汽機(jī)主保護(hù)系統(tǒng)跳閘保護(hù)回路的研發(fā)與應(yīng)用

齊艷彬

（秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003）

0 引言

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中9.4.8條明確指出：“汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)跳機(jī)繼電器應(yīng)設(shè)計(jì)為失電動作……，配置有雙通道四跳閘線圈汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)的機(jī)組，應(yīng)定期進(jìn)行汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)在線試驗(yàn)”[1]。本公司1#機(jī)組的ETS保護(hù)系統(tǒng)出口跳閘回路設(shè)計(jì)為：出口繼電器跳閘板完成掛閘及失電工作和帶電動作的接點(diǎn)轉(zhuǎn)換，未通過冗余的PLC邏輯輸出AST跳閘電磁閥的控制接點(diǎn)。此種跳閘回路設(shè)計(jì)存在重大隱患，可靠性低，會出現(xiàn)“拒動”或者“誤動”，不利于系統(tǒng)的維護(hù)工作。為滿足保護(hù)系統(tǒng)二十五項(xiàng)反措相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)ETS保護(hù)系統(tǒng)掛閘保持、失電跳機(jī)，以及提高ETS系統(tǒng)的功能性，實(shí)現(xiàn)ETS系統(tǒng)的跳閘首出和信號測點(diǎn)監(jiān)視以及AST跳閘電磁閥在線試驗(yàn)功能，需要重新研發(fā)設(shè)計(jì)優(yōu)化#1機(jī)組汽機(jī)ETS系統(tǒng)出口跳閘繼電器控制回路。

1 背景技術(shù)

#1機(jī)組ETS系統(tǒng)為2005年改造，采用日本OMRON C200H系列PLC的雙PLC并行控制的裝置。AST跳閘回路及其AST電磁閥電源為GE能源上海新華設(shè)計(jì)生產(chǎn)，AST跳閘電磁閥采用110V交流供電。跳閘繼電器電源、跳閘板及AST電磁閥試驗(yàn)功能均在DEH系統(tǒng)中。出口跳閘回路設(shè)計(jì)原理為：采用接點(diǎn)閉合方式輸出跳閘狀態(tài)，送至DEH系統(tǒng)機(jī)柜的跳閘繼電器板；跳閘繼電器板采用內(nèi)部的繼電器完成跳閘信號的常開、常閉轉(zhuǎn)換及自保持，如圖1。此種跳閘回路設(shè)計(jì)存在重大隱患，當(dāng)汽輪機(jī)保護(hù)動作跳閘后，一旦跳閘保護(hù)信號消失，而自保持回路無法完成自保持，汽機(jī)會自動掛閘，導(dǎo)致汽輪機(jī)誤沖動，引發(fā)重大安全問題。另外，ETS保護(hù)系統(tǒng)作為汽輪機(jī)保護(hù)最重要的一環(huán)，目前的跳閘回路設(shè)計(jì)功能有限，無法對跳閘回路繼電器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，可靠性低和靈活性差，會出現(xiàn)“拒動”或者“誤動”。ETS系統(tǒng)目前未完全獨(dú)立，跳閘繼電器電源、跳閘板及AST電磁閥試驗(yàn)功能均在DEH系統(tǒng)中，違反保護(hù)系統(tǒng)獨(dú)立原則要求。

圖1 原設(shè)計(jì)出口跳閘繼電器回路Fig.1 Originally designed outlet trip relay circuit

2 設(shè)計(jì)思路

為防止因設(shè)備失電導(dǎo)致汽輪機(jī)失去控制，ETS出口跳閘繼電器應(yīng)設(shè)計(jì)為失電跳機(jī)邏輯?？紤]ETS保護(hù)系統(tǒng)“誤動”和“拒動”的情況，以及提高ETS系統(tǒng)的功能性，重新設(shè)計(jì)改進(jìn)ETS系統(tǒng)出口跳閘繼電器控制回路[2]。取消跳閘繼電器板的接點(diǎn)轉(zhuǎn)換和自保持回路，通過PLC邏輯控制跳閘繼電器，在PLC邏輯里使用掛閘復(fù)位信號和跳機(jī)信號作為鎖存繼電器的輸入信號，從而達(dá)到掛閘保持和跳閘信號消失后，沒有接到人為掛閘指令時(shí)，跳閘電磁閥在失電狀態(tài)，不會造成汽輪機(jī)誤掛閘、誤沖轉(zhuǎn)的嚴(yán)重問題。通過16個跳閘繼電器接點(diǎn)的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“失電跳機(jī)”，同時(shí)保證任意兩個以下繼電器故障情況下，AST電磁閥仍然能夠正常動作，從而保證汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，對每個跳閘繼電器進(jìn)行在線監(jiān)測，保證在正常運(yùn)行工況下對跳閘繼電器異常狀態(tài)在線監(jiān)測，有效避免ETS保護(hù)系統(tǒng)“誤動”和“拒動”的情況，大大提高ETS系統(tǒng)保護(hù)動作的準(zhǔn)確性、可靠性，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 AST電磁閥跳閘回路設(shè)計(jì)原理

3.1 雙PLC冗余控制

如圖2所示，采取冗余PLC控制，每個PLC的跳閘保護(hù)輸出通道均采用冗余設(shè)計(jì)。每個PLC跳閘輸出通道為16個，對應(yīng)并聯(lián)至16個跳閘繼電器1A-11～2B-22。

圖2 PLC輸出至跳閘保護(hù)控制電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of PLC output to trip protection control circuit

通過冗余PLC邏輯控制跳閘繼電器，在PLC邏輯里使用掛閘復(fù)位信號和跳機(jī)信號作為鎖存繼電器的輸入信號，從而達(dá)到掛閘保持和跳閘信號消失后，沒有接到人為掛閘指令時(shí)，跳閘電磁閥在失電狀態(tài)不會造成汽輪機(jī)誤掛閘、誤沖轉(zhuǎn)的嚴(yán)重問題[3]。

表1為不同方式下PLC內(nèi)部接點(diǎn)狀態(tài)。每個PLC初始上電狀態(tài)，全部跳閘輸出通道的內(nèi)部干接點(diǎn)為打開狀態(tài)；接到掛閘指令后，常開型（掛閘狀態(tài)帶電）跳閘通道內(nèi)部干接點(diǎn)閉合，常閉型（跳閘狀態(tài)帶電）跳閘通道內(nèi)部干接點(diǎn)仍為打開，此時(shí)4個AST電磁閥均帶電，汽輪機(jī)組可以沖轉(zhuǎn)。當(dāng)發(fā)生保護(hù)跳閘信號時(shí)，跳閘邏輯成立后，常開型（掛閘狀態(tài)帶電）跳閘通道內(nèi)部干接點(diǎn)打開，常閉型（跳閘狀態(tài)帶電）跳閘通道內(nèi)部干接點(diǎn)閉合，此時(shí)4個AST電磁閥失電，汽輪機(jī)組緊急停機(jī)[4]。

表1 跳閘繼電器接點(diǎn)狀態(tài)Table 1 Trip relay contact status

3.2 跳閘繼電器接點(diǎn)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)控制

如圖3所示，每8個繼電器控制一個跳閘通道（A通道，AST1、AST3；B通道，AST2、AST4）的兩個AST電磁閥；每個通道的8個輸出，分散布置在兩個PLC的DO卡上；每個DO卡帶兩個跳閘輸出繼電器，其中一個為常閉型（跳閘狀態(tài)帶電），一個為常開型（掛閘狀態(tài)帶電）。

圖3 AST跳閘電磁閥保護(hù)控制回路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the protection control loop of the AST trip solenoid valve

通過16個跳閘繼電器接點(diǎn)的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“失電跳機(jī)”，同時(shí)保證任意兩個以下繼電器故障情況下，AST電磁閥仍然能夠正常動作，從而保證汽輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

如果兩套PLC系統(tǒng)均失電，PLC輸出跳閘接點(diǎn)斷開，繼電器1A-11～2B-21失電，其常開接點(diǎn)使4個AST電磁閥失電，符合設(shè)計(jì)要求的“失電跳機(jī)”原則。

如果PLC重新上電，因?yàn)镻LC輸出內(nèi)部接點(diǎn)仍然在斷開狀態(tài)，繼電器1A-11～2B-21失電不會使4個AST電磁閥帶電，除非PLC接到掛閘指令，繼電器1A-11～2B-21帶電，4個AST電磁閥帶電，達(dá)到了任何情況下，沒有人為操作，汽機(jī)不會掛閘的目的。

即使掛閘帶電繼電器1A-11～2B-21均故障，常開接點(diǎn)不能斷開，只要跳閘帶電繼電器1A-12～2B-22能夠正常動作帶電，其常閉接點(diǎn)斷開使4個AST電磁閥失電，保證了ETS保護(hù)系統(tǒng)準(zhǔn)確動作。

16個繼電器1A-11～2B-22中任意兩個繼電器故障，例如，當(dāng)1A-11和1A-21故障，最多使其中AST1電磁閥不能正常工作，其余3個AST電磁閥正常工作，仍然能夠保證兩個通道分別有一個AST電磁閥失電跳機(jī)，對整個ETS保護(hù)系統(tǒng)跳閘回路控制沒有影響。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)：

1A-111A-212A-112A-211B-111B-212B-112B-21繼電器為帶電狀態(tài)，失電跳機(jī)。

1A-121A-222A-122A-221B-121B-222B-122B-22繼電器為失電狀態(tài)，帶電跳機(jī)。

初始上電，均不帶電。

4 AST跳閘電磁閥控制回路的實(shí)施效果

4.1 ETS系統(tǒng)可靠性分析

對冗余PLC控制的ETS系統(tǒng)，改進(jìn)后的ETS保護(hù)系統(tǒng)出口跳閘控制回路，在提高ETS保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)動作的正確性、可靠性，跳閘繼電器使用壽命等方面，效果顯著[5]。

單個PLC失電，ETS系統(tǒng)正常運(yùn)行；另一PLC發(fā)出跳閘信號，機(jī)組能夠正常跳閘。

單個PLC未失電，但未檢測到跳閘信號，另一PLC檢測到跳閘信號，機(jī)組能夠正常跳閘。

PLC的單個跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），只會導(dǎo)致跳閘繼電器并聯(lián)回路的單側(cè)故障，AST電磁閥不會失電，ETS保護(hù)系統(tǒng)不會誤動；PLC檢測到跳閘信號后，跳閘繼電器串聯(lián)回路的正常繼電器接點(diǎn)斷開，AST電磁閥失電機(jī)組跳閘，ETS保護(hù)系統(tǒng)不會拒動。

兩個以下跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），至多導(dǎo)致ETS保護(hù)系統(tǒng)單側(cè)AST電磁閥失電，ETS保護(hù)系統(tǒng)不會誤動。

通過改進(jìn)PLC內(nèi)部邏輯控制，實(shí)現(xiàn)汽機(jī)一旦跳閘，保護(hù)信號不消失且不再次按掛閘按鈕，汽機(jī)無法掛閘的目的。即在任何情況下，不人為操作，汽機(jī)不會掛閘。

4.2 跳閘繼電器報(bào)警在線監(jiān)測

掛閘、跳閘或初始上電狀態(tài)，當(dāng)PLC系統(tǒng)檢測到冗余跳閘信號中的任意一個動作，但不滿足機(jī)組跳閘條件，PLC均發(fā)出AST繼電器異常報(bào)警。

每個跳閘輸出繼電器至少包含3對觸點(diǎn)，其中兩個用于跳閘電磁閥控制；另外一個送至PLC進(jìn)行跳閘繼電器的動作監(jiān)測。

在掛閘狀態(tài)，任意一個AST繼電器動作（至跳閘狀態(tài)）；或跳閘狀態(tài)，任意一個AST繼電器未動作（仍為掛閘狀態(tài)），PLC均發(fā)出AST繼電器異常報(bào)警[6]。

5 ETS系統(tǒng)AST電磁閥跳閘保護(hù)回路設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用

5.1 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)和效果歸納

創(chuàng)新點(diǎn)：通過研發(fā)ETS系統(tǒng)跳閘保護(hù)控制電路，在PLC邏輯里使用掛閘復(fù)位信號和跳機(jī)信號作為鎖存繼電器的輸入信號，實(shí)現(xiàn)了掛閘保持、失電跳機(jī)；通過16個跳閘繼電器接點(diǎn)的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，在任意兩個以下繼電器故障情況下，AST跳閘電磁閥仍然能夠正常動作，有效避免了ETS保護(hù)系統(tǒng)的“誤動”和“拒動”，提高了ETS系統(tǒng)保護(hù)動作的準(zhǔn)確性、可靠性[7]。

效果歸納：①防止ETS系統(tǒng)保護(hù)“拒動”：掛閘帶電繼電器1A-11～2B-21均故障，常開接點(diǎn)不能斷開，只要跳閘帶電繼電器1A-12～2B-22能夠正常動作帶電，其常閉接點(diǎn)斷開使4個AST電磁閥失電，保證了ETS保護(hù)系統(tǒng)準(zhǔn)確動作；②防止ETS系統(tǒng)保護(hù)“誤動”：兩個以下跳閘輸出通道故障或輸出繼電器故障（動作或不能動作），至多導(dǎo)致ETS保護(hù)系統(tǒng)單側(cè)AST電磁閥失電，ETS保護(hù)系統(tǒng)不會誤動。

5.2 設(shè)計(jì)的推廣和應(yīng)用前景

此次自主研發(fā)設(shè)計(jì)的ETS系統(tǒng)跳閘保護(hù)控制電路為16個繼電器，控制兩個AST跳閘通道的4個AST電磁閥，每4個跳閘繼電器組成獨(dú)立的串并聯(lián)回路控制一個AST電磁閥，使ETS保護(hù)系統(tǒng)動作更為準(zhǔn)確可靠，適用于所有冗余PLC控制的ETS保護(hù)系統(tǒng)。

其中，跳閘控制電路的繼電器數(shù)量不必拘泥于16個，亦可簡化為8個繼電器，控制兩個AST跳閘通道的4個AST電磁閥，與上述提供的方案所不同的是，每兩個AST電磁閥由4個繼電器控制。此時(shí)，如果單個繼電器發(fā)生故障，或者單側(cè)AST電磁閥失電，不會引起ETS保護(hù)系統(tǒng)的誤動或拒動。

2018年10月至2021年6月，自主研發(fā)設(shè)計(jì)的ETS系統(tǒng)跳閘保護(hù)控制電路以年度技改項(xiàng)目的形式，已在公司兩臺215MW、兩臺320MW汽輪發(fā)電機(jī)組ETS保護(hù)系統(tǒng)中完成了實(shí)施和應(yīng)用。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，應(yīng)用技術(shù)效果良好，未發(fā)生ETS保護(hù)系統(tǒng)“誤動”和“拒動”的情況，大大提高了ETS系統(tǒng)保護(hù)動作的準(zhǔn)確性、可靠性，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)束語

本次自主研發(fā)設(shè)計(jì)的ETS系統(tǒng)AST電磁閥跳閘保護(hù)控制電路，已獲得國家發(fā)明專利，可以廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)領(lǐng)域汽輪發(fā)電機(jī)組的ETS跳閘保護(hù)控制回路。

首先，該發(fā)明專利成功解決了ETS系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直存在的兩個重要隱患：其一為當(dāng)汽輪機(jī)保護(hù)動作跳閘后，一旦跳閘保護(hù)信號消失，而自保持回路無法完成自保持，汽機(jī)會自動掛閘，導(dǎo)致汽輪機(jī)誤沖動，引發(fā)重大安全問題。其二為由于跳閘保護(hù)控制電路設(shè)計(jì)功能有限，無法對跳閘回路繼電器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，可靠性低和靈活性差，ETS系統(tǒng)會出現(xiàn)“拒動”或者“誤動”。

經(jīng)初步測算，ETS系統(tǒng)“誤動”一次造成機(jī)組跳閘，機(jī)組重新熱啟動一次燃油消耗：該公司一期兩臺機(jī)組熱啟動一次共需消耗燃油約36t，二期兩臺機(jī)組熱啟動一次共需消耗燃油約28t，按每噸7000元單價(jià)計(jì)算，機(jī)組啟動僅燃油消耗為44.8萬元；而機(jī)組非停一天損失發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)效益按照標(biāo)桿電價(jià)估算每臺機(jī)組就高達(dá)約計(jì)115萬元，給公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

而由于ETS系統(tǒng)保護(hù)“拒動”造成汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失及相關(guān)設(shè)備維修費(fèi)用更是不可估量。

自發(fā)明專利實(shí)施應(yīng)用后，公司4臺發(fā)電機(jī)組均未發(fā)生ETS保護(hù)系統(tǒng)“誤動”和“拒動”的情況，大大提高了ETS系統(tǒng)保護(hù)動作的準(zhǔn)確性、可靠性，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益可觀，適宜向行業(yè)內(nèi)的火力發(fā)電廠推廣實(shí)施。