汽輪機ETS系統(tǒng)的控制原理及改進

蔡延龍　邸星杰　陳鵬

摘要：在發(fā)電廠汽輪機組運行的過程中，ETS系統(tǒng)發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，該系統(tǒng)的運行不僅可以顯著提升勞動生產(chǎn)率和電能質(zhì)量，還可以進一步降低發(fā)電成本、提高經(jīng)濟效益?；诖?，本文對汽輪機ETS系統(tǒng)的控制原理展開分析，并在此基礎(chǔ)上提出從超速保護、位移保護以及操作顯示面板等環(huán)節(jié)對系統(tǒng)運行加以改進，切實提升汽輪機組ETS系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性，從而進一步為同行業(yè)后續(xù)發(fā)展運行提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：汽輪機ETS系統(tǒng);控制原理;改進;

Control Principle and Improvement of Steam Turbine ETS System

CAI Yanlong DI Xingjie CHEN Peng

（Hydropower Plant of PetroChina Yumen Oilfield Company， Jiuquan， Gansu Province， 735200 China）

Abstract： ETS system plays a key role in the operation of steam turbine units in power plants. The operation of ETS system can not only significantly improve labor productivity and power quality， but also further reduce power generation costs and improve economic benefits. Based on this， this paper analyzes the control principle of steam turbine ETS system， and proposes to improve the system operation from overspeed protection， displacement protection and operation display panel， so as to effectively improve the safety and stability of steam turbine ETS system operation， so as to provide reference for the follow-up development and operation of the same industry.

Key Words： Turbine ETS system; Control principle; Improvement

0引言

汽輪機的ETS系統(tǒng)也就是危急遮斷系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機組的正常運行離不開ETS系統(tǒng)的安全保護。在汽輪機實際運行的過程中，很容易受到外界因素的影響而產(chǎn)生一定的機組損害問題，這時就可以通過ETS裝置來實施汽輪機自動緊急遮斷，從而最大限度地保證機組的安全運行。與此同時，這也對ETS系統(tǒng)的可靠性與靈活性提出了更高的要求，因此有必要在當前的基礎(chǔ)上加強研究，有效實現(xiàn)ETS系統(tǒng)的進一步優(yōu)化與改造。

1汽輪機ETS系統(tǒng)的控制原理

1.1執(zhí)行機構(gòu)

汽輪機組的ETS（Emergency Trip System）系統(tǒng)也就是危急遮斷保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運行主要是為了當檢測出安全運行狀態(tài)或參數(shù)出現(xiàn)異常的時候可以在第一時間關(guān)閉汽輪機進汽閥門，切斷所有的系統(tǒng)聯(lián)系，從而防止損害的進一步擴大。汽輪機組的ETS系統(tǒng)與DEH系統(tǒng)、TSI系統(tǒng)之間均存在著相應(yīng)的接口，因此在廣義上，危急遮斷保護系統(tǒng)還包括熱工監(jiān)視保護系統(tǒng)以及現(xiàn)場檢測等環(huán)節(jié);而在狹義上只是簡單表示熱工電氣保護裝置以及相關(guān)原件，在對其運行原理進行研究的時候，更多也是從狹義層面入手^[1]。ETS系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要由四個危急遮斷電磁閥AST以及兩個OPC電磁閥組成，這部分元件在絕大多數(shù)情況下都是安裝在危急遮斷控制塊上。在正常運行的情況下，危急遮斷電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，進而抗燃油的泄油通道也是封閉的，在這樣的情況下可以有效提升蒸汽閥執(zhí)行機構(gòu)活塞下的油壓;而在泄油通道被打開的時候，則會導(dǎo)致蒸汽閥停機^[2]。

1.2運行原理

ETS系統(tǒng)運行通過直流110V電源進行供電，而危急遮斷電磁閥在電氣控制回路當中處于串聯(lián)的安裝方式，充分發(fā)揮雙通道控制理論的重要作用，也就是說，只有在其中兩個通道都存在信號驅(qū)動電磁閥動作的時候才可以完成停機信號的有效輸出。由此也可以得出，在只有一個通道危急遮斷電磁閥進行動作的時候，不能對汽機進行跳閘與停機，采用這樣的設(shè)計可以最大限度地降低出現(xiàn)保護誤動和拒動的概率。

2汽輪機ETS系統(tǒng)的改進分析

2.1實施汽輪機ETS系統(tǒng)改進的必要性

就當前的ETS保護系統(tǒng)運行情況來看，存在很多的弊端與不足：大多數(shù)運行機組都是采用傳統(tǒng)的電子集成電路控制方式;同時在運行年限比較長的情況下，其內(nèi)部的繼電器與電子元件均會出現(xiàn)比較嚴重的老化情況，對機組的安全穩(wěn)定運行將會造成十分不利的影響，例如因半導(dǎo)體元件干枯而造成系統(tǒng)可靠性降低等問題。與此同時，采用傳統(tǒng)方法進行安裝的老舊設(shè)備往往在制造工藝上存在弊端，這也會導(dǎo)致其檢修難度的顯著提升，難以顧及檢修死角，形成安全隱患。例如配線種類大多為硬線，就會存在共入同一繼電器的問題;如果內(nèi)部接線的復(fù)雜程度比較高，則會引發(fā)虛線、掉線等隱患。除此以外，還會存在部分元件沒有投退開關(guān)以及廠家停產(chǎn)等問題，這都會給故障的檢修與困難的解決帶來限制。為妥善解決上述問題，提升汽輪機運行的穩(wěn)定性，有必要在當前的基礎(chǔ)上對ETS控制系統(tǒng)進行改造與革新。可以采用可編程控制器技術(shù)完成信號輸入以及相應(yīng)的邏輯運算和判斷，進而結(jié)合判斷結(jié)果輸出跳機信號。而且，還可以通過雙PLC系統(tǒng)進行控制，兩個PLC內(nèi)部的運行邏輯應(yīng)保持一致，即在一個PLC工作的時候，另外一個可以備用，這樣一旦出現(xiàn)故障，另外一個PLC可以在第一時間保證正常工作，并完成相關(guān)故障的檢修，提升設(shè)備運行的安全性與可靠性^[3]。

2.2汽輪機ETS系統(tǒng)改進原則

為充分保證汽輪機的可靠性，提升運行效果，在對ETS系統(tǒng)進行邏輯控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候應(yīng)充分遵循以下原則：第一，應(yīng)遵循簡單、獨立原則，盡可能地減少系統(tǒng)檢修期間不必要的環(huán)節(jié)與時間延遲，同時保證簡單、直接，減少其中的轉(zhuǎn)接與轉(zhuǎn)換;第二，應(yīng)遵循獨立原則，保護系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)之間應(yīng)保持充分的獨立狀態(tài)，其中的相關(guān)設(shè)計也應(yīng)盡量分開，這也就可以保證在調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候，通過保護系統(tǒng)使汽輪機停止運行;第三，應(yīng)遵循失電跳機原則，也就是ETS系統(tǒng)在運行的過程中應(yīng)保持獨立供電，借助交流電源與冗余直流電源完成供電。一旦獨立供電系統(tǒng)不能正常工作或者失電后保護邏輯無法順利執(zhí)行的時候就應(yīng)有針對性地設(shè)計失電跳機方式，同時保證系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的監(jiān)視功能與報警功能;第四，應(yīng)遵循冗余配置原則，也就是保證一套系統(tǒng)工作，而另外一套備用，這樣一旦出現(xiàn)故障就可以通過另一套系統(tǒng)停止汽輪機運行。與此同時，在一套系統(tǒng)處于維修、更換狀態(tài)的時候不能對整體系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響，只有這樣才可以有效實現(xiàn)汽輪機運行水平的不斷提升^[4]。

2.3加強汽輪機系統(tǒng)邏輯保護

2.3.1超速保護

汽輪機在運行的過程中，往往會處于高溫、高壓的環(huán)境，同時其快速轉(zhuǎn)動也會為內(nèi)部部件帶來巨大的離心力，轉(zhuǎn)速越快，離心力也就越大，因此該離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。通常情況下，汽輪機的轉(zhuǎn)動部件具備相應(yīng)的承受極限，其數(shù)值為額定轉(zhuǎn)速的115%～120%，如果超過了這個范圍就很容易引發(fā)部件碰撞、葉片斷裂等安全事故。因此在汽輪機保護系統(tǒng)中應(yīng)充分發(fā)揮超速限制的重要作用，就其實際應(yīng)用情況來看，最常見的超速限制主要包括機械超速保護系統(tǒng)、EH超速保護系統(tǒng)以及TS電超速保護系統(tǒng)^[5]。

2.3.2位移保護

汽輪機運行過程中其進氣參數(shù)與排汽參數(shù)會出現(xiàn)一定的差異，在這樣參數(shù)差的影響下勢必會出現(xiàn)巨大的軸向推力。正常情況下，絕大多數(shù)的軸向推力都會分散給平衡盤或平衡管，而剩余小部分的推力則由推力軸承承擔。推力軸承上方設(shè)置有推力瓦塊，由推力瓦塊與推力盤共同作用完成推力的承載。但一旦推力超過其最大負荷，就會引發(fā)推力瓦塊與推力盤之間的干摩擦，嚴重的時候還會引發(fā)難以預(yù)計的機械安全事故。與此同時，在再熱機組運行的過程中出現(xiàn)高、中壓缸進汽量不平衡的問題時就會引發(fā)汽輪機推力顯著提升，進而造成燒瓦事故的發(fā)生。因此，汽輪機有必要設(shè)置位移監(jiān)視和保護系統(tǒng)，及時對其中的異常信息進行監(jiān)控，并把測得的信號傳送給ETS系統(tǒng)，為后續(xù)的跳機任務(wù)提供信息支持與數(shù)據(jù)支持^[6]。

2.4顯示操作面板的改進

針對ETS系統(tǒng)的改進也包括對顯示操作面板的改進，在應(yīng)用液晶顯示器可編程面板之后有效代替了原有的硬接線ETS操作面板，進而在運行上與操作上均實現(xiàn)了較大的提升：首先，在原有的硬接線ETS操作面板上進行在線試驗功能操作可以發(fā)現(xiàn)，該面板是通過預(yù)制電纜與ETS控制柜完成信號傳遞，同時因電子元件老化以及指示燈變暗等問題給試驗操作帶來了一定困難;而新的系統(tǒng)則采用觸摸式液晶顯示屏不僅大大提升了操作的便利性與直觀性，還可以顯著縮短接收信號的時間;其次，新面板的應(yīng)用可以在第一時間記錄跳閘原因，保證相關(guān)人員可以有效了解出現(xiàn)跳閘的實際情況，避免被后續(xù)的相關(guān)信號所干擾;而原有的面板系統(tǒng)并不具備這項功能，因此需要其他的設(shè)備幫助完成;最后，當系統(tǒng)發(fā)出報警信號狀態(tài)指示的時候會根據(jù)其具體內(nèi)容發(fā)出“首出”記憶信號，完成第一個遮斷信號的顯示。這樣針對不同的信號信息內(nèi)容發(fā)出相應(yīng)的報警提醒大大方便了相關(guān)運行人員的監(jiān)視和操作，進而促進汽輪機系統(tǒng)運行效率的不斷提升^[7]。

2.5電源回路問題的改進

為進一步保證ETS系統(tǒng)控制電源可以實現(xiàn)消除保護誤動與冗余切換等功能，需要進一步對電源回路進行改進。其主要的改進方法為：將把AST1、ATS3電磁閥的供電電源轉(zhuǎn)換為電源切換以前的狀態(tài)，并通過保護電源來完成供電功能;同時在AST1與AST3電磁閥電源控制回路上連接操作臺上的汽機跳閘按鈕，并把并聯(lián)常閉接點連入到AST2與AST4的電磁閥電源控制回路之中。經(jīng)過這樣的改良以后，AST電磁閥會通過UPS與保安段實施獨立供電，因此在一個控制電源出現(xiàn)故障或者斷電的時候，另外一個依舊保持穩(wěn)定的安全油壓，最大限度地避免了汽輪機機組跳閘問題的出現(xiàn)。與此同時，當ETS系統(tǒng)的單路控制電源出現(xiàn)切斷現(xiàn)象的時候，危急遮斷液壓組塊結(jié)構(gòu)中的油壓狀態(tài)監(jiān)測開關(guān)就會被有效觸發(fā)，進而對相關(guān)工作人員發(fā)出警報信號，便于在第一時間采取相應(yīng)的解決措施進行妥善的檢修與處理。而在PLC系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障的時候，操作臺可以直接切斷AST電磁閥供電回路，進而出現(xiàn)停機情況。在完成電源回路問題的改進之后，ETS系統(tǒng)控制電源可以充分發(fā)揮冗余互備功能的真正效用，進而最大限度地避免了因單路控制電源故障切換而導(dǎo)致的汽輪機保護誤動跳閘問題。

3結(jié)語

綜上所述，ETS系統(tǒng)的的運行為提升汽輪機組的安全性與穩(wěn)定性發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，通過對其內(nèi)部運行參數(shù)的監(jiān)控，保證可以在第一時間發(fā)現(xiàn)其中的異常情況，從而實施緊急停機，保障汽輪機組的運行安全。因此在實際工作的過程中，相關(guān)人員應(yīng)不斷提升對ETS控制系統(tǒng)的重視程度，在充分了解、分析其運行原理的基礎(chǔ)上，對其開展新一輪的改進與革新，從而有效為優(yōu)化ETS邏輯以及保護系統(tǒng)功能奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]揭其良，郭軼娜，紀斯宇，孫哲，韓國安.600 MW超臨界機組ETS系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].機電信息，2020（32）：40-41.

[2]仇晨光.淺談ETS與OPC動作特性的差異[J].武漢電力職業(yè)技術(shù)學院學報，2020，18（01）：38-42.

[3]程勝林，張琴玲.東汽630MW機組ETS系統(tǒng)可靠性措施優(yōu)化與應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2019，26（09）：86-89.

[4]彭杰.火電廠汽輪機組TSI系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量回路異常分析[J].機電信息，2021（02）：13-14.

[5]黃超. 某聯(lián)合循環(huán)汽輪機高中壓缸-螺栓系統(tǒng)有限元建模與多場耦合應(yīng)力分析[D].浙江大學，2020.

[6]劉俊杰. 汽輪機-超級電容混合發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)電能質(zhì)量優(yōu)化控制[D].哈爾濱工業(yè)大學，2020.

[7]胡中強.背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析及應(yīng)用[J].上海節(jié)能，2020（11）：1265-1268.