繼電器1A-11～2B-21失電不會使4個AST電磁閥帶電，除非PLC接到掛閘指令，繼電器1A-11～2B-21帶電，4個AST電磁閥帶電，達到了任何情況下，沒有人為操作，汽機不會掛閘的目的。

即使掛閘帶電繼電器1A-11～2B-21均故障，常開接點不能斷開，只要跳閘帶電繼電器1A-12～2B-22能夠正常動作帶電，其常閉接點斷開使4個AST電磁閥失電，保證了ETS保護系統準確動作。

16個繼電器1A-11～2B-22中任意兩個繼電器故障，例如，當1A-11和1A-21故障，最多使其中AST1電磁閥不能正常工作，其余3個AST電磁閥正常工作，仍然能夠保證兩個通道分別有一個AST電磁閥失電跳機，對整個ETS保護系統跳閘回路控制沒有影響。

機組正常運行時：

1A-111A-212A-112A-211B-111B-212B-112B-21繼電器為帶電狀態，失電跳機。

1A-121A-222A-122A-221B-121B-222B-122B-22繼電器為失電狀態，帶電跳機。

初始上電，均不帶電。

4 AST跳閘電磁閥控制回路的實施效果

4.1 ETS系統可靠性分析

對冗余PLC控制的ETS系統，改進后的ETS保護系統出口跳閘控制回路，在提高ETS保護系統保護動作的正確性、可靠性，跳閘繼電器使用壽命等方面，效果顯著[5]。

單個PLC失電，ETS系統正常運行；另一PLC發出跳閘信號，機組能夠正常跳閘。

單個PLC未失電，但未檢測到跳閘信號，另一PLC檢測到跳閘信號，機組能夠正常跳閘。

PLC的單個跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），只會導致跳閘繼電器并聯回路的單側故障，AST電磁閥不會失電，ETS保護系統不會誤動；PLC檢測到跳閘信號后，跳閘繼電器串聯回路的正常繼電器接點斷開，AST電磁閥失電機組跳閘，ETS保護系統不會拒動。

兩個以下跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），至多導致ETS保護系統單側AST電磁閥失電，ETS保護系統不會誤動。

通過改進PLC內部邏輯控制，實現汽機一旦跳閘，保護信號不消失且不再次按掛閘按鈕，汽機無法掛閘的目的。即在任何情況下，不人為操作，汽機不會掛閘。

4.2 跳閘繼電器報警在線監測

掛閘、跳閘或初始上電狀態，當PLC系統檢測到冗余跳閘信號中的任意一個動作，但不滿足機組跳閘條件，PLC均發出AST繼電器異常報警。

每個跳閘輸出繼電器至少包含3對觸點，其中兩個用于跳閘電磁閥控制；另外一個送至PLC進行跳閘繼電器的動作監測。

在掛閘狀態，任意一個AST繼電器動作（至跳閘狀態）；或跳閘狀態，任意一個AST繼電器未動作（仍為掛閘狀態），PLC均發出AST繼電器異常報警[6]。

5 ETS系統AST電磁閥跳閘保護回路設計的推廣應用

5.1 設計的創新點和效果歸納

創新點：通過研發ETS系統跳閘保護控制電路，在PLC邏輯里使用掛閘復位信號和跳機信號作為鎖存繼電器的輸入信號，實現了掛閘保持、失電跳機；通過16個跳閘繼電器接點的串并聯結構，在任意兩個以下繼電器故障情況下，AST跳閘電磁閥仍然能夠正常動作，有效避免了ETS保護系統的“誤動”和“拒動”，提高了ETS系統保護動作的準確性、可靠性[7]。

效果歸納：①防止ETS系統保護“拒動”：掛閘帶電繼電器1A-11～2B-21均故障，常開接點不能斷開，只要跳閘帶電繼電器1A-12～2B-22能夠正常動作帶電，其常閉接點斷開使4個AST電磁閥失電，保證了ETS保護系統準確動作；②防止ETS系統保護“誤動”：兩個以下跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），至多導致ETS保護系統單側AST電磁閥失電，ETS保護系統不會誤動。

5.2 設計的推廣和應用前景

此次自主研發設計的ETS系統跳閘保護控制電路為16個繼電器，控制兩個AST跳閘通道的4個AST電磁閥，每4個跳閘繼電器組成獨立的串并聯回路控制一個AST電磁閥，使ETS保護系統動作更為準確可靠，適用于所有冗余PLC控制的ETS保護系統。

其中，跳閘控制電路的繼電器數量不必拘泥于16個，亦可簡化為8個繼電器，控制兩個AST跳閘通道的4個AST電磁閥，與上述提供的方案所不同的是，每兩個AST電磁閥由4個繼電器控制。此時，如果單個繼電器發生故障，或者單側AST電磁閥失電，不會引起ETS保護系統的誤動或拒動。

2018年10月至2021年6月，自主研發設計的ETS系統跳閘保護控制電路以年度技改項目的形式，已在公司兩臺215MW、兩臺320MW汽輪發電機組ETS保護系統中完成了實施和應用。經過實際運行檢驗，應用技術效果良好，未發生ETS保護系統“誤動”和“拒動”的情況，大大提高了ETS系統保護動作的準確性、可靠性，保證了機組的安全穩定運行。

6 結束語

本次自主研發設計的ETS系統AST電磁閥跳閘保護控制電路，已獲得國家發明專利，可以廣泛應用于電力生產領域汽輪發電機組的ETS跳閘保護控制回路。

首先，該發明專利成功解決了ETS系統自投產以來一直存在的兩個重要隱患：其一為當汽輪機保護動作跳閘后，一旦跳閘保護信號消失，而自保持回路無法完成自保持，汽機會自動掛閘，導致汽輪機誤沖動，引發重大安全問題。其二為由于跳閘保護控制電路設計功能有限，無法對跳閘回路繼電器進行實時在線監測，可靠性低和靈活性差，ETS系統會出現“拒動”或者“誤動”。

經初步測算，ETS系統“誤動”一次造成機組跳閘，機組重新熱啟動一次燃油消耗：該公司一期兩臺機組熱啟動一次共需消耗燃油約36t，二期兩臺機組熱啟動一次共需消耗燃油約28t，按每噸7000元單價計算，機組啟動僅燃油消耗為44.8萬元；而機組非停一天損失發電量的經濟效益按照標桿電價估算每臺機組就高達約計115萬元，給公司造成巨大的經濟損失。

而由于ETS系統保護“拒動”造成汽輪發電機組設備損壞，直接經濟損失及相關設備維修費用更是不可估量。

自發明專利實施應用后，公司4臺發電機組均未發生ETS保護系統“誤動”和“拒動”的情況，大大提高了ETS系統保護動作的準確性、可靠性，保證了機組的安全穩定運行，創造的經濟效益可觀，適宜向行業內的火力發電廠推廣實施。