汽轮机紧急跳闸保护系统纳入DCS系统的可靠性分析及优化方案

分类：技术教程日期：2009-06-17 10:08:58 来源：厂商

1．传统的ETS组成及其特点

ETS是汽轮机紧急跳闸保护系统的简称。其功能是：当汽轮机监视的重要参数越限时,关闭汽轮机的主汽阀和调节汽阀,使汽轮机处于安全状态。传统的ETS系统由供电装置、开关量变送器、继电器、测速传感器及转换电路、跳闸电磁阀、试验电磁阀等组成。供电装置向整个系统提供可靠的交、直流电源；开关量变送器用于测量汽轮机的重要参数；跳闸电磁阀用于卸掉安全油和调节油的油压，从而关闭汽轮机的主汽阀和调节汽阀；继电器用来实现输入信号的扩展、隔离、逻辑运算等功能，并驱动跳闸电磁阀和试验电磁阀，同时将引起跳闸动作的输入信号送至SOE记录装置。图1是ETS系统实现汽轮机保护功能示意图。

图1 ETS系统组成示意图

由图1可知，当汽轮机某项重要参数越限时，经逻辑运算，驱动四只跳闸电磁阀动作。其中，#1跳闸电磁阀和#3跳闸电磁阀只要有一个动作，则#1跳闸通道动作；#2跳闸电磁阀和#4跳闸电磁阀只要有一个动作，则#2跳闸通道动作；当#1、#2跳闸通道均动作时，汽轮机跳闸。

采用继电器实现的ETS系统具有动作可靠、结构简单的优点，并具有完善的防保护误动和拒动的措施。但系统长时间运行后，继电器回路会逐渐出现电磁线圈老化、接点电阻增大等问题，影响保护功能的可靠性，而且系统本身没有历史趋势记录和事故跳闸顺序记录功能，不便于进行机组跳闸后的事故分析，并且随着DCS（分散控制系统）在发电厂的广泛应用，独立的ETS系统已不能适应信息集中、危险分散的监控模式。

2．采用DCS系统实现ETS功能的优点及存在的隐患

近年来，各新建电厂在设计机组热工控制系统时，几乎普遍采用了DCS系统一体化设计，即一套DCS系统包括了FSSS（锅炉安全监控系统）、CCS（协调控制系统）、SCS（顺序控制系统）、DAS（数据采集系统）、DEH（汽轮机数字电液调节系统）、MEH（小汽机电液调节系统）、ECS（电气量控制系统）以及ETS系统。但如何通过DCS系统可靠地实现汽轮机紧急跳闸保护功能，相关的行业规程并没有作出具体规定，因此，设计人员只能根据所采用的DCS系统特点和个人经验，将原继电器逻辑所实现的保护功能，由DCS系统的软件逻辑实现，因而不可避免地对ETS系统抗保护拒动和误动的能力带来一定的影响。ETS保护功能两种实现方式的优缺点对比如表一所示。

表一 ETS系统两种实现方式的比较

由表一的比较可知，采用DCS实现ETS功能，具有保护信号处理方式先进、逻辑运算可靠性高和通道动作试验方便、便于进行事故分析等优点，但存在计算机主机故障、卡件故障和通讯故障导致保护拒动或误动的隐患。因此，如何消除上述隐患，保证汽轮机保护功能的可靠，是采用DCS实现ETS功能需要解决的关键问题。

3．防止DCS系统故障导致汽轮机紧急跳闸保护功能拒动和误动的措施

针对DCS系统通讯中断、卡件故障、主机死机等异常情况下，可能导致汽轮机紧急跳闸保护功能的拒动和误动问题，必须采取多种措施进行克服，确保汽轮机的安全运行。

3．1 保护信号的传递采用特殊的全硬接线方式，防止通讯总线故障带来的影响。
由于ETS系统输入信号较多，DCS系统的开关量输入卡件难以一次将全部信号进行采集，一般DCS系统每块开关量输入卡件可最多输入16个信号，而ETS需处理的开关量多达40个，所以，需要多个输入卡件进行信号采集，而采集后的信号互相之间进行逻辑运算时，如采用卡件间网上通讯方式，则会受通讯总线可靠性的影响。针对此问题，可以采用特殊的全硬接线方式，即采用多个输入信号送至一块卡件进行运算后输出单个信号，再通过硬接线送往另一块卡件作为其中的一个输入信号进行逻辑运算处理，最后驱动跳闸回路的方式，实现各卡件间开关量信号的逻辑运算。图2所示为实现此方案的示意图。

图2 DCS系统输入卡件间硬接线方式传递信号示意图

由上图可知，多个输入信号在开关量输入/输出卡件中，由PLB（可编程逻辑运算模块）运算后输出运算结果，送至下一个开关量输入/输出卡件，与其他输入信号再通过PLB模块进行运算，从而避免采用总线通讯的连接方式。当系统通讯总线故障时，各输入信号仍可以在开关量输入/输出卡件中进行运算并最终驱动跳闸继电器，因此，不会发生保护拒动的现象。

3．2 控制计算机（上位计算机）采用双冗余方式运行，且将运算用的程序下装到各开关量输入/输出卡件运行，防止控制计算机故障对保护功能的影响。

如图3所示，在正常情况下，各开关量输入/输出卡件受上位计算机控制，而上位计算机采用双主机运行，一台主控，一台备用，主控计算机故障时，备用计算机自动切到控制方式，因此，提高了系统的可靠性。而当两台控制计算机均发生故障时，由于各开关量输入/输出卡件上运行的PLB（可编程逻辑运算模块）可不依赖上位计算机独立运行，此时虽然不能对逻辑进行修改，但现有的保护功能仍可正常实现，不会造成保护拒动。采用此方案的关键是，逻辑运算程序必须能在输入/输出卡件上独立运行。

图3 采用双控制计算机、能独立运行PLB的ETS系统示意图

3．3 采用双开关量输入/输出卡件并联接线、同时运行方式，防止一块卡件故障时导致的保护拒动。

DCS系统的开关量输入/输出卡件故障时，会造成该卡件处理的保护信号不刷新，导致保护功能的拒动。为此，采用如图4所示的方式，将各保护信号同时送入两个同样的卡件，在两卡件中运行相同的逻辑，两块卡件的输出驱动相同的跳闸电磁阀，以便提高保护功能的可靠性。

图4 DCS系统中双卡件、双PLB运行示意图

由图4可知，当卡件A1故障时，其中的程序不能运行，输入信号动作后，运算结果A1也不变，但卡件B1仍正常运行，则当输入信号变化时，#1跳闸电磁阀仍可执行正常的保护动作，系统不会导致保护的拒动。

3．4 采用两路互相独立的电源供电、跳闸电磁阀失电跳闸动作方式、两跳闸通道互相隔离和双卡并联运行的方式，当在线更换开关量输入/输出卡件时，可避免保护功能的拒动和误动。ETS系统采用失电跳闸的保护方式，可以保证系统两路电源均丧失时，汽轮机立即跳闸，避免因工作电源丧失后造成保护功能的拒动。同时，由图4可知，当开关量输入/输出卡件A1故障时，因采用失电跳闸的保护方式，拔出此卡件进行更换会造成其输出状态翻转，即#1跳闸电磁阀由带电变为失电，#1跳闸通道动作；但由图1可知，此时#2、#4跳闸电磁阀未失电，#2跳闸通道不动作，则汽轮机不会跳闸，保护功能不会误动。

3．5 为防止DCS机柜卡件母板及供电装置发生的故障导致保护功能的误动，各跳闸通道的输入、输出卡件要合理安排、分层布置。

如图5所示：将控制#1跳闸电源阀的所有卡件布置在卡件柜的第一层，控制#2、#3、#4跳闸电磁阀的所有卡件布置在卡件柜的第二、三、四层，同时，各层供电装置相互独立，任一层供电装置或机架发生故障，均不会造成汽轮机跳闸保护的拒动和误动。