摘 要 通過對300MW機組汽輪機緊急跳閘系統硬體構成、保護功能的介紹，分析系統存在的問題以及解決問題的方法和建議。
關鍵詞 ETS；PLC；AST電磁閥
0 前言
某發電有限責任公司一期工程裝機兩台國產引進型300MW機組，汽輪機緊急跳閘系統（ETS）的功能由PLC來實現。ETS系統是汽輪發電機組實現安全保護功能的重要設備，該系統監視汽輪機的一些重要參數，當其中的任何一個參數越限時，ETS系統將關閉汽輪機的所有主汽閥和調節汽閥，使汽輪機緊急跳閘停機，以保護設備和人身安全。安全性、可靠性是ETS系統設計時必須考慮的重要指標。
1 ETS系統的硬體構成及邏輯功能
1.1 ETS系統的硬體構成
ETS系統由以下幾個部分構成：①1個裝設跳閘電磁閥和狀態壓力開關的緊急跳閘控制塊；②3個安裝有壓力開關和試驗電磁閥的試驗跳閘塊；③主要由雙PLC組成的ETS系統邏輯控制部分。由於①、②部分在300MW機組中基本相同，本文重點介紹由雙PLC組成的ETS系統邏輯控制部分。
ETS系統邏輯控制部分由PLC1和PLC2組成，它們在硬體配置、電源分配、控制邏輯以及輸入信號等方面完全相同，每一跳閘輸入信號通過在PLC1和PLC2輸入端並聯的方式同時送到兩個PLC，也就是說從硬體和軟體上實現了雙重冗餘。如圖1所示，PLC的型號為OMRON C200H，跳閘信號輸入單元為16點IA222模塊，輸出單元為OC225模塊。PLC1的電源模塊及其輸入輸出單元的電源均由U1提供，PLC2的電源模塊及其輸入輸出單元的電源均由U2提供。ETS系統與DCS系統介面通過硬接線方式聯接，在DCS中實現ETS系統的相關操作與參數監視。 字串9
ETS系統PLC冗餘結構圖
1.2 ETS系統的邏輯功能
ETS系統作為汽輪發電機組的主要保護系統它所實現的主要保護功能有：汽輪機電超速保護；軸向位移保護；軸承潤滑油壓低保護；EH油壓低保護；凝汽器真空低保護；軸或軸承振動大保護；MFT跳汽輪機；DEH失電停機；DEH110%超速；汽輪機差脹大保護；電氣保護動作跳汽輪機；手動緊急停機。上述保護功能由PLC內部邏輯實現，在保護邏輯的設計上採用雙通道冗餘的方式：潤滑油壓低、EH油壓低、凝汽器真空低壓力開關開關採用雙通道的布置方式，在PLC內部採用四選二邏輯，即每個通道的壓力開關至少有一個動作保護才會動作，有效地防止了保護的誤動和拒動。
ETS系統是保證汽輪機安全的重要系統，為了保證保護的可靠動作，防止保護誤動、拒動，在機組運行過程中有必要進行在線實驗來驗證保護迴路和設備的工作是否正常。ETS系統設計有3項在線保護試驗功能，分別是：EH油壓低、軸承潤滑油壓低、凝汽器真空低。在線進行試驗時，通過控制試驗跳閘塊上的兩個試驗電磁閥或手動閥來檢查EH油壓低、軸承潤滑油壓低、凝汽器真空低等壓力開關的動作是否準確及現場AST跳閘電磁閥的動作情況。在PLC中通過編程實現試驗選擇的互斥邏輯，即每一次只能對某一參數的單側通道（如A側EH油壓低）進行試驗，確保在進行試驗時另一側還有保護功能。
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2 ETS系統存在的問題
2.1 ETS系統電源存在嚴重的安全問題
2.1.1 根據《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中第12.3.5條的規定：汽輪機緊急跳閘系統所配電源必須可靠，電壓波動值不得大於±5%。如圖所示，PLC1和PLC2的電源雖然分別由U1、U2提供，但由於U1、U2均來自同一UPS電源，如UPS電源本身故障則ETS系統必然動作使汽輪機跳閘，這顯然與設計兩路電源提高系統的可靠性這一目標不符。
2.1.2 根據試驗發現U1或U2任一電源失去，則EH油壓低保護、軸承潤滑油壓低保護、凝汽器真空低保護都會發生拒動現象，而汽輪機電超速保護、軸向位移保護、振動大保護、MFT跳汽輪機、DEH失電停機、DEH110%超速、汽輪機差脹大保護、電氣保護動作跳汽輪機、手動緊急停機等保護則存在誤動的可能。
OMRON C200H的輸入模塊IA222的電路原理如圖2a所示，根據戴維南定理可以方便的得出任一輸入通道的戴維南等效阻抗Z，那麼輸入模塊IA222的任一通道的電路可以用如圖2b所示的電路進行等效變換。由於任一跳閘信號都是在PLC1和PLC2的在輸入模塊接線端並聯，不妨分別在PLC1和PLC2上各取一個輸入信號斷開和一個輸入信號閉合的通道進行定性分析。如圖3所示，當PLC1失電時，PLC2的輸入模塊的電源U2分別經通道Z4、Z2、Z1形成閉合迴路，產生迴路電流，此迴路電流存在於PLC1的所有輸入信號通道和PLC2的輸入信號斷開的通道。同樣道理，我們可以對具有多個斷開信號和閉合信號輸入通道的情況進行類似分析，由於此迴路電流的存在，PLC不能準確地識別各輸入通道的狀態，任何外部干擾（電磁干擾）都會使PLC產生錯誤的輸出結果，導致ETS系統保護誤動或拒動。
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OMRON IA222輸入模塊原理圖
輸入模塊失電后的等效電路原理圖
2.2 ETS系統在線試驗功能不完善，存在安全隱患
ETS系統跳閘迴路原理如圖4所示，20—1／AST、20—2／AST、20—3／AST、20—4／AST為ETS系統4個跳閘電磁閥，PLC1控制20—1／AST、20—3／AST電磁閥（A側電磁閥），PLC2控制20—2／AST、20—4／AST電磁閥（B側電磁閥），只有當A側和B側各至少有一個電磁閥失電動作時，才會泄掉AST母管的安全油使汽輪機跳閘。這種雙通道的設計方式大大提高了系統的可靠性，能有效地防止保護的誤動和拒動。與此相對應，ETS系統設計了三個試驗塊，實現在線的保護試驗功能，在機組正常運行時，運行人員可以定期在DCS系統或在就地試驗塊進行試驗，以此來檢測PLC的內部邏輯是否正確，現場壓力開關、AST電磁閥是否工作正常。當進行A側試驗時，20—1／AST、20—3／AST電磁閥跳閘，ASP壓力升高到與AST母管油壓相等，此時K1壓力開關動作（大於9.0Mpa閉合），信號送到DCS作為ETS操作面板作為A側通道跳閘指示。當進行B側試驗時，20—2／AST、20—4／AST電磁閥跳閘，ASP壓力降低到與回油壓力相等，此時K2壓力開關動作（小於4.0Mpa閉合），信號送到DCS作為ETS操作面板作為B側通道跳閘指示。K1和K2兩個壓力開關主要用來分別監視A側、B側電磁閥的動作情況及是否存在泄露等安全隱患，因此K1、K2的可靠性和定值的準確性對進行在線試驗時系統的安全起著至關重要的作用，運行人員在不知AST油壓和ASP油壓的情況下，僅靠K1、K2壓力開關的指示不便進行在線試驗。在就地進行在線試驗時，由於沒有閉鎖邏輯，有可能發生A、B側同時試驗的情況。另外，在PLC在線試驗邏輯中也存在安全隱患，以EH油壓低試驗為例來進行說明：當進行A側EH油壓低試驗時，PLC內部的試驗互斥邏輯禁止進行A側和B側的其它試驗，當試驗進行到複位A側EH油壓低試驗后，不管ASP油壓是否恢復正常都可進行其它試驗，此時如操作員判斷不準確，極有可能發生A、B側同時跳閘的情況。
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ETS系統AST電磁閥布置圖
3 解決問題的方法及建議
3.1 提高ETS系統供電電源的可靠性：考慮到UPS系統的容量及安全性方面的問題，在每一台機組增加一套UPS系統，兩路UPS電源並聯運行，然後分別送兩路電源至ETS系統，這樣PLC1和PLC2的供電問題就得到了很好的解決。
3.2 針對ETS系統PLC輸入模塊失電后引起保護誤動和拒動的情況，可以從以下兩個方面來考慮進行整改：①建議對EH油壓低保護、軸承潤滑油壓低保護、凝汽器真空低保護的邏輯進行修改，將接點斷開保護動作改為接點閉合保護動作，這樣ETS系統的所有跳閘信號都是閉合動作，即使PLC1或PLC2輸入模塊的電源失去也能使ETS系統保護能正常動作；②將PLC1和PLC2的跳閘輸入信號隔離，即將潤滑油壓低、EH油壓低、凝汽器真空低、軸向位移大、ETS超速及10個遙控跳閘輸入信號分別送至PLC1和PLC2的輸入模塊，保證送至PLC1和PLC2的輸入模塊的信號不發生共用而彼此獨立。
3.3 完善ETS系統試驗邏輯和關鍵參數的監視手段：AST油壓和ASP油壓作為汽輪機緊急跳閘系統的重要參數在DCS系統中長期沒有顯示，為此我們將AST油壓和ASP油壓引入DCS系統，如圖4所示，P1、P2分別為AST油壓和ASP油壓，這樣我們不但可以監視這兩個重要參數，根據測量值判斷4個AST電磁閥的泄露情況，而且還可將它們引入到ETS系統的在線試驗邏輯中去，在DCS系統中對試驗邏輯進行閉鎖，即：當A側通道試驗完成後，如ASP壓力大於9.0Mpa則閉鎖B側進行試驗；當B側通道試驗完成後，如ASP壓力小於4.0Mpa則閉鎖A側進行試驗。在完善好ETS系統在線試驗功能后，對於就地試驗功能在機組正常運行時建議棄用。 字串6
4 結語
汽輪機緊急跳閘系統的可靠性是設計和維護時必須考慮的首要問題，任何細微的失誤都可能會導致嚴重的後果。經過上述改進，該ETS系統的安全性、可靠性都會得到很大的提高。
