1.傳統(tǒng)的ETS組成及其特點(diǎn)

ETS是汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)的簡稱。其功能是：當(dāng)汽輪機(jī)監(jiān)視的重要參數(shù)越限時(shí),關(guān)閉汽輪機(jī)的主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥,使汽輪機(jī)處于安全狀態(tài)。傳統(tǒng)的 ETS系統(tǒng)由供電裝置、開關(guān)量變送器、繼電器、測速傳感器及轉(zhuǎn)換電路、跳閘電磁閥、試驗(yàn)電磁閥等組成。供電裝置向整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的交、直流電源；開關(guān)量變送器用于測量汽輪機(jī)的重要參數(shù)；跳閘電磁閥用于卸掉安全油和調(diào)節(jié)油的油壓，從而關(guān)閉汽輪機(jī)的主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥；繼電器用來實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的擴(kuò)展、隔離、邏輯運(yùn)算等功能，并驅(qū)動(dòng)跳閘電磁閥和試驗(yàn)電磁閥，同時(shí)將引起跳閘動(dòng)作的輸入信號(hào)送至SOE記錄裝置。圖1是ETS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)保護(hù)功能示意圖。

圖1 ETS系統(tǒng)組成示意圖

由圖1可知，當(dāng)汽輪機(jī)某項(xiàng)重要參數(shù)越限時(shí)，經(jīng)邏輯運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)四只跳閘電磁閥動(dòng)作。其中，#1跳閘電磁閥和#3跳閘電磁閥只要有一個(gè)動(dòng)作，則#1跳閘通道動(dòng)作；#2跳閘電磁閥和#4跳閘電磁閥只要有一個(gè)動(dòng)作，則#2跳閘通道動(dòng)作；當(dāng)#1、#2跳閘通道均動(dòng)作時(shí)，汽輪機(jī)跳閘。

采用繼電器實(shí)現(xiàn)的ETS系統(tǒng)具有動(dòng)作可靠、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并具有完善的防保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的措施。但系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行后，繼電器回路會(huì)逐漸出現(xiàn)電磁線圈老化、接點(diǎn)電阻增大等問題，影響保護(hù)功能的可靠性，而且系統(tǒng)本身沒有歷史趨勢記錄和事故跳閘順序記錄功能，不便于進(jìn)行機(jī)組跳閘后的事故分析，并且隨著 DCS（分散控制系統(tǒng)）在發(fā)電廠的廣泛應(yīng)用，獨(dú)立的ETS系統(tǒng)已不能適應(yīng)信息集中、危險(xiǎn)分散的監(jiān)控模式。

2.采用DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ETS功能的優(yōu)點(diǎn)及存在的隱患

近年來，各新建電廠在設(shè)計(jì)機(jī)組熱工控制系統(tǒng)時(shí)，幾乎普遍采用了DCS系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，即一套DCS系統(tǒng)包括了FSSS（鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)）、 CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）、SCS（順序控制系統(tǒng)）、DAS（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、MEH（小汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、 ECS（電氣量控制系統(tǒng)）以及ETS系統(tǒng)。但如何通過DCS系統(tǒng)可靠地實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)功能，相關(guān)的行業(yè)規(guī)程并沒有作出具體規(guī)定，因此，設(shè)計(jì)人員只能根據(jù)所采用的DCS系統(tǒng)特點(diǎn)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，將原繼電器邏輯所實(shí)現(xiàn)的保護(hù)功能，由DCS系統(tǒng)的軟件邏輯實(shí)現(xiàn)，因而不可避免地對(duì)ETS系統(tǒng)抗保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的能力帶來一定的影響。ETS保護(hù)功能兩種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表一所示。

表一 ETS系統(tǒng)兩種實(shí)現(xiàn)方式的比較

由表一的比較可知，采用DCS實(shí)現(xiàn)ETS功能，具有保護(hù)信號(hào)處理方式先進(jìn)、邏輯運(yùn)算可靠性高和通道動(dòng)作試驗(yàn)方便、便于進(jìn)行事故分析等優(yōu)點(diǎn)，但存在計(jì)算機(jī)主機(jī)故障、卡件故障和通訊故障導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)的隱患。因此，如何消除上述隱患，保證汽輪機(jī)保護(hù)功能的可靠，是采用DCS實(shí)現(xiàn)ETS功能需要解決的關(guān)鍵問題。

3.防止DCS系統(tǒng)故障導(dǎo)致汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)功能拒動(dòng)和誤動(dòng)的措施

針對(duì)DCS系統(tǒng)通訊中斷、卡件故障、主機(jī)死機(jī)等異常情況下，可能導(dǎo)致汽輪機(jī)緊急跳閘保護(hù)功能的拒動(dòng)和誤動(dòng)問題，必須采取多種措施進(jìn)行克服，確保汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

3.1 保護(hù)信號(hào)的傳遞采用特殊的全硬接線方式，防止通訊總線故障帶來的影響 由于ETS系統(tǒng)輸入信號(hào)較多，DCS系統(tǒng)的開關(guān)量輸入卡件難以一次將全部信號(hào)進(jìn)行采集，一般DCS系統(tǒng)每塊開關(guān)量輸入卡件可最多輸入16個(gè)信號(hào)，而ETS 需處理的開關(guān)量多達(dá)40個(gè)，所以，需要多個(gè)輸入卡件進(jìn)行信號(hào)采集，而采集后的信號(hào)互相之間進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)，如采用卡件間網(wǎng)上通訊方式，則會(huì)受通訊總線可靠性的影響。針對(duì)此問題，可以采用特殊的全硬接線方式，即采用多個(gè)輸入信號(hào)送至一塊卡件進(jìn)行運(yùn)算后輸出單個(gè)信號(hào)，再通過硬接線送往另一塊卡件作為其中的一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，最后驅(qū)動(dòng)跳閘回路的方式，實(shí)現(xiàn)各卡件間開關(guān)量信號(hào)的邏輯運(yùn)算。圖2所示為實(shí)現(xiàn)此方案的示意圖。

圖2 DCS系統(tǒng)輸入卡件間硬接線方式傳遞信號(hào)示意圖

由上圖可知，多個(gè)輸入信號(hào)在開關(guān)量輸入/輸出卡件中，由PLB（可編程邏輯運(yùn)算模塊）運(yùn)算后輸出運(yùn)算結(jié)果，送至下一個(gè)開關(guān)量輸入/輸出卡件，與其他輸入信號(hào)再通過PLB模塊進(jìn)行運(yùn)算，從而避免采用總線通訊的連接方式。當(dāng)系統(tǒng)通訊總線故障時(shí)，各輸入信號(hào)仍可以在開關(guān)量輸入/輸出卡件中進(jìn)行運(yùn)算并最終驅(qū)動(dòng)跳閘繼電器，因此，不會(huì)發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)的現(xiàn)象。

3.2 控制計(jì)算機(jī)（上位計(jì)算機(jī)）采用雙冗余方式運(yùn)行，且將運(yùn)算用的程序下裝到各開關(guān)量輸入/輸出卡件運(yùn)行，防止控制計(jì)算機(jī)故障對(duì)保護(hù)功能的影響

如圖3所示，在正常情況下，各開關(guān)量輸入/輸出卡件受上位計(jì)算機(jī)控制，而上位計(jì)算機(jī)采用雙主機(jī)運(yùn)行，一臺(tái)主控，一臺(tái)備用，主控計(jì)算機(jī)故障時(shí)，備用計(jì)算機(jī)自動(dòng)切到控制方式，因此，提高了系統(tǒng)的可靠性。而當(dāng)兩臺(tái)控制計(jì)算機(jī)均發(fā)生故障時(shí)，由于各開關(guān)量輸入/輸出卡件上運(yùn)行的PLB（可編程邏輯運(yùn)算模塊）可不依賴上位計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)雖然不能對(duì)邏輯進(jìn)行修改，但現(xiàn)有的保護(hù)功能仍可正常實(shí)現(xiàn)，不會(huì)造成保護(hù)拒動(dòng)。采用此方案的關(guān)鍵是，邏輯運(yùn)算程序必須能在輸入/輸出卡件上獨(dú)立運(yùn)行。

圖3 采用雙控制計(jì)算機(jī)、能獨(dú)立運(yùn)行PLB的ETS系統(tǒng)示意圖

3.3 采用雙開關(guān)量輸入/輸出卡件并聯(lián)接線、同時(shí)運(yùn)行方式，防止一塊卡件故障時(shí)導(dǎo)致的保護(hù)拒動(dòng)

DCS系統(tǒng)的開關(guān)量輸入/輸出卡件故障時(shí)，會(huì)造成該卡件處理的保護(hù)信號(hào)不刷新，導(dǎo)致保護(hù)功能的拒動(dòng)。為此，采用如圖4所示的方式，將各保護(hù)信號(hào)同時(shí)送入兩個(gè)同樣的卡件，在兩卡件中運(yùn)行相同的邏輯，兩塊卡件的輸出驅(qū)動(dòng)相同的跳閘電磁閥，以便提高保護(hù)功能的可靠性。

圖4 DCS系統(tǒng)中雙卡件、雙PLB運(yùn)行示意圖

由圖4可知，當(dāng)卡件A1故障時(shí)，其中的程序不能運(yùn)行，輸入信號(hào)動(dòng)作后，運(yùn)算結(jié)果A1也不變，但卡件B1仍正常運(yùn)行，則當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，#1跳閘電磁閥仍可執(zhí)行正常的保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的拒動(dòng)。

3.4 采用兩路互相獨(dú)立的電源供電、跳閘電磁閥失電跳閘動(dòng)作方式、兩跳閘通道互相隔離和雙卡并聯(lián)運(yùn)行的方式，當(dāng)在線更換開關(guān)量輸入/輸出卡件時(shí)，可避免保護(hù)功能的拒動(dòng)和誤動(dòng)。ETS系統(tǒng)采用失電跳閘的保護(hù)方式，可以保證系統(tǒng)兩路電源均喪失時(shí)，汽輪機(jī)立即跳閘，避免因工作電源喪失后造成保護(hù)功能的拒動(dòng)。同時(shí)，由圖4可知，當(dāng)開關(guān)量輸入/輸出卡件A1故障時(shí)，因采用失電跳閘的保護(hù)方式，拔出此卡件進(jìn)行更換會(huì)造成其輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，即#1跳閘電磁閥由帶電變?yōu)槭щ姡?1跳閘通道動(dòng)作；但由圖1可知，此時(shí)#2、#4跳閘電磁閥未失電，#2跳閘通道不動(dòng)作，則汽輪機(jī)不會(huì)跳閘，保護(hù)功能不會(huì)誤動(dòng)。

3.5 為防止DCS機(jī)柜卡件母板及供電裝置發(fā)生的故障導(dǎo)致保護(hù)功能的誤動(dòng)，各跳閘通道的輸入、輸出卡件要合理安排、分層布置

如圖5所示：將控制#1跳閘電源閥的所有卡件布置在卡件柜的第一層，控制#2、#3、#4跳閘電磁閥的所有卡件布置在卡件柜的第二、三、四層，同時(shí)，各層供電裝置相互獨(dú)立，任一層供電裝置或機(jī)架發(fā)生故障，均不會(huì)造成汽輪機(jī)跳閘保護(hù)的拒動(dòng)和誤動(dòng)。

圖5 采用分層布置的ETS系統(tǒng)卡件安裝示意圖

3.6 采用兩套完全獨(dú)立的電源向輸出繼電器和跳閘電磁閥供電，提高電源的可靠性。DCS系統(tǒng)的輸出繼電器采用24VDC供電，跳閘電磁閥采用 110VAC供電，為防止各路電源發(fā)生故障互相影響，造成保護(hù)誤動(dòng)、汽輪機(jī)跳閘，采用如圖6所示的供電方式，提高ETS系統(tǒng)的可靠性。

圖6 ETS系統(tǒng)交直流獨(dú)立供電聯(lián)接示意圖

4.結(jié)束語

ETS系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)并采取上述措施后，汽輪機(jī)保護(hù)功能的可靠性大大提高。石橫發(fā)電廠#1機(jī)組ETS系統(tǒng)已于2005年按上述方案成功進(jìn)行改造，DCS系統(tǒng)采用的是FOXBORO公司的FOX I/A’S分散控制系統(tǒng)。系統(tǒng)改造完成后，進(jìn)行了全面的防保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，即使發(fā)生DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)崩潰、所有控制計(jì)算機(jī)均故障、任一塊開關(guān)量輸入/輸出卡件故障、通訊總線故障或在線更換任何硬件，均不會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)跳閘保護(hù)的拒動(dòng)和誤動(dòng)，應(yīng)用上述方案取得圓滿成功，值得在電力行業(yè)進(jìn)行推廣。