发电厂技术论文
ETS系统存在的问题及对策摘 要 通过对300MW机组汽轮机紧急跳闸系统硬件构成、保护功能的介绍，分析系统存在的问题以及解决问题的方法和建议。
关键词 ETS；PLC；AST电磁阀
0 前言
某发电有限责任公司一期工程装机两台国产引进型300MW机组，汽轮机紧急跳闸系统（ETS）的功能由PLC来实现。ETS系统是汽轮发电机组实现安全保护功能的重要设备，该系统监视汽轮机的一些重要参数，当其中的任何一个参数越限时，ETS系统将关闭汽轮机的所有主汽阀和调节汽阀，使汽轮机紧急跳闸停机，以保护设备和人身安全。安全性、可靠性是ETS系统设计时必须考虑的重要指标。
1 ETS系统的硬件构成及逻辑功能
1.1 ETS系统的硬件构成
ETS系统由以下几个部分构成：①1个装设跳闸电磁阀和状态压力开关的紧急跳闸控制块；②3个安装有压力开关和试验电磁阀的试验跳闸块；③主要由双PLC组成的ETS系统逻辑控制部分。由于①、②部分在300MW机组中基本相同，本文重点介绍由双PLC组成的ETS系统逻辑控制部分。
ETS系统逻辑控制部分由PLC1和PLC2组成，它们在硬件配置、电源分配、控制逻辑以及输入信号等方面完全相同，每一跳闸输入信号通过在PLC1和PLC2输入端并联的方式同时送到两个PLC，也就是说从硬件和软件上实现了双重冗余。如图1所示，PLC的型号为OMRON C200H，跳闸信号输入单元为16点IA222模块，输出单元为OC225模块。PLC1的电源模块及其输入输出单元的电源均由U1提供，PLC2的电源模块及其输入输出单元的电源均由U2提供。ETS系统与DCS系统接口通过硬接线方式联接，在DCS中实现ETS系统的相关操作与参数监视。
图1 ETS系统PLC冗余结构图
1.2 ETS系统的逻辑功能
ETS系统作为汽轮发电机组的主要保护系统它所实现的主要保护功能有：汽轮机电超速保护；轴向位移保护；轴承润滑油压低保护；EH油压低保护；凝汽器真空低保护；轴或轴承振动大保护；MFT跳汽轮机；DEH失电停机；DEH110%超速；汽轮机差胀大保护；电气保护动作跳汽轮机；手动紧急停机。上述保护功能由PLC内部逻辑实现，在保护逻辑的设计上采用双通道冗余的方式：润滑油压低、EH油压低、凝汽器真空低压力开关开关采用双通道的布置方式，在PLC内部采用四选二逻辑，即每个通道的压力开关至少有一个动作保护才会动作，有效地防止了保护的误动和拒动。
ETS系统是保证汽轮机安全的重要系统，为了保证保护的可靠动作，防止保护误动、拒动，在机组运行过程中有必要进行在线实验来验证保护回路和设备的工作是否正常。ETS系统设计有3项在线保护试验功能，分别是：EH油压低、轴承润滑油压低、凝汽器真空低。在线进行试验时，通过控制试验跳闸块上的两个试验电磁阀或手动阀来检查EH油压低、轴承润滑油压低、凝汽器真空低等压力开关的动作是否准确及现场AST跳闸电磁阀的动作情况。在PLC中通过编程实现试验选择的互斥逻辑，即每一次只能对某一参数的单侧通道（如A侧EH油压低）进行试验，确保在进行试验时另一侧还有保护功能。
2 ETS系统存在的问题
2.1 ETS系统电源存在严重的安全问题
2.1.1 根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中第12.3.5条的规定：汽轮机紧急跳闸系统所配电源必须可靠，电压波动值不得大于±5%。如图所示，PLC1和PLC2的电源虽然分别由U1、U2提供，但由于U1、U2均来自同一UPS电源，如UPS电源本身故障则ETS系统必然动作使汽轮机跳闸，这显然与设计两路电源提高系统的可靠性这一目标不符。
2.1.2 根据试验发现U1或U2任一电源失去，则EH油压低保护、轴承润滑油压低保护、凝汽器真空低保护都会发生拒动现象，而汽轮机电超速保护、轴向位移保护、振动大保护、MFT跳汽轮机、DEH失电停机、DEH110%超速、汽轮机差胀大保护、电气保护动作跳汽轮机、手动紧急停机等保护则存在误动的可能。
OMRON C200H的输入模块IA222的电路原理如图2a所示，根据戴维南定理可以方便的得出任一输入通道的戴维南等效阻抗Z，那么输入模块IA222的任一通道的电路可以用如图2b所示的电路进行等效变换。由于任一跳闸信号都是在PLC1和PLC2的在输入模块接线端并联，不妨分别在PLC1和PLC2上各取一个输入信号断开和一个输入信号闭合的通道进行定性分析。如图3所示，当PLC1失电时，PLC2的输入模块的电源U2分别经通道Z4、Z2、Z1形成闭合回路，产生回路电流，此回路电流存在于PLC1的所有输入信号通道和PLC2的输入信号断开的通道。同样道理，我们可以对具有多个断开信号和闭合信号输入通道的情况进行类似分析，由于此回路电流的存在，PLC不能准确地识别各输入通道的状态，任何外部干扰（电磁干扰）都会使PLC产生错误的输出结果，导致ETS系统保护误动或拒动。
图2 OMRON IA222输入模块原理图
图3 输入模块失电后的等效电路原理图
2.2 ETS系统在线试验功能不完善，存在安全隐患
ETS系统跳闸回路原理如图4所示，20—1／AST、20—2／AST、20—3／AST、20—4／AST为ETS系统4个跳闸电磁阀，PLC1控制20—1／AST、20—3／AST电磁阀（A侧电磁阀），PLC2控制20—2／AST、20—4／AST电磁阀（B侧电磁阀），只有当A侧和B侧各至少有一个电磁阀失电动作时，才会泄掉AST母管的安全油使汽轮机跳闸。这种双通道的设计方式大大提高了系统的可靠性，能有效地防止保护的误动和拒动。与此相对应，ETS系统设计了三个试验块，实现在线的保护试验功能，在机组正常运行时，运行人员可以定期在DCS系统或在就地试验块进行试验，以此来检测PLC的内部逻辑是否正确，现场压力开关、AST电磁阀是否工作正常。当进行A侧试验时，20—1／AST、20—3／AST电磁阀跳闸，ASP压力升高到与AST母管油压相等，此时K1压力开关动作（大于9.0Mpa闭合），信号送到DCS作为ETS操作面板作为A侧通道跳闸指示。当进行B侧试验时，20—2／AST、20—4／AST电磁阀跳闸，ASP压力降低到与回油压力相等，此时K2压力开关动作（小于4.0Mpa闭合），信号送到DCS作为ETS操作面板作为B侧通道跳闸指示。K1和K2两个压力开关主要用来分别监视A侧、B侧电磁阀的动作情况及是否存在泄露等安全隐患，因此K1、K2的可靠性和定值的准确性对进行在线试验时系统的安全起着至关重要的作用，运行人员在不知AST油压和ASP油压的情况下，仅靠K1、K2压力开关的指示不便进行在线试验。在就地进行在线试验时，由于没有闭锁逻辑，有可能发生A、B侧同时试验的情况。另外，在PLC在线试验逻辑中也存在安全隐患，以EH油压低试验为例来进行说明：当进行A侧EH油压低试验时，PLC内部的试验互斥逻辑禁止进行A侧和B侧的其它试验，当试验进行到复位A侧EH油压低试验后，不管ASP油压是否恢复正常都可进行其它试验，此时如操作员判断不准确，极有可能发生A、B侧同时跳闸的情况。
图4 ETS系统AST电磁阀布置图
3 解决问题的方法及建议
3.1 提高ETS系统供电电源的可靠性：考虑到UPS系统的容量及安全性方面的问题，在每一台机组增加一套UPS系统，两路UPS电源并联运行，然后分别送两路电源至ETS系统，这样PLC1和PLC2的供电问题就得到了很好的解决。
3.2 针对ETS系统PLC输入模块失电后引起保护误动和拒动的情况，可以从以下两个方面来考虑进行整改：①建议对EH油压低保护、轴承润滑油压低保护、凝汽器真空低保护的逻辑进行修改，将接点断开保护动作改为接点闭合保护动作，这样ETS系统的所有跳闸信号都是闭合动作，即使PLC1或PLC2输入模块的电源失去也能使ETS系统保护能正常动作；②将PLC1和PLC2的跳闸输入信号隔离，即将润滑油压低、EH油压低、凝汽器真空低、轴向位移大、ETS超速及10个遥控跳闸输入信号分别送至PLC1和PLC2的输入模块，保证送至PLC1和PLC2的输入模块的信号不发生共用而彼此独立。
3.3 完善ETS系统试验逻辑和关键参数的监视手段：AST油压和ASP油压作为汽轮机紧急跳闸系统的重要参数在DCS系统中长期没有显示，为此我们将AST油压和ASP油压引入DCS系统，如图4所示，P1、P2分别为AST油压和ASP油压，这样我们不但可以监视这两个重要参数，根据测量值判断4个AST电磁阀的泄露情况，而且还可将它们引入到ETS系统的在线试验逻辑中去，在DCS系统中对试验逻辑进行闭锁，即：当A侧通道试验完成后，如ASP压力大于9.0Mpa则闭锁B侧进行试验；当B侧通道试验完成后，如ASP压力小于4.0Mpa则闭锁A侧进行试验。在完善好ETS系统在线试验功能后，对于就地试验功能在机组正常运行时建议弃用。
4 结语
汽轮机紧急跳闸系统的可靠性是设计和维护时必须考虑的首要问题，任何细微的失误都可能会导致严重的后果。经过上述改进，该ETS系统的安全性、可靠性都会得到很大的提高。
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