310 MW汽轮机ETS保护系统可靠性分析及改进

王鹏鹏

(神华国能(神东)电力集团公司天津大港发电厂，天津 300272)

ETS(emergency trip system)，即汽轮机危急遮断系统，其作用是，当汽轮机运行中重要参数超过允许限值时，该系统立即发出遮断指令，泄掉安全油，迅速关闭汽轮机全部蒸汽进汽阀门，实现紧急停机保护。ETS对汽轮发电机组安全运行起着举足轻重的作用，如果ETS安全可靠性不高，将造成主保护误动或拒动，导致机组非计划停运，甚至损坏汽轮机部件。就火电厂ETS而言，现在我国尚没有专门的标准或规范，只是在DL/T 5000—2000《火力发电厂设计技术规程》中给出了一些指导性意见，对其具体实现方式并没有作出规定。因此，目前国内发电厂已投运的ETS虽然在保护功能上多有相同之处，但在设计理念和可靠性上参差不齐，安全性能值得关注。

某火电厂2台310 MW机组分别于2011年9月、11月投产发电。汽轮机为NCK310—17.75/540/540型亚临界、中间一次再热、三缸、双排汽、单轴、直接空冷抽汽冷凝式汽轮机；ETS由汽轮机制造厂家配供，采用AB公司的Controllogix系列PLC控制系统。对ETS保护原理和可靠性分析后发现，这套ETS在I/O点分配、AST(自动停机保护)电磁阀遮断控制方案、控制系统电源回路等方面的可靠性上还存在较大不足，存在可能导致汽轮机主保护拒动或误动的隐患。针对这些问题，技术人员制定了改进方案并对ETS进行了一系列的改进和完善。

1 ETS工作原理

ETS主要由ETS控制柜、危急遮断液压组块、现场检测元件等组成，实现以下汽轮机主保护功能：冷凝器真空低保护、润滑油压低保护、EH(electronic hydraulic，电子液压系统)油压低保护、AST超速保护(110 %)、TSI(turbine supervisory instrument system，汽轮机监视系统)超速保护(109 %)、振动越限保护、轴位移越限保护、胀差越限保护、手动停机保护、高压缸异常保护、DEH(digital electro-hydraulic control syetem，汽轮机数字电液控制系统)失电或故障保护、MFT(main fuel trip，主燃料跳闸)联锁保护、发变组联锁保护等。

ETS控制柜主要包括电源组件、可编程控制器、端子排和继电器组件等。电源组件接收2路220 V AC冗余输入电源，进行切换后作为AST电磁阀和可编程控制器的电源。可编程控制器采用2套AB公司的Controllogix系列PLC控制系统，2套PLC组件(PLC-A、PLC-B)并列运行同时工作。从现场检测元件和TSI、DEH、MFT柜、发变组保护柜等系统送来的所有跳闸输入信号进入ETS控制柜后，经端子排转接，同时送给2套PLC组件，经2套PLC逻辑处理后来控制AST电磁阀。机组正常运行时，4个AST电磁阀带电动作，建立安全油压。当有跳机条件产生时，2套PLC组件同时自动进行内部逻辑判断处理，同时输出遮断停机指令断开4个AST电磁阀电源，使AST电磁阀失电，泄掉汽轮机安全油，实现紧急停机保护。继电器组件主要用来扩展各跳闸因素信号并输出至DCS(分布式控制系统)进行报警和事故记录。

危急遮断液压组块主要由AST电磁阀集成块和油压状态监测开关组成，ETS通过控制4个AST电磁阀， 泄去危急遮断总管油压, 实现关闭汽轮机所有阀门的目的。4个AST电磁阀为常带电设计，遵循失电跳机原则，通道1电磁阀(20-1/AST和20-3/AST)和通道2电磁阀(20-2/AST和20-4/AST) 两两并联后再串联布置(见图1)。由于整个跳闸块采用“双通道”原理，当一个通道中的任一个AST电磁阀打开时都将使该通道跳闸，但不能使汽轮机进汽阀关闭；只有当2个通道都跳闸时，才能使汽轮机进气阀关闭，起到跳闸作用。因此，这种设计理念提高了保护的可靠性，可有效地防止保护误动和拒动。

图1 跳闸电磁阀油路连接示意

2 ETS可靠性分析

ETS从设计思路上突出体现了保证危急遮断的快速性、可靠性，正常情况下基本能满足机组安全运行的要求。但在调试过程中通过对ETS进行分析和相关试验发现，ETS在I/O点分配、AST电磁阀遮断控制方案、电源回路等设计可靠性方面还存在以下问题。

2.1 I/O点分配

作为汽轮机的重要保护，冷凝器真空低保护和润滑油压低保护在ETS中采用“三重冗余”设计，“三取二”动作于跳闸。就地冷凝器和润滑油母管上分别安装了3个取样管路相互独立的压力开关，实时监测冷凝器真空和润滑油压是否越限。ETS控制柜中3组真空低及润滑油压低保护信号接线如图2所示。

图2 真空低及润滑油压低保护信号接线

图2中2DIA、2DIB分别代表PLC-A组件和PLC-B组件的第2块DI输入卡件，可以看出，在PLC的I/O点分配上，从就地3组压力开关引出的冗余跳机信号设计均接在了并列运行PLC组件的同一块DI输入卡件上，因此不符合重要保护信号“独立性”的原则，违反了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中重要保护信号必须是相互独立的一次元件和输入通道的规定。如果机组运行中这块DI卡件发生故障，3个输入信号就会同时检测异常，将会造成主保护误动或拒动，“三取二”的保护逻辑计也失去意义。

2.2 AST电磁阀遮断控制方案

ETS中4个AST电磁阀的控制回路接线如图3所示。

图3 AST电磁阀控制回路接线

图3中1DOA、1DOB分别代表PLC-A组件和PLC-B组件的第1块DO输出卡件，可以看出ETS的AST电磁阀遮断控制方案设计为：PLC-A组件控制AST1和AST3电磁阀，其遮断输出指令接点串接在AST1和AST3的供电回路中；PLC-B组件控制AST2和AST4电磁阀，其输出遮断指令接点串接在AST2和AST4的供电回路中。这种设计方案在汽机跳闸因素产生时，必须2套PLC组件均正确动作才能使2个AST通道失电打开泄油，实现停机保护，仅单套PLC组件动作无法实现紧急停机保护。一旦某一套PLC组件任一细小的输入输出环节发生接线松动或故障，在这个跳闸因素满足时，该套PLC组件将不能正常控制相应通道的AST电磁阀，即使另一套PLC组件正确动作也无法实现紧急停机保护，从而导致汽机保护拒动引发重大设备损坏事故。因此，2套PLC组件并不能实现真正意义上的冗余互备功能，不符合ETS必须冗余配置(即当故障时，备用系统仍然具有使汽轮机停止运行的功能，故障系统可在线检修、更换)的原则要求。

2.3 ETS控制系统电源回路

ETS设计采用220 V AC一种等级的电源作为PLC控制电源和AST电磁阀动力电源。ETS控制柜接收来自UPS和保安段的2路220 V AC冗余电源输入，经电源切换装置(接触器OJ)切换后直接给4个AST电磁阀和2组PLC组件供电，同时还供给1PS和2PS这2个220 V AC/24 V DC电源转换模块，转换后的24 V DC电源作为PLC的2路冗余I/O电源。其电源回路如图4所示。

图4 ETS控制系统电源回路

从图4中可以看出，当UPS和保安段2路电源均正常时，切换后的电源为UPS电源。机组正常运行中，如果UPS电源失电或发生故障时，系统自动通过接触器OJ切换至保安段电源供电。虽然接触器动作过程很快，2路PLC组件的正常工作不会受到影响，但由于切换后的220 V AC电源直接给4个AST电磁阀供电，在接触器动作电源切换的瞬间必将导致4个AST电磁阀短暂失电，使AST油管瞬时失压，继而造成汽轮机进汽阀门突然关闭和保护动作机组跳闸。在按照DL/T 1012—2006《火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程》进行电源切换试验时，发现断开UPS电源后安全油压降幅很大，DEH阀门自动下关，同时安全油母管上3个用于挂闸状态判断的油压开关也达到动作值；DEH系统检测到3个挂闸信号消失后，自动发出DEH故障信号，使ETS保护动作机组跳闸。因此，ETS的2路220 V AC电源并不能实现可靠的冗余备用。

3 ETS改进措施

针对ETS存在的上述问题，按照电力行业标准和发电厂重大反事故措施的要求，并遵循“重要保护系统设计必须最大限度地消除可能出现的误动作和完全消除可能出现的拒动作”的原则，分别进行了以下改进和完善。

3.1 I/O点分配改进

依据DL/T 5428—2009 《火力发电厂热工保护系统设计规定》中5.3.5第3条(冗余I/O信号应通过不同的I/O模件和通道引入引出)和《国家电网公司发电厂重大反事故措施》中13.2.2条(主要控制器应采用冗余配置，冗余的I/O信号应通过不同的I/O模件引入)的要求，对ETS I/O点进行重新分配。将3个冗余的冷凝器真空低输入信号和3个冗余的润滑油压低输入信号分散接入到每列PLC组件的3个不同DI卡件通道上，并对PLC的数据库、对应“三取二”遮断及报警扩展输出逻辑重新组态。这从根本上保证ETS重要保护信号具有三重冗余的独立性，实现风险分散，有效避免因单块卡件故障造成的保护误动和拒动。

3.2 AST电磁阀遮断控制方案改进

遵循ETS控制器必须具备冗余保护功能和完全消除保护拒动的原则，将ETS的AST电磁阀遮断控制方案改进为：PLC-A组件控制AST1和AST2电磁阀，将其输出遮断指令接点串接在AST1和AST2的供电回路中；PLC-B组件控制AST3和AST4电磁阀，其输出遮断指令接点串接在AST3和AST4的供电回路中。

改进后，当汽轮机跳闸因素产生时，2列PLC组件中的任一列动作均可以实现危急遮断功能；当某一列PLC组件失灵时，另一列PLC组件在紧急情况下也能保证汽轮机安全停机，从而实现了ETS控制器的冗余保护功能，同时也消除了保护拒动的隐患。

3.3 ETS控制系统电源回路改进

遵循ETS控制电源应具备冗余切换功能的要求和消除保护误动的原则，对ETS控制系统的电源回路进行以下改进：将AST1和AST3电磁阀的供电电源改在电源切换之前，由ETS控制柜的UPS电源直接供电；将AST2和AST4电磁阀的供电电源改在电源切换之前，由ETS控制柜的保安电源直接供电；同时将操作台上汽机跳闸按钮原设计的1副常闭接点串接进AST1和AST3电磁阀的电源控制回路，再增加1副并联的常闭接点串接进AST2和AST4电磁阀的电源控制回路。

改进后，危急遮断液压组块2个跳闸通道上的AST电磁阀分别由UPS和保安段2路独立电源供电。由于4个AST电磁阀为“双通道”设计，当任意一路控制电源失电或故障进行电源切换时，只有1个AST跳闸通道动作，另一个AST跳闸通道的2个AST电磁阀仍带电维持安全油压，机组不会发生保护误动跳闸。在ETS发生单路控制电源失电后，危急遮断液压组块上的63-1/ASP和63-2/ASP油压状态监测开关相应动作，并在DEH操作员站发出报警信号，提示运行人员联系检修及时进行处理。当PLC系统故障失灵时，操作台上的汽机跳闸硬手操按钮仍可直接切断AST电磁阀供电回路。实现紧急打闸停机功能。通过上述改进，真正实现了ETS控制电源的冗余互备功能，从根本上消除了单路控制电源失电或故障切换时汽轮机保护误动跳闸的隐患。

4 结束语

ETS作为汽轮发电机组的重要保护手段，无论其拒动还是误动都将造成极其严重的后果。该厂针对ETS中可能导致保护拒动和误动的问题实施上述改进后，提高了ETS保护系统的可靠性，有效避免了汽轮机主保护拒动和误动的发生，消除了影响安全生产的重大隐患。ETS的改进完善对于保证机组安全稳定运行、降低非计划停运和设备损坏几率以及提高企业经济效益都有积极意义，是对大型发电机组主保护改进方面的有益尝试。

1 DL/T 5000-2000火力发电厂设计技术规程[S]．

2 中国大唐集团公司．防止电力生产重大事故的二十五项重点要求[M]．北京:中国电力出版社，2006.

3 张 烈，吕 凯，熊 巍．汽轮机紧急跳闸系统的设置原则[J]．热力发电，2008(2).

4 DL/T 1012-2006火力发电厂汽轮机监视和保护系统验收测试规程[S].

5 DL/T 5428-2009火力发电厂热工保护系统设计规定[S].6 朱晓星，刘武林，陈 斌．火电厂300 MW机组ETS安全可靠性评估[J]．热力发电，2009(7).

7 牟福祥．汽轮机ETS装置跳闸电源可靠性分析与改进[J].电力安全技术，2013(5).