大型空冷機組ETS優(yōu)化與改造簡析

舒茂龍

(神華國能寧夏煤電有限公司,寧夏 銀川　750410)

大型空冷機組ETS優(yōu)化與改造簡析

舒茂龍

(神華國能寧夏煤電有限公司,寧夏 銀川750410)

摘要：分析了某電廠汽輪機危急遮斷系統(tǒng)(ETS)采用可編程邏輯控制器(PLC)控制存在的安全隱患和風(fēng)險，針對汽輪機安全保護系統(tǒng)的高可靠度和高安全度要求，提出了基于分散控制系統(tǒng)(DCS)一體化的SIL3安全控制系統(tǒng)改造方案，優(yōu)化ETS硬件與軟件，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備的最優(yōu)控制與配置，提高了機組控制系統(tǒng)安全性、可靠性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：空冷機組；汽輪機危急遮斷系統(tǒng)(ETS)；可編程邏輯控制器(PLC)；安全儀表系統(tǒng)(SIS)；一體化改造；改造方案

0引言

汽輪機危急遮斷系統(tǒng)(ETS)用于汽輪發(fā)電機組緊急情況下的保護，它與汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機儀表監(jiān)視系統(tǒng)(TSI)一起構(gòu)成汽輪發(fā)電機組的監(jiān)控保護系統(tǒng)。ETS保證汽輪機安全運行，出現(xiàn)異常時及時觸發(fā)機組停運信號，避免發(fā)生重大設(shè)備事故。隨著機組自動控制水平的提高，對ETS提出了更高的可靠性與安全性要求，以滿足機組智能保護的需求。

隨著分散控制系統(tǒng)(DCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)的發(fā)展，ETS設(shè)計已經(jīng)從原始繼電器發(fā)展到可編程邏輯控制器(PLC)控制和DCS控制。目前，ETS在DCS中一體化設(shè)計已成為主流[1]，但在ETS保護優(yōu)化與系統(tǒng)安全要求上，仍然存在著保護設(shè)計不合理、控制器硬件品質(zhì)不良等問題，威脅汽輪機系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。本文針對汽輪機安全保護系統(tǒng)高可靠度和高安全度的要求，提出了基于DCS一體化的SIL3安全系統(tǒng)控制器改造方案，優(yōu)化ETS硬件與軟件，設(shè)計與完善了ETS，實現(xiàn)了ETS設(shè)備的最優(yōu)控制與配置。

1ETS存在的隱患概述

某電廠2×660 MW汽輪機為東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的NZK660-24.2/566/566型、超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機。ETS控制回路采用雙機PLC控制，遠程RI/O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中PLC為施耐德公司的莫迪康昆騰系列。通過多年的生產(chǎn)運行，綜合電力系統(tǒng)內(nèi)外的類似問題，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有ETS存在以下風(fēng)險和隱患。

(1)莫迪康昆騰系列PLC在系統(tǒng)內(nèi)部電廠曾發(fā)生過重大故障，施耐德PLC以太網(wǎng)模塊固件存在安全漏洞，PLC運行安全等級無法滿足ETS的安全需要。

(2)ETS未設(shè)上位機，人工界面可視性差。查看ETS內(nèi)部組態(tài)和診斷故障信息繁瑣、復(fù)雜，直接影響運行維護人員對機組設(shè)備故障判斷，發(fā)現(xiàn)ETS出現(xiàn)的故障比較困難，在保證機組安全方面存在隱患。

(3)ETS首出報警通過PLC與DCS進行通信，有時因通信問題存在無法正確報警的問題，給運行人員判斷機組故障原因帶來困難。

(4)對ETS的監(jiān)控報警僅設(shè)計有繼電器回路電源失電報警，無法對ETS整個控制系統(tǒng)的軟硬件進行全面的監(jiān)控診斷。

(5)ETS控制邏輯設(shè)計存在單一保護信號或單一信號傳輸路徑驅(qū)動系統(tǒng)保護動作，ETS的保護誤動率高，系統(tǒng)安全運行風(fēng)險大。

隨著DCS設(shè)備和SIS設(shè)備的發(fā)展，為ETS高可靠性和安全性的系統(tǒng)安全設(shè)計和功能實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)保障。

2ETS優(yōu)化與技術(shù)改造

為保障ETS的高安全性和可靠性，針對現(xiàn)有的問題和隱患，取消ETS原有的PLC控制方式，采用與機組DCS，EDH一體化的控制系統(tǒng)(ABB貝利公司的800XA系統(tǒng))。新的ETS融入機組DCS，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的無縫連接，同時新ETS控制器和I/O模件設(shè)備滿足SIL3安全完整性等級[2]要求。

具體來說，ETS通過軟硬件升級，完成汽輪機機組各種數(shù)據(jù)采集、控制和保護功能，以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全、高效地運行。整個ETS是一套軟、硬件一體化的，可完成機組各項控制功能的完善控制系統(tǒng)，同時具備自身系統(tǒng)的在線監(jiān)控診斷功能。優(yōu)化改造主要分為2個部分：硬件改造,實現(xiàn)DCS硬件一體化和安全等級模件；軟件控制邏輯優(yōu)化實現(xiàn)控制冗余功能，保障安全可靠性。

表1　綜合成效比較

2.1硬件一體化改造

ETS按照SIS設(shè)計原理[3]獨冗余配置的SIL3系統(tǒng)包括控制器、I/O模件和組態(tài)軟件均需滿足SIL3標(biāo)準(zhǔn)。SIL3系統(tǒng)應(yīng)具有TUV認證。SIL3控制器直接接入DCS主網(wǎng)絡(luò)，與主機DCS一致，實現(xiàn)硬件、人機界面軟件管控一體化,即采用現(xiàn)有DCS相關(guān)設(shè)備的最新兼容產(chǎn)品(包括控制器、I/O、計算機和通信接口、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等),最終實現(xiàn)DEH，ETS與機組DCS的無縫連接[4]。ETS監(jiān)控將在主機DCS操作員站上完成。

(1)電源配置。ETS作為DCS中單獨的一個節(jié)點，配置了獨立的冗余電源，2路電源可實現(xiàn)自動切換。在各個機柜和站內(nèi)配置相應(yīng)的冗余電源模塊和回路保護設(shè)備，并用這2路電源在機柜內(nèi)饋電。任一路電源故障均會發(fā)出報警，在一路電源故障時另一路電源將自動進入運行狀態(tài)，以保證任何一路電源的故障均不會導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分失電而影響控制系統(tǒng)正常工作。

(2)SIL3功能框架。如圖1所示，整個SIL3系統(tǒng)由監(jiān)控模件、過程控制器和安全性I/O卡件構(gòu)成，監(jiān)控模件和過程控制器由拓展模件總線連接，過程控制器和安全性I/O卡件通過模件總線連接。2套SIL3控制器運行在熱備用方式，可用率達99.999 %。2個PM和2個SM共有4個CPU運行控制程序(如圖2所示)?？赡艿倪\行方式有8種，任一模件發(fā)生故障，正常的模件依然能夠正常運行程序，符合SIL3安全完整性等級要求(控制模式如圖3所示)。

圖1　SIL3控制器模塊功能

圖2　SIL3硬件配置

圖3　SIL3控制器的8種運行控制模式

ETS的I/O配置均是SIL3安全模件。通過對ETS控制器和I/O模件進行SIL3安全級別的配置以及DCS一體化的無縫連接，使得ETS的控制主腦部分具有了自檢測、容錯和巡檢功能，整個系統(tǒng)回路的可靠性大幅提高。

2.2邏輯軟件優(yōu)化

通過對ETS隱含的邏輯風(fēng)險進行認真梳理和排查，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)外的安全案例[5-6]，深入研究ETS控制原理和控制系統(tǒng)算法機制，對原ETS邏輯和信號進行了可靠性優(yōu)化，確保在異常工況下熱控保護朝著有利于機組運行的方向動作，杜絕系統(tǒng)誤動和拒動。

ETS單一保護信號或單一信號傳輸路徑驅(qū)動ETS保護動作存在保護拒動和誤動的風(fēng)險，通過邏輯優(yōu)化和增加信號等方式進行優(yōu)化，具體見表1。

此外，在ETS優(yōu)化改造過程中，通過對基礎(chǔ)工藝的完善管理(例如機柜安裝、接線工藝、色標(biāo)管理、試驗復(fù)核等)，提升了ETS建設(shè)工藝水平，進一步夯實了ETS設(shè)備安全、可靠運行的基礎(chǔ)。

續(xù)表

3結(jié)論

ETS的DCS一體化優(yōu)化改造后，提高了汽輪機保護系統(tǒng)的安全等級和保護系統(tǒng)的安全、可靠性，改造后1年內(nèi)ETS運行安全、穩(wěn)定、可靠。改造為DCS豐富了ETS功能，在功能上滿足SIL3要求，同時實現(xiàn)ETS各項在線監(jiān)控診斷功能。ETS改造過程對機組冗余保護進行了優(yōu)化，真正做到了獨立分散、冗余保護的安全性要求。通過對ETS的優(yōu)化和技術(shù)改造，ETS誤動率為0，拒動率為0。系統(tǒng)監(jiān)控完善，保護冗余獨立，安全性和可靠性提高，同時便利了熱工檢修維護，為公司其他DCS方面的改造升級和同類型機組優(yōu)化積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]劉殷俊，王林.基于DEH系統(tǒng)的ETS/METS控制系統(tǒng)技術(shù)升級設(shè)計及應(yīng)用[J].價值工程,2014(28)：47-48.

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[3]馮兆宇.安全儀表系統(tǒng)回路設(shè)計與研究[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量,2010(4):28-30.

[4]嚴(yán)海川，王文彬，黨立業(yè)，等.ALSTOM 330 MW汽輪發(fā)電機組DEH、ETS、BPC一體化技術(shù)研究與應(yīng)用[C]//中國電機工程學(xué)會.中國電機工程學(xué)會第十二屆青年學(xué)術(shù)會議論文集，2012.

[5]周繼勝，辛健.汽輪機DEH控制系統(tǒng)中ETS系統(tǒng)的改造[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會,中國自動化學(xué)會.第十四屆全國電氣自動化與電控系統(tǒng)學(xué)術(shù)年會論文集，2009.

[6]韓秋.汽輪機ETS保護系統(tǒng)改進[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,26(4): 68.

(本文責(zé)編：白銀雷)

收稿日期：2015-11-27；修回日期：2016-04-16

中圖分類號：TK 223.21

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)04-0027-03

作者簡介：

舒茂龍(1982—)，男，安徽黟縣人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱工控制技術(shù)方面的工作(E-mail:pskysml@163.com )。