大型空冷机组ETS优化与改造简析

2016-07-01舒茂龙

综合智慧能源 2016年4期

关键词：模件汽轮机电源

舒茂龙

(神华国能宁夏煤电有限公司,宁夏银川　750410)

大型空冷机组ETS优化与改造简析

舒茂龙

(神华国能宁夏煤电有限公司,宁夏银川750410)

摘要：分析了某电厂汽轮机危急遮断系统(ETS)采用可编程逻辑控制器(PLC)控制存在的安全隐患和风险，针对汽轮机安全保护系统的高可靠度和高安全度要求，提出了基于分散控制系统(DCS)一体化的SIL3安全控制系统改造方案，优化ETS硬件与软件，实现了系统设备的最优控制与配置，提高了机组控制系统安全性、可靠性和经济性。

关键词：空冷机组；汽轮机危急遮断系统(ETS)；可编程逻辑控制器(PLC)；安全仪表系统(SIS)；一体化改造；改造方案

0引言

汽轮机危急遮断系统(ETS)用于汽轮发电机组紧急情况下的保护，它与汽轮机数字电液控制系统(DEH)、汽轮机仪表监视系统(TSI)一起构成汽轮发电机组的监控保护系统。ETS保证汽轮机安全运行，出现异常时及时触发机组停运信号，避免发生重大设备事故。随着机组自动控制水平的提高，对ETS提出了更高的可靠性与安全性要求，以满足机组智能保护的需求。

随着分散控制系统(DCS)和安全仪表系统(SIS)的发展，ETS设计已经从原始继电器发展到可编程逻辑控制器(PLC)控制和DCS控制。目前，ETS在DCS中一体化设计已成为主流[1]，但在ETS保护优化与系统安全要求上，仍然存在着保护设计不合理、控制器硬件品质不良等问题，威胁汽轮机系统的安全、稳定运行。本文针对汽轮机安全保护系统高可靠度和高安全度的要求，提出了基于DCS一体化的SIL3安全系统控制器改造方案，优化ETS硬件与软件，设计与完善了ETS，实现了ETS设备的最优控制与配置。

1ETS存在的隐患概述

某电厂2×660 MW汽轮机为东方汽轮机有限公司生产的NZK660-24.2/566/566型、超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机。ETS控制回路采用双机PLC控制，远程RI/O网络结构，其中PLC为施耐德公司的莫迪康昆腾系列。通过多年的生产运行，综合电力系统内外的类似问题，发现现有ETS存在以下风险和隐患。

(1)莫迪康昆腾系列PLC在系统内部电厂曾发生过重大故障，施耐德PLC以太网模块固件存在安全漏洞，PLC运行安全等级无法满足ETS的安全需要。

(2)ETS未设上位机，人工界面可视性差。查看ETS内部组态和诊断故障信息繁琐、复杂，直接影响运行维护人员对机组设备故障判断，发现ETS出现的故障比较困难，在保证机组安全方面存在隐患。

(3)ETS首出报警通过PLC与DCS进行通信，有时因通信问题存在无法正确报警的问题，给运行人员判断机组故障原因带来困难。

(4)对ETS的监控报警仅设计有继电器回路电源失电报警，无法对ETS整个控制系统的软硬件进行全面的监控诊断。

(5)ETS控制逻辑设计存在单一保护信号或单一信号传输路径驱动系统保护动作，ETS的保护误动率高，系统安全运行风险大。

随着DCS设备和SIS设备的发展，为ETS高可靠性和安全性的系统安全设计和功能实现提供了基础保障。

2ETS优化与技术改造

为保障ETS的高安全性和可靠性，针对现有的问题和隐患，取消ETS原有的PLC控制方式，采用与机组DCS，EDH一体化的控制系统(ABB贝利公司的800XA系统)。新的ETS融入机组DCS，实现控制系统的无缝连接，同时新ETS控制器和I/O模件设备满足SIL3安全完整性等级[2]要求。

具体来说，ETS通过软硬件升级，完成汽轮机机组各种数据采集、控制和保护功能，以满足各种运行工况的要求，确保机组安全、高效地运行。整个ETS是一套软、硬件一体化的，可完成机组各项控制功能的完善控制系统，同时具备自身系统的在线监控诊断功能。优化改造主要分为2个部分：硬件改造,实现DCS硬件一体化和安全等级模件；软件控制逻辑优化实现控制冗余功能，保障安全可靠性。

表1　综合成效比较

2.1硬件一体化改造

ETS按照SIS设计原理[3]独冗余配置的SIL3系统包括控制器、I/O模件和组态软件均需满足SIL3标准。SIL3系统应具有TUV认证。SIL3控制器直接接入DCS主网络，与主机DCS一致，实现硬件、人机界面软件管控一体化,即采用现有DCS相关设备的最新兼容产品(包括控制器、I/O、计算机和通信接口、网络设备等),最终实现DEH，ETS与机组DCS的无缝连接[4]。ETS监控将在主机DCS操作员站上完成。

(1)电源配置。ETS作为DCS中单独的一个节点，配置了独立的冗余电源，2路电源可实现自动切换。在各个机柜和站内配置相应的冗余电源模块和回路保护设备，并用这2路电源在机柜内馈电。任一路电源故障均会发出报警，在一路电源故障时另一路电源将自动进入运行状态，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电而影响控制系统正常工作。

(2)SIL3功能框架。如图1所示，整个SIL3系统由监控模件、过程控制器和安全性I/O卡件构成，监控模件和过程控制器由拓展模件总线连接，过程控制器和安全性I/O卡件通过模件总线连接。2套SIL3控制器运行在热备用方式，可用率达99.999 %。2个PM和2个SM共有4个CPU运行控制程序(如图2所示)。可能的运行方式有8种，任一模件发生故障，正常的模件依然能够正常运行程序，符合SIL3安全完整性等级要求(控制模式如图3所示)。

图1　SIL3控制器模块功能

图2　SIL3硬件配置

图3　SIL3控制器的8种运行控制模式

ETS的I/O配置均是SIL3安全模件。通过对ETS控制器和I/O模件进行SIL3安全级别的配置以及DCS一体化的无缝连接，使得ETS的控制主脑部分具有了自检测、容错和巡检功能，整个系统回路的可靠性大幅提高。

2.2逻辑软件优化

通过对ETS隐含的逻辑风险进行认真梳理和排查，结合系统内外的安全案例[5-6]，深入研究ETS控制原理和控制系统算法机制，对原ETS逻辑和信号进行了可靠性优化，确保在异常工况下热控保护朝着有利于机组运行的方向动作，杜绝系统误动和拒动。

ETS单一保护信号或单一信号传输路径驱动ETS保护动作存在保护拒动和误动的风险，通过逻辑优化和增加信号等方式进行优化，具体见表1。

此外，在ETS优化改造过程中，通过对基础工艺的完善管理(例如机柜安装、接线工艺、色标管理、试验复核等)，提升了ETS建设工艺水平，进一步夯实了ETS设备安全、可靠运行的基础。

续表

3结论

ETS的DCS一体化优化改造后，提高了汽轮机保护系统的安全等级和保护系统的安全、可靠性，改造后1年内ETS运行安全、稳定、可靠。改造为DCS丰富了ETS功能，在功能上满足SIL3要求，同时实现ETS各项在线监控诊断功能。ETS改造过程对机组冗余保护进行了优化，真正做到了独立分散、冗余保护的安全性要求。通过对ETS的优化和技术改造，ETS误动率为0，拒动率为0。系统监控完善，保护冗余独立，安全性和可靠性提高，同时便利了热工检修维护，为公司其他DCS方面的改造升级和同类型机组优化积累了经验。

参考文献：

[1]刘殷俊，王林.基于DEH系统的ETS/METS控制系统技术升级设计及应用[J].价值工程,2014(28)：47-48.

[2]田松.SIL3安全仪表系统的设计和应用[J].自动化与仪表,2013,28(2):44-47.

[3]冯兆宇.安全仪表系统回路设计与研究[J].仪器仪表标准化与计量,2010(4):28-30.

[4]严海川，王文彬，党立业，等.ALSTOM 330 MW汽轮发电机组DEH、ETS、BPC一体化技术研究与应用[C]//中国电机工程学会.中国电机工程学会第十二届青年学术会议论文集，2012.

[5]周继胜，辛健.汽轮机DEH控制系统中ETS系统的改造[C]//中国电工技术学会,中国自动化学会.第十四届全国电气自动化与电控系统学术年会论文集，2009.

[6]韩秋.汽轮机ETS保护系统改进[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2010,26(4): 68.

(本文责编：白银雷)

收稿日期：2015-11-27；修回日期：2016-04-16

中图分类号：TK 223.21

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)04-0027-03