汽轮机ETS 控制逻辑的缺陷及改造

张 继

（中国石油玉门油田公司水电厂）

乍得恩贾梅纳炼油厂自备电站设有5 台12MW 凝汽式蒸汽轮机发电机组， 每台机组分别设置一套DCS、DEH、ETS、TSI 系统。其中1#～3#机组向炼油厂供电，4#、5#机组向乍得共和国首都恩贾梅纳市区供电。

汽轮机紧急跳闸系统 （Emergency Trip System，ETS） 是电站热控设备中重要的保护系统之一，其主要功能是当有危及汽轮机安全运行的状态或参数出现时，及时发出停机跳闸信号，迅速关闭汽轮机进汽阀门， 及时切断汽轮机所有进汽，避免机组设备的损坏或防止事故的进一步扩大，保证热力系统设备的安全［1］。ETS 输入信号及通道采用冗余设置，任何单一元件故障或电源故障均不会影响整套装置的正常工作或引起保护误动，当跳闸首出原因未消除时，各保护项目无法手动或自动复归。 ETS 运行独立于DCS 系统，通过DP 通信总线与DEH 系统进行数据交换，将ETS 联锁保护投切状态、保护动作状态、ETS 首出原因等开关量信号输出至DEH， 同时接收TSI、DEH 送来的联锁保护动作以及DEH 保护停机、ETS 手动复位指令。DEH 操作员站兼作ETS 上位机，可直观监控ETS 联锁保护投切动作状况。

笔者根据ETS 的实际运行情况，针对原ETS控制逻辑存在的3 处缺陷，提出了相应的改造措施，希望为生产实际中类似故障的分析和排除提供一定的参考。

1 ETS 控制逻辑

乍得恩贾梅纳炼油厂自备电站的5 台发电机组ETS 控制逻辑框图如图1 所示。

汽轮机启动时， 通过挂闸操作建立启动油压、速关油压和安全油压，速关阀自动开启到位后，系统方允许启动汽轮机。

汽轮机正常运行过程中，联锁保护应全部投入， 当任一停机跳闸条件满足且PLC 联锁投入，则由ETS 的PLC 输出打闸指令，进而输出继电器动作，打闸电磁阀AST 动作，危急遮断器动作，使危急保安装置泄油，速关阀关闭，机组停机。 ETS自动记录跳闸首出原因，并保持停机状态。

当开车条件具备以后， 手动复归ETS 跳闸，再次挂闸，建立各路油压，开启速关阀，操作汽轮机正常开机。

2 原ETS 控制逻辑存在的缺陷

原ETS 控制逻辑使用STEP7 编写完成，由两个组织块OB1、OB82 和一个功能块FC1 组成。其中FC1 负责完成全部信号的读取和动作输出功能。

根据机组的实际运行情况，原ETS 控制逻辑存在3 处缺陷：

图1 ETS 控制逻辑框图

a. 原ETS 运行独立于DCS、DEH 系统，通过DP 通信总线与DEH 系统进行数据交换。 ETS 与DEH 系统的通信仅为监视用， 通信中断或DCS故障不影响ETS 的正常运行。 ETS 的上位机是DEH 操作员站，ETS 除了接收DEH 送来的保护停机指令信号外， 还接收DEH 送来的ETS 手动复位指令。 然而，由于原控制逻辑编写存在缺陷，未能提供通信中断处理功能。 若出现通信中断或DEH 通信总线、 通信模块故障，PLC 检测到通信中断，CPU 将自动进入停止模式， 严重影响ETS的正常运行，极有可能导致联锁保护拒动、误动等情况的发生，存在极大的安全隐患。

b. PLC 为冗余设置，但由于当地基础设施落后，厂区属于孤网运行模式，无后备电网支持，所以并不排除UPS 故障、厂用段故障等极端情况下出现短时失电或瞬间电压波动等电源故障情况。然而， 原控制逻辑并未考虑此种情况， 所以当PLC 在RUN 模式下突然短时失电后， 在电源恢复正常或重新送电后，CPU 将无法自动暖启动，存储器无法自动复位，从而导致ETS 始终处于停机状态，无法正常工作。

c. 原控制逻辑中当联锁保护条件满足时，PLC 输出停机动作首出信号Q2.4，SR 触发器M1.3 模块S 引脚置1，接通中间变量M0.3，启动扩展脉冲定时器T1 发出一个15s 的闭合信号脉冲，并分别输出到Q64.0 遮断电磁阀AST1、Q64.1遮断电磁阀AST2 和Q64.5 遮断电磁阀AST3，使之有15s 的得电动作时间，完成打闸动作，带动危急遮断器动作，关闭汽轮机主汽门，ETS 保护动作正常。 待跳闸首出原因消除后，手动复位，中间变量M0.0 闭合，程序段21（图2a）中的SR 触发器M1.3 的R 引脚置1，M1.3 的S 引脚为0， 此时如再次有联锁保护信号开入，则可正常输出ETS 保护动作信号。 但在实际实施过程中，若联锁保护动作后，未在跳闸首出原因消失后在操作员站进行手动复位操作，即SR 触发器未能复位，则S 端始终为1，扩展脉冲定时器T1 在启动输入端始终无法接收到一个上升沿的信号变化，也就无法再次运行。 在未手动复位的情况下，只要在首次打闸动作15s 之后，就可以在现场直接挂闸，开自动主汽门。 而此时即使有跳闸信号再次开出，AST电磁阀也无法正常动作，ETS 无法再次进行打闸，因此存在重大安全隐患。

原控制逻辑程序段如图2 所示。

图2 原控制逻辑程序段

3 控制逻辑改造

3.1 增加组织块OB86 和OB87

当检测到中央扩展机架故障，Profibus-DP 主站、从站故障或者Profinet 网络中的I/O 元件、I/O系统故障出现或消除时，PLC 的CPU 将调用OB86 组织块，将故障信息写入诊断缓冲区。 若不编写OB86 组织块，当检测到此类故障时，CPU 将转为STOP 模式。

当使用通信功能块或全局数据通信进行数据交换时出现通信错误，如全局数据检测到错误的帧标识，CPU 操作系统将调用组织块OB87，在找不到用于全局数据通信状态信息的数据块时，生成该数据块。若不编写OB87 组织块，当检测到此类故障时，CPU 将转为STOP 模式。

通过增加组织块OB86 和OB87［2］，在检测到I/O 系统故障或通信错误时， 避免了CPU 进入STOP 模式以及ETS 的非正常停运和机组保护失灵。

3.2 增加启动组织块OB100

除CPU-318 之外的S7-300 系列PLC 的CPU均只有暖启动方式， 而ETS 使用的是CPU-315，因此需要添加启动组织块OB100［2］。 当PLC 供电恢复正常后，CPU 开始暖启动， 在启动用户程序之前，先启动OB。对于除CPU-318 之外的S7-300系列PLC， 过程映像数据以及非保持的存储器、定时器和计数器被复位后， 首先调用执行OB100， 再循环执行OB1， 然后程序重新开始运行，以防止出现CPU 存储器无法复位，导致保护拒动、误动的情况发生。

3.3 更改FC1

控制逻辑中增加和改动的程序段如图3 所示。 通过硬接线，由DEH 柜接出主汽门关到位信号至ETS 柜内，更改ETS 控制逻辑，在原程序段21 后增加程序段22～24，原程序段22 变为25。程序段21 的R 脚由M0.0 改为M0.6。 在FC1 中增加I67.1 自动主汽门关到位信号，输出一个1s 的上升沿脉冲， 和原手动复位按钮中间变量M0.0并联，将中间变量M0.6 即SR 触发器的R 引脚置1，以此来复位SR 触发器M1.3。 通过控制逻辑的改写，即使出现重大误操作，即未手动复位就进行挂闸操作的情况下，自动主汽门关到位信号也会随之置0，M0.6“打闸开出复位重置”信号发出瞬时，SR 触发器M1.3 触发引脚S 端置0。此时因停机动作首出信号未复位，会在自动主汽门开的瞬间再次发出打闸指令，以保证机组保护功能正常。

图3 控制逻辑中增加和改动的程序段

4 结束语

ETS 的可靠性是电站热控设备设计和维护时的第一要素， 任何疏忽都可能导致严重的后果，消除系统中存在的缺陷，防止ETS 联锁保护出现拒动、误动，保证机组的安全运行是首要原则。 按照该原则对乍得恩贾梅纳炼油厂自备电站5 台机组的ETS 控制逻辑进行了修改，利用倒换停机间隙和机组联锁保护试验的时机， 分别对5台机组的ETS 进行了断开Profibus 通信总线、模拟电源瞬间中断及打闸停机后未复归ETS 即在现场执行挂闸操作等试验，5 台机组均未出现异常，机组保护稳定可靠，此次改造顺利完成，机组ETS 可靠性、安全性得到了大幅提高，完全达到了改造目的。