基于FPGA技术的汽轮机紧急跳闸系统

唐华俊 曾召文 傅米娜

摘 要：汽轮机紧急跳闸系统（Emergency Trip System，ETS）是在汽轮机某些参数超过其运行限制值时（比如汽轮机超速、润滑油失去、真空失去等），为了使汽轮机尽快将各调门、主汽门完全关闭，而采用的一套泄油系统。一旦发生上述危险状况，ETS系统立即使AST电磁阀失电，泄掉保安油，从而让所有汽机调门和主汽门完全关闭。ETS系统快速、可靠的运行可以避免汽轮机处于危险状况，对于电厂的安全、稳定、高效运行具有重要意义。推荐一种基于现场可编程门阵列（FPGA）技术的多重冗余ETS系统配置方案，不仅满足ETS系统快速响应和高可靠性的要求，还能处理模拟量输入信号。

关键词：ETS 汽轮机紧急跳闸系统 模拟量输入信号 FPGA 现场可编程门整

中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-077-02

1 引言

对于电厂来说，最可怕的就是当汽轮机转速快速飞升，然而ETS系统却并没有发出跳闸指令（拒动）或则没有在规定时间内发出跳闸指令，导致汽轮机飞车事故。如图1、2所示，为南非某电站在进行超速试验时，各种保护失灵，且负责现场手动打闸的人员不在工作岗位上，导致汽轮机飞车的事故现场。另一方面，虽然汽轮机不发生拒动情况，但是汽轮机频繁地误动作，那也是电厂所不能接受的。ETS的拒动和误动不仅给电厂带来了巨大的利益损失，还带来了严重的安全生产风险。所以对于ETS系统来说，最为重要的就是快速响应、安全可靠。目前市场上的ETS系统大多能解决上述的问题，然而这其中的大部分ETS系统却只能处理开关量输入的信号，一旦遇到模拟量输入的信号就无法快速处理。本文描述一种基于FPGA技术的ETS系统配置方案，即可处理模拟量信号，又能达到快速响应和高可靠性的要求。

2 基于FPGA技术的ETS系统配置方案

ETS系统采用FPGA技术，主要是基于FPGA以下两个重要的特性：

（1）FPGA处理速度非常快，通常是纳秒级的；

（2）FPGA不存在软件，所以可以大大降低了ETS系统故障的概率（因为不存在软件故障）。

以上的这两点，保证了ETS系统在处理模拟量输入信号时的快速性，同时FPGA无软件的特性保证了ETS系统的高可靠性，再加之，对ETS系统进行多重冗余配置，可大大地降低系统的拒动和误动概率。

图3为进行了3重冗余配置的ETS系统的原理图，也可根据实际工程需要，配置为4重冗余或其它多重冗余配置，其原理与3重冗余相同。

以下简述这种配置方案的跳闸原理：

ETS系统的输入信号可以分为两类：模拟量信号和开关量信号。模拟量信号经过定值判断比较器模块后输出开关量信号至各序列的表决器模块。开关量信号经过信号分配器后输出至各序列的表决器模块。3条序列上的模块接收相同的输入信号，达到3重冗余功能。

定值判断比较器模块可人为设定定值。当输入信号超越设定值时，比较器输出开关量指令至表决器。

表决器的表决方式取决于信号的设计。典型的表决方式有对信号2取1、3取2、4取2等，具体表决方式可根据实际工程应用进行修改。

根据设计要求，同一种开关量信号（如汽机超速信号1、汽机超速信号2、汽机超速信号3）在同一表决器内独自完成表决功能，表决的结果与其他信号的表决结果做“或”的逻辑之后，输出单序列总跳闸指令至对应的现场跳闸电磁阀（AST电磁阀）。

3 结束语

FPGA产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、航天技术、轨道交通等广泛的领域。它处理速度快，可靠性高的特点正是ETS系统所期望拥有的特性，并且使ETS系统更能快速的处理模拟量输入信号。