火電站ETS的升級改造

邢明程, 饒 峰

(深圳媽灣電力有限公司, 廣東深圳 518052)

火電站ETS的升級改造

邢明程, 饒 峰

(深圳媽灣電力有限公司, 廣東深圳 518052)

針對舊的ETS的不足之處，提出了將其納入火電站單元機組DCS之中進行一體化控制的改造方案。新的ETS摒棄了舊系統(tǒng)復雜的電氣回路，汽輪機保護邏輯用軟件來完成；把ETS接入DCS的通信環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)了在DCS中對ETS的監(jiān)視和操作。通過合理的硬件和軟件配置，使改造后的ETS完全能夠滿足系統(tǒng)可靠性和快速性要求。

火電站； ETS； DCS； 升級改造； 一體化

Abstract： To overcome the deficiencies of the old ETS, a retrofit scheme was proposed, which upgrades the ETS and integrates it into the DCS of the power plant. The new ETS abandons the complex electric circuit in the old system and constructs the turbine protection logic by software; the method is to connect the ETS to the network of DCS so as to realize the supervision and operation of ETS in the DCS. By proper hardware and software configuration, the new ETS can entirely meet the demand in reliability and rapidity.

Keywords： thermal power plant; ETS; DCS; upgrading; integration

汽輪機危急跳閘系統(tǒng)簡稱ETS，用以監(jiān)視汽輪機的重要參數(shù)，當某個參數(shù)超過其運行限制值時，系統(tǒng)就關閉全部汽輪機蒸汽進汽閥門，緊急停機以保證汽輪機設備安全[1]。

國內(nèi)較早建造的300 MW及以下的火電機組，盡管主要設備已經(jīng)普遍采用DCS進行控制，但由于當時條件所限，機組的ETS大都并沒有納入DCS之中，而是一個單獨的系統(tǒng)。這個獨立的ETS，隨著設備元件的老化，故障越來越多，可靠性下降；另外隨著電廠DCS的不斷升級，集成度越來越高，一個游離于DCS之外的ETS，在監(jiān)視、操作、事故追憶等方面都帶來諸多不便，因此有必要對其進行升級改造。

對于ETS的改造，需要考慮的問題有：成本要較低；為了施工及分析方便，最好與現(xiàn)有的DCS兼容；改造后ETS的主要功能，即保護的可靠性及快速性只能加強，不能削弱。

1 ETS改造前的狀況

以我國南方某300 MW火力發(fā)電機組為例，該機組最初建設時熱工控制系統(tǒng)采用的是INFI-90系統(tǒng)；后在INFI-90的基礎上幾經(jīng)升級，現(xiàn)為Composer系統(tǒng)。雖然這個控制系統(tǒng)做到了把BMS、CCS、DEH、MEH、DAS、SCS等控制功能都集成在一個DCS中，但由于種種客觀限制，INFI-90系統(tǒng)并沒有把ETS包含在內(nèi)。舊的ETS是用繼電器和接觸器等電氣元件搭接起來的一個單獨的系統(tǒng)，以汽輪機潤滑油壓力低保護為例。

該ETS動作的原理見圖1。

圖1 原ETS的原理框圖

從圖1可知：P2916、 P2917、 P2918、P2919是汽輪機的4個潤滑油壓力低壓力開關，當某個壓力開關動作，如P2916(或P2918)動作，它對應的繼電器LBO1(或LBO3)帶電，節(jié)點閉合，使中間接觸器1A、1B帶電， 1A、1B的節(jié)點吸合后，作為輸出的接觸器LP1/AST、LP3/AST帶電吸合，使現(xiàn)場的跳閘電磁閥 LP1/AST、LP3/AST回路導通，電磁閥帶電動作。如果是壓力開關P2917或P2919動作，則驅(qū)動跳閘電磁閥LP2/AST、LP4/AST動作。其他跳閘信號的動作原理與此相同。

ETS系統(tǒng)的跳閘電磁閥布置采用“兩或一與”邏輯(見圖2)。

圖2 跳閘電磁閥的“兩或一與”布置

由LP1/AST 、LP3/AST組成第一通道，LP2/AST 、LP4/AST組成第二通道，每個通道內(nèi)的兩個電磁閥是“或”的關系，兩個通道又構成“與”的關系，這樣就使每個通道都必須至少有一個電磁閥導通，危急遮斷油路才會導通，如果只有一個跳閘電磁閥動作，跳閘油路是不會泄油的。這樣的設計既防止了誤動，又防止某個電磁閥拒動，具有較高的可靠性。

另外，該ETS現(xiàn)場執(zhí)行機構有兩套，一套為低壓跳閘電磁閥，一套為高壓跳閘電磁閥，各有4個。高壓跳閘電磁閥裝在高壓RST油路中，低壓跳閘電磁閥裝在保安油路中，二者作用相同，動作原理相同，驅(qū)動邏輯也是一樣的，只是在跳閘指令輸出時，信號分為兩路，分別送往高壓跳閘執(zhí)行機構和低壓跳閘執(zhí)行機構。

這種用繼電器、接觸器搭接的ETS雖然有造價低、動作迅速的優(yōu)點，但隨著時間增加，其弊端也日漸顯現(xiàn)。以低壓跳閘執(zhí)行機構為例：(1)整個系統(tǒng)用了大約60個繼電器和6個接觸器，設備眾多，接線復雜，給維護帶來很大不便；(2)繼電器、接觸器時間久了存在線圈老化、觸點接觸電阻增大的問題，故障率增加；(3)作為跳閘信號輸出的接觸器節(jié)點數(shù)有限，擴展困難，不利于其他系統(tǒng)取用汽輪機跳閘信號；(4)整個系統(tǒng)是由簡單的電氣元件搭接，沒有歷史數(shù)據(jù)記錄和跳閘信號順序追憶功能，給分析事故跳閘原因帶來很大不便。因此對其進行改造已是勢在必行。

2 改造方案和設備選型

經(jīng)過查閱資料和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)老電廠的ETS改造采用PLC的方式居多，但對該電廠來說，采用PLC方式實現(xiàn)機組ETS保護，有幾點不足：(1)單套PLC模塊價格稍低，但為了實現(xiàn)保護可靠動作，需兩套相同的PLC系統(tǒng)冗余運行，設備價格就增加了一倍，而且現(xiàn)有的控制系統(tǒng)為Composer系統(tǒng)，如配置PLC，需要另行設計一套電源系統(tǒng)，再配置上位機、手操器等設備，硬件成本較大；(2)為了能在現(xiàn)有DCS中監(jiān)視PLC模塊中數(shù)據(jù)，需要進行PLC與DCS的通信接口設計，工作量較大；(3)運行、檢修人員已經(jīng)熟悉現(xiàn)有的DCS，而對PLC不太熟悉，若采用PLC設備，以后培訓、維護成本較高。

綜上所述，比較了各種利弊后，最終決定把機組的ETS保護功能納入到現(xiàn)在的Composer控制系統(tǒng)中進行一體化改造，使ETS變成Composer控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。這樣ETS和DCS可以無障礙通信，并且可以共享DCS的相關設備，如操作員站、工程師站、打印機、SOE設備等。

Composer控制系統(tǒng)是由INFI-90系統(tǒng)升級而來，它的基本結構是兩個冗余的中央通信環(huán)路(C-net)，過程控制單元(PCU)、操作員站(OIS)、工程師站(EWS)等都通過通信接口模塊掛在C-net上。其中，過程控制單元(PCU)是控制系統(tǒng)的主體，一個PCU稱為一個站，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)一共有18個站，分別完成BMS、CCS、SCS、DEH、MEH、DAS等功能。在一個過程控制站(PCU)內(nèi)部，有兩對互相冗余的通信接口模件NIS和NPM，NIS模件通過預制電纜接到通信接口端子板(TCL)上，每塊通信端子板再通過同軸電纜首尾串接起來，形成一個中央通信環(huán)路，因此有兩個冗余的通信環(huán)路；一個PCU內(nèi)部還有幾對冗余的主模件MFP12，它們對接收到的數(shù)據(jù)進行運算處理，同一PCU的主模件之間通過控制總線進行通信，不同PCU的主模件通過通信環(huán)路傳輸信息；若干輸入輸出子模件(I/O子模件)，它們負責采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)或把控制指令發(fā)送到現(xiàn)場，I/O子模件通過I/O擴展總線和主模件MFP12通信。決定在原18個過程控制單元的基礎上，新增加一個站，定義為PCU19，專門來實現(xiàn)機組ETS功能。鑒于ETS保護對可靠性和動作時間的嚴格要求，這個站(PCU19)的配置和其他站又有些不同之處。

對于既有的PCU，里面的主處理器采用的是MFP12，對于一般的過程控制來說，MFP12的功能已經(jīng)夠用了，但用于汽輪機保護，MFP的運算速度仍顯不足。經(jīng)過測試，一個MFP主模件，在該主模件中控制組態(tài)較多的情況下，一個運算周期長達0.3 s，這僅僅是模件發(fā)出跳閘指令時間，還不包括就地電磁閥動作及主汽門關閉時間。而依據(jù)運行規(guī)程，緊急故障停機時，保安系統(tǒng)起作用至主汽閥完全關閉不超過0.5 s，依據(jù)國家相關標準[2]，這個時間不應超過0.3 s，顯然MFP主模件處理起來不能保證這個時間要求，因此選用了橋處理器(BRC410)作為PCU的主處理器。

BRC410是一個高性能、大容量過程數(shù)據(jù)處理和過程控制處理器，能有效完成過程控制密集的數(shù)據(jù)處理功能，它采用32位處理器，時鐘頻率160 MHz，是MFP12的10倍，ROM、RAM、 NVRAM均較MFP12有較大提高，在數(shù)據(jù)通信上采用DMA技術，數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送直接通過通信信道在RAM間進行，不需CPU干預，大大提高了通信效率，CPU不用承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移工作，可以更快地完成其他任務。由于硬件標準較高，BRC410主模件中的每個功能塊運算周期僅為微秒級，同時ETS控制邏輯簡單，使用功能塊很少，整個BRC410模件的運算周期僅幾個毫秒，在改造中設置BRC410的一個運算周期為0.04 s，已留了足夠裕量。

改造后的DCS網(wǎng)絡結構簡圖見圖3。

圖3 Composer系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構簡圖

3 改造后的ETS架構和控制邏輯

為了保證ETS的可靠性，把ETS單獨設計成為C-net上的一個節(jié)點，占用兩個機柜，一個端子柜，一個模件柜。所有的跳閘輸入信號都采用硬接線的方式送進ETS，避免了可能的通信延遲和通信故障。ETS模件柜內(nèi)有4個站，每個站包含有兩塊互為冗余配置的BRC410主模件和若干I/O模件，所有跳閘信號都在信號輸入端子板上并連起來同等地送入4個站的BRC410主模件進行處理，4個站的BRC410主模件內(nèi)的跳閘邏輯是一樣的。4個站構成了4個保護通道，每個通道控制一個高壓跳閘電磁閥和一個低壓跳閘電磁閥，由于4個跳閘電磁閥在控制油路上構成了“兩或一與”的關系，某一通道主模件故障或誤動不會導致汽輪機跳閘,有三個通道正常工作也能保證機組在滿足條件時跳閘,不會影響機組的保護功能。

以“潤滑油壓力低”跳閘信號為例，該信號從輸入到信號處理到跳閘輸出的結構流程見圖4。圖4中P2916、P2917、P2918、P2919是4個潤滑油壓力低開關，每個開關信號都通過并聯(lián)的方式送入4個跳閘通道，在每個通道內(nèi)又進行了“兩或一與”處理；“EH油壓力低”、“真空低”現(xiàn)場也有4個壓力開關，與潤滑油壓力低開關一樣處理；對于只有一路硬接線輸入來源的跳閘信號，通過并聯(lián)的方式送往4個通道，在通道內(nèi)跟其他跳閘信號“或”之后送往輸出模件。

圖4 ETS改造方案的基本結構

以跳閘通道一為例，改造后BRC控制器中的跳閘邏輯見圖5。

圖5 改造后BRC控制器中的跳閘邏輯

由圖5可見，BRC控制器中的邏輯進行了簡化。經(jīng)過測試，BRC的使用率只有3%左右，這也更有利于BRC模件的高速可靠運行。

4 ETS改造的結果

改造后的ETS保留了十路跳閘保護信號，分別是：(1)MFT保護跳機；(2)任意一個ATR保護跳機(包括軸承溫度高、軸承振動大、上下缸溫差大)；(3)超速保護跳機；(4)潤滑油壓低LBO保護跳機；(5)真空低LV保護跳機; (6)EH油壓低保護跳機；(7)手動打閘停機；(8)電氣故障保護跳機；(9)DEH失電保護跳機；(10)軸位移大保護跳機。

輸出信號除了送到4個高壓跳閘電磁閥和4個低壓跳閘電磁閥外，還通過DO輸出模件驅(qū)動擴展繼電器送相關信號去聲光報警系統(tǒng)、事故記錄系統(tǒng)SOE、電氣保護屏、BMS系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、廠級通信遠動機房等。

改造后的ETS增加了以下功能：(1)每個保護信號均可在軟件組態(tài)中單獨投入/切除；(2)跳閘輸出信號擴展功能；(3)系統(tǒng)電源故障報警功能；(4)主模件、子模件故障報警功能；(5)每個通道在線試驗功能。

為此又增加了7個OIS操作監(jiān)視畫面，前4幅畫面為4個BRC通道對應的ETS畫面，每幅畫面有汽輪機跳閘掛閘狀態(tài),保護跳閘首出,保護跳閘投切狀態(tài)，監(jiān)視ETS各路輸入信號。另3幅畫面為ATR保護跳閘首出,軸承溫度跳閘首出,振動保護首出。

改造后的ETS進行了一系列靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗，包括：(1)I/O通道檢測；(2)電源冗余測試；(3)通信模件冗余測試；(4)模件柜和跳閘回路失電試驗；(5) I/O子模件故障模擬試驗；(6)主模件故障模擬試驗；(7)ETS保護邏輯靜態(tài)試驗；(8)ETS保護動態(tài)試驗；(9)保護系統(tǒng)運算時間及就地液壓執(zhí)行機構的動作時間測試。

以上試驗均取得了令人滿意的效果，其中汽輪機跳閘時間測試使用手動打閘按鈕作為跳閘信號，根據(jù)SOE記錄的各個信號產(chǎn)生時間，手動打閘信號產(chǎn)生到跳閘繼電器動作，用時0.042 s,這主要是BRC410模件的運算時間；跳閘繼電器動作到主汽門關閉信號發(fā)出，用時0.24 s,總用時0.282 s,滿足最嚴格的汽輪機跳閘對主汽門關閉的時間要求[2]。BRC410模件的快速運算能力也再一次得到驗證。

5 結語

改造完成后的試驗測試及后續(xù)投產(chǎn)運行證明：通過把ETS納入到電廠現(xiàn)行的DCS之中，以較小的成本解決以前ETS的種種不足之處，提高了機組的安全性和可靠性，達到了預期目的。

[1] 王付生. 電廠熱工自動控制與保護[M]. 北京: 中國電力出版社,2005.

[2] 湖北省漢新發(fā)電有限公司,湖北省電力公司. 火力發(fā)電廠汽輪機監(jiān)視和保護系統(tǒng)驗收測試規(guī)程: DL/T 1012—2006[S]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

UpgradingontheTurbineEmergencyTripSysteminaThermalPowerPlant

Xing Mingcheng, Rao Feng

(Shenzhen Mawan Electric Power Co., Ltd., Shenzhen 518052, Guangdong Province, China)

2016-11-30；

2017-02-04

邢明程(1976—)，男，工程師，從事熱工控制和保護工作。

E-mail: 6709334@qq.com

TK323

A

1671-086X(2017)05-0363-04