汽輪機ETS 控制邏輯的缺陷及改造

張 繼

（中國石油玉門油田公司水電廠）

乍得恩賈梅納煉油廠自備電站設(shè)有5 臺12MW 凝汽式蒸汽輪機發(fā)電機組， 每臺機組分別設(shè)置一套DCS、DEH、ETS、TSI 系統(tǒng)。其中1#～3#機組向煉油廠供電，4#、5#機組向乍得共和國首都恩賈梅納市區(qū)供電。

汽輪機緊急跳閘系統(tǒng) （Emergency Trip System，ETS） 是電站熱控設(shè)備中重要的保護系統(tǒng)之一，其主要功能是當有危及汽輪機安全運行的狀態(tài)或參數(shù)出現(xiàn)時，及時發(fā)出停機跳閘信號，迅速關(guān)閉汽輪機進汽閥門， 及時切斷汽輪機所有進汽，避免機組設(shè)備的損壞或防止事故的進一步擴大，保證熱力系統(tǒng)設(shè)備的安全［1］。ETS 輸入信號及通道采用冗余設(shè)置，任何單一元件故障或電源故障均不會影響整套裝置的正常工作或引起保護誤動，當跳閘首出原因未消除時，各保護項目無法手動或自動復(fù)歸。 ETS 運行獨立于DCS 系統(tǒng)，通過DP 通信總線與DEH 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，將ETS 聯(lián)鎖保護投切狀態(tài)、保護動作狀態(tài)、ETS 首出原因等開關(guān)量信號輸出至DEH， 同時接收TSI、DEH 送來的聯(lián)鎖保護動作以及DEH 保護停機、ETS 手動復(fù)位指令。DEH 操作員站兼作ETS 上位機，可直觀監(jiān)控ETS 聯(lián)鎖保護投切動作狀況。

筆者根據(jù)ETS 的實際運行情況，針對原ETS控制邏輯存在的3 處缺陷，提出了相應(yīng)的改造措施，希望為生產(chǎn)實際中類似故障的分析和排除提供一定的參考。

1 ETS 控制邏輯

乍得恩賈梅納煉油廠自備電站的5 臺發(fā)電機組ETS 控制邏輯框圖如圖1 所示。

汽輪機啟動時， 通過掛閘操作建立啟動油壓、速關(guān)油壓和安全油壓，速關(guān)閥自動開啟到位后，系統(tǒng)方允許啟動汽輪機。

汽輪機正常運行過程中，聯(lián)鎖保護應(yīng)全部投入， 當任一停機跳閘條件滿足且PLC 聯(lián)鎖投入，則由ETS 的PLC 輸出打閘指令，進而輸出繼電器動作，打閘電磁閥AST 動作，危急遮斷器動作，使危急保安裝置泄油，速關(guān)閥關(guān)閉，機組停機。 ETS自動記錄跳閘首出原因，并保持停機狀態(tài)。

當開車條件具備以后， 手動復(fù)歸ETS 跳閘，再次掛閘，建立各路油壓，開啟速關(guān)閥，操作汽輪機正常開機。

2 原ETS 控制邏輯存在的缺陷

原ETS 控制邏輯使用STEP7 編寫完成，由兩個組織塊OB1、OB82 和一個功能塊FC1 組成。其中FC1 負責完成全部信號的讀取和動作輸出功能。

根據(jù)機組的實際運行情況，原ETS 控制邏輯存在3 處缺陷：

圖1 ETS 控制邏輯框圖

a. 原ETS 運行獨立于DCS、DEH 系統(tǒng)，通過DP 通信總線與DEH 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。 ETS 與DEH 系統(tǒng)的通信僅為監(jiān)視用， 通信中斷或DCS故障不影響ETS 的正常運行。 ETS 的上位機是DEH 操作員站，ETS 除了接收DEH 送來的保護停機指令信號外， 還接收DEH 送來的ETS 手動復(fù)位指令。 然而，由于原控制邏輯編寫存在缺陷，未能提供通信中斷處理功能。 若出現(xiàn)通信中斷或DEH 通信總線、 通信模塊故障，PLC 檢測到通信中斷，CPU 將自動進入停止模式， 嚴重影響ETS的正常運行，極有可能導致聯(lián)鎖保護拒動、誤動等情況的發(fā)生，存在極大的安全隱患。

b. PLC 為冗余設(shè)置，但由于當?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施落后，廠區(qū)屬于孤網(wǎng)運行模式，無后備電網(wǎng)支持，所以并不排除UPS 故障、廠用段故障等極端情況下出現(xiàn)短時失電或瞬間電壓波動等電源故障情況。然而， 原控制邏輯并未考慮此種情況， 所以當PLC 在RUN 模式下突然短時失電后， 在電源恢復(fù)正?；蛑匦滤碗姾?，CPU 將無法自動暖啟動，存儲器無法自動復(fù)位，從而導致ETS 始終處于停機狀態(tài)，無法正常工作。

c. 原控制邏輯中當聯(lián)鎖保護條件滿足時，PLC 輸出停機動作首出信號Q2.4，SR 觸發(fā)器M1.3 模塊S 引腳置1，接通中間變量M0.3，啟動擴展脈沖定時器T1 發(fā)出一個15s 的閉合信號脈沖，并分別輸出到Q64.0 遮斷電磁閥AST1、Q64.1遮斷電磁閥AST2 和Q64.5 遮斷電磁閥AST3，使之有15s 的得電動作時間，完成打閘動作，帶動危急遮斷器動作，關(guān)閉汽輪機主汽門，ETS 保護動作正常。 待跳閘首出原因消除后，手動復(fù)位，中間變量M0.0 閉合，程序段21（圖2a）中的SR 觸發(fā)器M1.3 的R 引腳置1，M1.3 的S 引腳為0， 此時如再次有聯(lián)鎖保護信號開入，則可正常輸出ETS 保護動作信號。 但在實際實施過程中，若聯(lián)鎖保護動作后，未在跳閘首出原因消失后在操作員站進行手動復(fù)位操作，即SR 觸發(fā)器未能復(fù)位，則S 端始終為1，擴展脈沖定時器T1 在啟動輸入端始終無法接收到一個上升沿的信號變化，也就無法再次運行。 在未手動復(fù)位的情況下，只要在首次打閘動作15s 之后，就可以在現(xiàn)場直接掛閘，開自動主汽門。 而此時即使有跳閘信號再次開出，AST電磁閥也無法正常動作，ETS 無法再次進行打閘，因此存在重大安全隱患。

原控制邏輯程序段如圖2 所示。

圖2 原控制邏輯程序段

3 控制邏輯改造

3.1 增加組織塊OB86 和OB87

當檢測到中央擴展機架故障，Profibus-DP 主站、從站故障或者Profinet 網(wǎng)絡(luò)中的I/O 元件、I/O系統(tǒng)故障出現(xiàn)或消除時，PLC 的CPU 將調(diào)用OB86 組織塊，將故障信息寫入診斷緩沖區(qū)。 若不編寫OB86 組織塊，當檢測到此類故障時，CPU 將轉(zhuǎn)為STOP 模式。

當使用通信功能塊或全局數(shù)據(jù)通信進行數(shù)據(jù)交換時出現(xiàn)通信錯誤，如全局數(shù)據(jù)檢測到錯誤的幀標識，CPU 操作系統(tǒng)將調(diào)用組織塊OB87，在找不到用于全局數(shù)據(jù)通信狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)塊時，生成該數(shù)據(jù)塊。若不編寫OB87 組織塊，當檢測到此類故障時，CPU 將轉(zhuǎn)為STOP 模式。

通過增加組織塊OB86 和OB87［2］，在檢測到I/O 系統(tǒng)故障或通信錯誤時， 避免了CPU 進入STOP 模式以及ETS 的非正常停運和機組保護失靈。

3.2 增加啟動組織塊OB100

除CPU-318 之外的S7-300 系列PLC 的CPU均只有暖啟動方式， 而ETS 使用的是CPU-315，因此需要添加啟動組織塊OB100［2］。 當PLC 供電恢復(fù)正常后，CPU 開始暖啟動， 在啟動用戶程序之前，先啟動OB。對于除CPU-318 之外的S7-300系列PLC， 過程映像數(shù)據(jù)以及非保持的存儲器、定時器和計數(shù)器被復(fù)位后， 首先調(diào)用執(zhí)行OB100， 再循環(huán)執(zhí)行OB1， 然后程序重新開始運行，以防止出現(xiàn)CPU 存儲器無法復(fù)位，導致保護拒動、誤動的情況發(fā)生。

3.3 更改FC1

控制邏輯中增加和改動的程序段如圖3 所示。 通過硬接線，由DEH 柜接出主汽門關(guān)到位信號至ETS 柜內(nèi)，更改ETS 控制邏輯，在原程序段21 后增加程序段22～24，原程序段22 變?yōu)?5。程序段21 的R 腳由M0.0 改為M0.6。 在FC1 中增加I67.1 自動主汽門關(guān)到位信號，輸出一個1s 的上升沿脈沖， 和原手動復(fù)位按鈕中間變量M0.0并聯(lián)，將中間變量M0.6 即SR 觸發(fā)器的R 引腳置1，以此來復(fù)位SR 觸發(fā)器M1.3。 通過控制邏輯的改寫，即使出現(xiàn)重大誤操作，即未手動復(fù)位就進行掛閘操作的情況下，自動主汽門關(guān)到位信號也會隨之置0，M0.6“打閘開出復(fù)位重置”信號發(fā)出瞬時，SR 觸發(fā)器M1.3 觸發(fā)引腳S 端置0。此時因停機動作首出信號未復(fù)位，會在自動主汽門開的瞬間再次發(fā)出打閘指令，以保證機組保護功能正常。

圖3 控制邏輯中增加和改動的程序段

4 結(jié)束語

ETS 的可靠性是電站熱控設(shè)備設(shè)計和維護時的第一要素， 任何疏忽都可能導致嚴重的后果，消除系統(tǒng)中存在的缺陷，防止ETS 聯(lián)鎖保護出現(xiàn)拒動、誤動，保證機組的安全運行是首要原則。 按照該原則對乍得恩賈梅納煉油廠自備電站5 臺機組的ETS 控制邏輯進行了修改，利用倒換停機間隙和機組聯(lián)鎖保護試驗的時機， 分別對5臺機組的ETS 進行了斷開Profibus 通信總線、模擬電源瞬間中斷及打閘停機后未復(fù)歸ETS 即在現(xiàn)場執(zhí)行掛閘操作等試驗，5 臺機組均未出現(xiàn)異常，機組保護穩(wěn)定可靠，此次改造順利完成，機組ETS 可靠性、安全性得到了大幅提高，完全達到了改造目的。