S5-95F型汽輪機保護系統(tǒng)分析及常見故障處理

米立海

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

大型汽輪機組是火力發(fā)電廠最重要的設(shè)備之一，為確保汽輪發(fā)電機組安全可靠運行，在機組上裝設(shè)各種安全監(jiān)視系統(tǒng)和汽輪機危急跳閘系統(tǒng)。安全監(jiān)視系統(tǒng)在機組啟動或運行過程中，連續(xù)監(jiān)視各種重要的熱工參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異?；蚬收衔＜捌啺l(fā)電機組的安全時，汽輪機保護系統(tǒng)應(yīng)立即動作，關(guān)閉主汽門和調(diào)速汽門，實行緊急停機，以保護機組的安全。同時，驅(qū)動報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，以提醒運行人員注意并采取相應(yīng)措施，避免故障擴大化。華能邯峰電廠一期工程2臺660 MW機組汽輪機保護系統(tǒng)由德國西門子公司設(shè)計，在其設(shè)計中充分考慮如何防止汽輪機保護拒動，并在不拒動的情況下，采取措施保證機組不誤動。由于西門子公司技術(shù)保密，軟件系統(tǒng)屬黑盒子方式，在應(yīng)用過程中，對工程現(xiàn)場處理缺陷、分析故障帶來很多不便，因此對其特點及常見問題進行分析。

1 系統(tǒng)特點

汽輪機保護系統(tǒng)由電子保護系統(tǒng)(Electronic Protection System，簡稱 “EPS”)、汽輪機跳閘系統(tǒng)(Turbine Trip System，簡稱“TTS”)和電液執(zhí)行器(Electrohydraulic Actuators，簡稱“EHA”)三部分組成。其中EPS由西門子分散控制系統(tǒng)TXP中的1個AP組成，按照設(shè)定的極限值監(jiān)視汽輪發(fā)電機組的跳閘參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)接近極限，EPS首先發(fā)出預(yù)跳閘報警信號；如果參數(shù)繼續(xù)超越直至達(dá)到跳閘值，EPS則發(fā)出汽輪機跳閘信號。TTS接收跳閘信號或手動跳閘指令，送給電液執(zhí)行器跳閘電磁閥，電磁閥斷電使跳閘閥打開，泄掉油動機的油壓，閥門快速關(guān)閉切斷汽源，實現(xiàn)汽輪機危急停車。

TTS按照高可用性原則設(shè)計，采用西門子公司S5-95F元件組成的故障-安全型自動控制裝置AG-F，每個故障-安全型自動控制裝置AG-F有2個基本控制單元(A1,B1/A2,B2)，由光纜將其相互連接起來形成2取2的冗余，2個基本控制單元同步工作，使用相同的用戶程序。

TTS接收從保護系統(tǒng)送來的跳閘信號，通過控制跳閘電磁閥來實現(xiàn)對機組的保護功能。為防止保護系統(tǒng)拒動，汽輪機的每個截止閥、控制閥都設(shè)有2個專用的跳閘電磁閥。這些電磁閥按照斷電流工作原理和2選1邏輯來工作，機組正常運行時，電磁閥帶電，接通高壓供油，截斷泄油通道，閥門按照控制信號的大小開啟或關(guān)閉。一旦有1個電磁閥失電，將截斷高壓供油，打開泄油通道，使跳閘閥失壓打開，泄掉油動機里的液壓油，油動機帶動閥門快速關(guān)閉，切斷汽源。

為防止誤動，每個汽輪機專用跳閘電磁閥都設(shè)有2個獨立的電磁繞組，任意1個繞組通電即可保證跳閘電磁閥處于吸合狀態(tài)，也就是說只有當(dāng)2個繞組都失電時才使跳閘電磁閥失磁跳閘。TTS采用冗余配置，2套TTS的跳閘輸出指令分別控制1個電磁閥的2個繞組，只有當(dāng)2套TTS都發(fā)出跳閘指令時，才會使跳閘電磁閥失磁跳閘，2套TTS均是按照2選2邏輯關(guān)系工作的。這樣當(dāng)1套TTS發(fā)生故障時，不會使保護動作造成誤動，如果其中1套TTS由于故障原因失去保護功能時，另外1套TTS按1選1方式工作。

2 核心技術(shù)要點

2.1 EPS跳閘準(zhǔn)則

EPS跳閘信號通過硬接線連到TTS，EPS的跳閘輸出指令通過6個開關(guān)量通道送至TTS，每3個指令信號分為一組，共分成2組跳閘指令。6個通道分別連接到每個S5-95F中央處理單元A、B上，2組跳閘信號分別在TTS內(nèi)經(jīng)3選2邏輯運算后啟動停機邏輯。為保證EPS和TTS的可靠連接，每間隔1 h，S5-95F都要發(fā)出指令對這6個通道進行自動檢測，以判斷系統(tǒng)連接是否正常。檢測程序也可以通過子機架上的按鈕手動啟動。檢測程序逐一對6個通道進行檢查，確認(rèn)1個通道正常之后，方才進行下1個通道檢測，若檢測過程中發(fā)現(xiàn)通道故障，則停止自動檢測，并向操作員站發(fā)出報警信息。

EPS中的跳閘準(zhǔn)則有：潤滑油壓力低(3選2)、凝汽器真空低(3選2)、汽機軸向位移超限(3選2)、凝汽器水位高(3選2)、排汽溫度高(3選2)、汽機軸承溫度高(3選2)、軸承振動大(2選2)、發(fā)電機套管箱液位高(3選2)、發(fā)電機冷氫溫度高(3選2)、潤滑油箱油位超限(3選2)、發(fā)電機冷卻水溫度高(3選2)、發(fā)電機定子冷卻水流量低(3選2)、發(fā)電機三相套管冷卻水流量低(3選2)、火災(zāi)保護按鈕動作(6選1)、手動排氫按鈕動作(2選1)等。

2.2 主燃料跳閘

主燃料跳閘是機組大連鎖保護之一，為保證可靠動作，主燃料跳閘信號通過2條硬接線連到TTS上，其中任何一個信號觸發(fā)都將導(dǎo)致汽輪機跳閘。

2.3 發(fā)電機跳閘

發(fā)電機跳閘是機組大連鎖保護之一，為保證可靠動作，發(fā)變組保護系統(tǒng)跳閘信號通過2條硬接線連到TTS上，其中任何一個信號觸發(fā)都將導(dǎo)致汽輪機跳閘。

2.4 啟動裝置

啟動裝置是DCS中的一個設(shè)定值控制塊，它的輸出控制著汽輪機主汽門和調(diào)速汽門上跳閘電磁閥和先導(dǎo)電磁閥的動作。當(dāng)啟動裝置的輸出大于12.5%時，復(fù)位跳閘信號，汽輪機掛閘；大于22.5%時，主汽門跳閘電磁閥帶電；大于32.5%時，調(diào)速汽門跳閘電磁閥帶電；大于42.5%時，截門先導(dǎo)電磁閥失電，主汽門打開。當(dāng)啟動裝置的輸出小于37.5%時，主汽門先導(dǎo)電磁閥帶電，主汽門關(guān)閉；小于27.5%時，調(diào)速汽門跳閘電磁閥失電；小于17.5%時，主汽門跳閘電磁閥失電；小于7.5%時，汽輪機跳閘系統(tǒng)中的跳閘信號置位。

4.創(chuàng)新性原則。僵化和固化的評價不僅僅無法實現(xiàn)測評績效，反而會阻滯大學(xué)生綜合素質(zhì)的改善和提升。創(chuàng)新原則可以從多個方面加以改進，能夠?qū)崿F(xiàn)合理引導(dǎo)的功能，如將學(xué)生作為主體參與設(shè)計，設(shè)計一套新的綜合素質(zhì)測評方法，等等。

2.5 超速保護

為保證超速保護的可靠性，汽輪機轉(zhuǎn)速測量回路由6個測速傳感器組成，3個為一組構(gòu)成一套超速保護回路，對于每個超速保護回路而言，其動作條件為：任意2個通道處于跳閘狀態(tài)；一個通道處于跳閘狀態(tài)，另一轉(zhuǎn)速通道故障；任意2個轉(zhuǎn)速通道故障。

為檢測轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的工作情況是否正常，每間隔1 h，S5-95F都要發(fā)出指令對這6個轉(zhuǎn)速測量通道進行自動檢測。通道檢測時，分別選擇測試頻率3 303 r/m和3 295 r/m對單一通道發(fā)出測試信號，當(dāng)選擇3 303 r/m時，測試通道將發(fā)出超速報警信號；當(dāng)選擇3 295 r/m時，測試通道的狀態(tài)不變。為避免超速跳閘，S5-95F將在一個通道測試完成，并確認(rèn)動作正確后再進行下一個通道的測試，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某通道動作不正常時，測試程序?qū)⒅兄梗缘却嚓P(guān)人員檢查。測試程序也可以通過按鈕手動激活，但不影響自動測試程序。

為確保超速保護不拒動，西門子公司還設(shè)計了一套硬件超速保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)實際上是由多個繼電器搭接起來的3取2回路，各通道未超速信號經(jīng)過硬件3選2電路后，將產(chǎn)生2個信號帶動相應(yīng)的硬件超速繼電器。當(dāng)硬件超速保護動作時，硬件超速繼電器失電，直接截斷跳閘電磁閥的電源，使汽輪機組跳閘。由此可見，硬件超速保護系統(tǒng)是完全獨立于TTS的，當(dāng)硬件超速保護動作時，不論TTS是否發(fā)出跳閘信號，都會保證汽輪機跳閘正常動作。

2.6 手動打閘

手動打閘是汽輪機保護必需的后備手段。手動打閘按鈕共有2個，一個在主控室控制臺上，另一個在汽輪機機頭處。手動打閘信號也有2條硬接線連到TTS上，只是將2個跳閘按鈕的常閉觸點串聯(lián)起來使用，按下任何一個手動打閘按鈕，都將同時觸發(fā)2個手動打跳閘信號，任何一個手動打閘信號觸發(fā)都將導(dǎo)致汽輪機跳閘。

2.7 通信總線傳送的跳閘準(zhǔn)則

TTS和DCS間有2條總線進行通信，也有跳閘準(zhǔn)則是通過總線傳送到TTS的，分別為控制油箱油位低(3選2)、控制油壓力低(3選2)和控制油緊急停按鈕動作(2選1)。另外，2條總線同時故障時，也將導(dǎo)致汽輪機跳閘。

2.8 閥門快關(guān)模式

閥門快關(guān)模式是由主機DEH系統(tǒng)發(fā)出的短時跳閘信號，閥門快關(guān)信號只作用于調(diào)速汽門，截止門不需要快關(guān)功能。當(dāng)由于電氣故障導(dǎo)致斷路器跳閘時，網(wǎng)上負(fù)荷瞬間減小為0，DEH系統(tǒng)檢測到負(fù)荷變化率超出限值時會觸發(fā)負(fù)荷中斷信號，輸出閥門快關(guān)信號至TTS，由TTS執(zhí)行調(diào)速汽門快關(guān)功能。閥門快關(guān)模式激活時使汽輪機調(diào)速汽門快關(guān)一小段時間(一般為幾秒鐘)，快關(guān)結(jié)束后恢復(fù)正常的調(diào)節(jié)方式，在動作過程中截止門全開保持不動，這是在電網(wǎng)異常工況下保護汽輪機安全的重要手段。

3 系統(tǒng)常見故障處理

a.備用鋰電池問題。在備用鋰電池失效的情況下，西門子TTS的CPU是無法啟動的。有時雖然CPU上的電池故障報警并沒有發(fā)出，但實際上當(dāng)備用鋰電池應(yīng)用時間過長時，CPU仍然會認(rèn)為電池故障無法啟動。建議定期更換TTS的備用鋰電池，更換周期建議為1年。

b.單個保護系統(tǒng)死機。由于每個保護系統(tǒng)都包含2個CPU，采取2選2的原理工作，任何一個CPU死機都會導(dǎo)致冗余的CPU同時死機，也就是說，單獨啟動某一個CPU是不可能的。在機組正常運行過程中，如果發(fā)生單個保護系統(tǒng)死機，只會導(dǎo)致跳閘電磁閥2個繞組中的1個繞組失電，不會造成汽輪機跳閘。經(jīng)試驗，對單個保護系統(tǒng)進行重啟不會影響機組的正常運行，但是死機的保護系統(tǒng)重啟成功，不會使斷電的繞組自動帶電。在DCS的邏輯中，啟動裝置發(fā)給汽輪機跳閘系統(tǒng)的復(fù)位跳閘條件的信號(啟動裝置大于12.5%)是一個脈沖量，只有當(dāng)汽輪機處于跳閘狀態(tài)時該信號才能發(fā)出。如果只是單個保護系統(tǒng)死機沒有造成汽輪機跳閘，重啟成功后由于復(fù)位跳閘條件的信號不能發(fā)出，其對應(yīng)的跳閘電磁閥的繞組仍然處于失電狀態(tài)。要解決這一問題，需要技術(shù)人員在工程師站中對啟動裝置的部分信號進行強制。

c.超速保護誤動問題。經(jīng)了解，使用西門子汽輪機保護系統(tǒng)的許多電廠都曾發(fā)生超速保護誤動的問題。如前所述，每間隔1 h，S5-95F都要發(fā)出指令對各轉(zhuǎn)速通道進行自動檢測，某個通道進行超速測試時，該通道是處于跳閘狀態(tài)的，此時若其它任何一個轉(zhuǎn)速通道故障就會造成超速保護誤動。為減少超速保護誤動的概率，建議將S5-95F程序中的轉(zhuǎn)速回路自動檢測的時間間隔延長。由于S5-95F計時器的固有特性所致，自動檢測的時間最多可延長為9 990 s，即不到3 h(如果想要更長的時間間隔，必須考慮多個計時器串聯(lián)的方式)。另外，由于在機組運行期間轉(zhuǎn)速探頭是不能更換的，建議在機組檢修時加裝一個備用轉(zhuǎn)速探頭。

d.單個跳閘按鈕誤動問題。在西門子的汽輪機保護信號中，有較多的事故按鈕，任何一個通道故障或信號誤發(fā)都可能導(dǎo)致機組保護誤動。這些按鈕包括：火災(zāi)保護按鈕(6選1)、手動排氫按鈕(2選1)，手動打閘(2選1)和控制油緊急停按鈕(2選1)。2003年10月，因某1個火災(zāi)保護信號抖動，就曾經(jīng)導(dǎo)致河北邯峰發(fā)電有限責(zé)任公司2號機組停運。對于這些保護按鈕信號，可以對保護邏輯進行修改，如改為3選2或2選2，以降低保護誤動的概率。

e.通信模件故障。西門子EPS與DCS通過2條L1總線進行通信，部分跳閘準(zhǔn)則是通過L1總線傳送到TTS的，同時TTS的大部分報警信號也是通過這2條L1總線發(fā)送給DCS。2條L1總線同時故障時，將導(dǎo)致汽輪機跳閘，所以當(dāng)其中1條L1總線發(fā)生故障時，也是一個非常危險的運行工況。由于每條L1總線上包括1個通信處理器CP530、3個總線終端BT777等通信部件，想一次判斷出具體是哪個部件故障是比較困難的，一般采用排除法對故障部件進行逐個排除。經(jīng)驗證，在機組正常運行的情況下，對單獨一條L1總線上的通訊部件進行檢修操作是不會影響機組安全運行的。

4 結(jié)束語

西門子公司汽輪機保護系統(tǒng)的設(shè)計還是比較科學(xué)、合理的，通過EPS、TTS、跳閘電磁閥的冗余設(shè)置，以及保護準(zhǔn)則中的3選2或2選2的冗余方式，它可以有效的防止保護拒動，也可以最大限度的防止保護系統(tǒng)誤動。同時，通過對EPS中部分邏輯進行的修改，可以增加該保護系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。

本文責(zé)任編輯：王麗斌