汽机主保护系统跳闸保护回路的研发与应用
时间：2023-01-25 14:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
齐艳彬
（秦皇岛发电有限责任公司，河北 秦皇岛 066003）
《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中9.4.8条明确指出：“汽轮机紧急跳闸系统跳机继电器应设计为失电动作……，配置有双通道四跳闸线圈汽轮机紧急跳闸系统的机组，应定期进行汽轮机紧急跳闸系统在线试验”[1]。本公司1#机组的ETS保护系统出口跳闸回路设计为：出口继电器跳闸板完成挂闸及失电工作和带电动作的接点转换，未通过冗余的PLC逻辑输出AST跳闸电磁阀的控制接点。此种跳闸回路设计存在重大隐患，可靠性低，会出现“拒动”或者“误动”，不利于系统的维护工作。为满足保护系统二十五项反措相关要求，实现ETS保护系统挂闸保持、失电跳机，以及提高ETS系统的功能性，实现ETS系统的跳闸首出和信号测点监视以及AST跳闸电磁阀在线试验功能，需要重新研发设计优化#1机组汽机ETS系统出口跳闸继电器控制回路。
#1机组ETS系统为2005年改造，采用日本OMRON C200H系列PLC的双PLC并行控制的装置。AST跳闸回路及其AST电磁阀电源为GE能源上海新华设计生产，AST跳闸电磁阀采用110V交流供电。跳闸继电器电源、跳闸板及AST电磁阀试验功能均在DEH系统中。出口跳闸回路设计原理为：采用接点闭合方式输出跳闸状态，送至DEH系统机柜的跳闸继电器板；
跳闸继电器板采用内部的继电器完成跳闸信号的常开、常闭转换及自保持，如图1。此种跳闸回路设计存在重大隐患，当汽轮机保护动作跳闸后，一旦跳闸保护信号消失，而自保持回路无法完成自保持，汽机会自动挂闸，导致汽轮机误冲动，引发重大安全问题。另外，ETS保护系统作为汽轮机保护最重要的一环，目前的跳闸回路设计功能有限，无法对跳闸回路继电器进行实时在线监测，可靠性低和灵活性差，会出现“拒动”或者“误动”。ETS系统目前未完全独立，跳闸继电器电源、跳闸板及AST电磁阀试验功能均在DEH系统中，违反保护系统独立原则要求。
图1 原设计出口跳闸继电器回路Fig.1 Originally designed outlet trip relay circuit
为防止因设备失电导致汽轮机失去控制，ETS出口跳闸继电器应设计为失电跳机逻辑。考虑ETS保护系统“误动”和“拒动”的情况，以及提高ETS系统的功能性，重新设计改进ETS系统出口跳闸继电器控制回路[2]。取消跳闸继电器板的接点转换和自保持回路，通过PLC逻辑控制跳闸继电器，在PLC逻辑里使用挂闸复位信号和跳机信号作为锁存继电器的输入信号，从而达到挂闸保持和跳闸信号消失后，没有接到人为挂闸指令时，跳闸电磁阀在失电状态，不会造成汽轮机误挂闸、误冲转的严重问题。通过16个跳闸继电器接点的串并联结构，实现真正意义上的“失电跳机”，同时保证任意两个以下继电器故障情况下，AST电磁阀仍然能够正常动作，从而保证汽轮机组的安全稳定运行。同时，对每个跳闸继电器进行在线监测，保证在正常运行工况下对跳闸继电器异常状态在线监测，有效避免ETS保护系统“误动”和“拒动”的情况，大大提高ETS系统保护动作的准确性、可靠性，保证机组的安全稳定运行。
3.1 双PLC冗余控制
如图2所示，采取冗余PLC控制，每个PLC的跳闸保护输出通道均采用冗余设计。每个PLC跳闸输出通道为16个，对应并联至16个跳闸继电器1A-11～2B-22。
图2 PLC输出至跳闸保护控制电路结构示意图Fig.2 Schematic diagram of PLC output to trip protection control circuit
通过冗余PLC逻辑控制跳闸继电器，在PLC逻辑里使用挂闸复位信号和跳机信号作为锁存继电器的输入信号，从而达到挂闸保持和跳闸信号消失后，没有接到人为挂闸指令时，跳闸电磁阀在失电状态不会造成汽轮机误挂闸、误冲转的严重问题[3]。
表1为不同方式下PLC内部接点状态。每个PLC初始上电状态，全部跳闸输出通道的内部干接点为打开状态；
接到挂闸指令后，常开型（挂闸状态带电）跳闸通道内部干接点闭合，常闭型（跳闸状态带电）跳闸通道内部干接点仍为打开，此时4个AST电磁阀均带电，汽轮机组可以冲转。当发生保护跳闸信号时，跳闸逻辑成立后，常开型（挂闸状态带电）跳闸通道内部干接点打开，常闭型（跳闸状态带电）跳闸通道内部干接点闭合，此时4个AST电磁阀失电，汽轮机组紧急停机[4]。
表1 跳闸继电器接点状态Table 1 Trip relay contact status
3.2 跳闸继电器接点串并联结构控制
如图3所示，每8个继电器控制一个跳闸通道（A通道，AST1、AST3；
B通道，AST2、AST4）的两个AST电磁阀；
每个通道的8个输出，分散布置在两个PLC的DO卡上；
每个DO卡带两个跳闸输出继电器，其中一个为常闭型（跳闸状态带电），一个为常开型（挂闸状态带电）。
图3 AST跳闸电磁阀保护控制回路结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the protection control loop of the AST trip solenoid valve
通过16个跳闸继电器接点的串并联结构，实现真正意义上的“失电跳机”，同时保证任意两个以下继电器故障情况下，AST电磁阀仍然能够正常动作，从而保证汽轮机组的安全稳定运行。
如果两套PLC系统均失电，PLC输出跳闸接点断开，继电器1A-11～2B-21失电，其常开接点使4个AST电磁阀失电，符合设计要求的“失电跳机”原则。
如果PLC重新上电，因为PLC输出内部接点仍然在断开状态，继电器1A-11～2B-21失电不会使4个AST电磁阀带电，除非PLC接到挂闸指令，继电器1A-11～2B-21带电，4个AST电磁阀带电，达到了任何情况下，没有人为操作，汽机不会挂闸的目的。
即使挂闸带电继电器1A-11～2B-21均故障，常开接点不能断开，只要跳闸带电继电器1A-12～2B-22能够正常动作带电，其常闭接点断开使4个AST电磁阀失电，保证了ETS保护系统准确动作。
16个继电器1A-11～2B-22中任意两个继电器故障，例如，当1A-11和1A-21故障，最多使其中AST1电磁阀不能正常工作，其余3个AST电磁阀正常工作，仍然能够保证两个通道分别有一个AST电磁阀失电跳机，对整个ETS保护系统跳闸回路控制没有影响。
机组正常运行时：
1A-111A-212A-112A-211B-111B-212B-112B-21继电器为带电状态，失电跳机。
1A-121A-222A-122A-221B-121B-222B-122B-22继电器为失电状态，带电跳机。
初始上电，均不带电。
4.1 ETS系统可靠性分析
对冗余PLC控制的ETS系统，改进后的ETS保护系统出口跳闸控制回路，在提高ETS保护系统保护动作的正确性、可靠性，跳闸继电器使用寿命等方面，效果显著[5]。
单个PLC失电，ETS系统正常运行；
另一PLC发出跳闸信号，机组能够正常跳闸。
单个PLC未失电，但未检测到跳闸信号，另一PLC检测到跳闸信号，机组能够正常跳闸。
PLC的单个跳闸输出通道故障或输出继电器故障（动作或不能动作），只会导致跳闸继电器并联回路的单侧故障，AST电磁阀不会失电，ETS保护系统不会误动；
PLC检测到跳闸信号后，跳闸继电器串联回路的正常继电器接点断开，AST电磁阀失电机组跳闸，ETS保护系统不会拒动。
两个以下跳闸输出通道故障或输出继电器故障（动作或不能动作），至多导致ETS保护系统单侧AST电磁阀失电，ETS保护系统不会误动。
通过改进PLC内部逻辑控制，实现汽机一旦跳闸，保护信号不消失且不再次按挂闸按钮，汽机无法挂闸的目的。即在任何情况下，不人为操作，汽机不会挂闸。
4.2 跳闸继电器报警在线监测
挂闸、跳闸或初始上电状态，当PLC系统检测到冗余跳闸信号中的任意一个动作，但不满足机组跳闸条件，PLC均发出AST继电器异常报警。
每个跳闸输出继电器至少包含3对触点，其中两个用于跳闸电磁阀控制；
另外一个送至PLC进行跳闸继电器的动作监测。
在挂闸状态，任意一个AST继电器动作（至跳闸状态）；
或跳闸状态，任意一个AST继电器未动作（仍为挂闸状态），PLC均发出AST继电器异常报警[6]。
5.1 设计的创新点和效果归纳
创新点：通过研发ETS系统跳闸保护控制电路，在PLC逻辑里使用挂闸复位信号和跳机信号作为锁存继电器的输入信号，实现了挂闸保持、失电跳机；
通过16个跳闸继电器接点的串并联结构，在任意两个以下继电器故障情况下，AST跳闸电磁阀仍然能够正常动作，有效避免了ETS保护系统的“误动”和“拒动”，提高了ETS系统保护动作的准确性、可靠性[7]。
效果归纳：①防止ETS系统保护“拒动”：挂闸带电继电器1A-11～2B-21均故障，常开接点不能断开，只要跳闸带电继电器1A-12～2B-22能够正常动作带电，其常闭接点断开使4个AST电磁阀失电，保证了ETS保护系统准确动作；
②防止ETS系统保护“误动”：两个以下跳闸输出通道故障或输出继电器故障（动作或不能动作），至多导致ETS保护系统单侧AST电磁阀失电，ETS保护系统不会误动。
5.2 设计的推广和应用前景
此次自主研发设计的ETS系统跳闸保护控制电路为16个继电器，控制两个AST跳闸通道的4个AST电磁阀，每4个跳闸继电器组成独立的串并联回路控制一个AST电磁阀，使ETS保护系统动作更为准确可靠，适用于所有冗余PLC控制的ETS保护系统。
其中，跳闸控制电路的继电器数量不必拘泥于16个，亦可简化为8个继电器，控制两个AST跳闸通道的4个AST电磁阀，与上述提供的方案所不同的是，每两个AST电磁阀由4个继电器控制。此时，如果单个继电器发生故障，或者单侧AST电磁阀失电，不会引起ETS保护系统的误动或拒动。
2018年10月至2021年6月，自主研发设计的ETS系统跳闸保护控制电路以年度技改项目的形式，已在公司两台215MW、两台320MW汽轮发电机组ETS保护系统中完成了实施和应用。经过实际运行检验，应用技术效果良好，未发生ETS保护系统“误动”和“拒动”的情况，大大提高了ETS系统保护动作的准确性、可靠性，保证了机组的安全稳定运行。
本次自主研发设计的ETS系统AST电磁阀跳闸保护控制电路，已获得国家发明专利，可以广泛应用于电力生产领域汽轮发电机组的ETS跳闸保护控制回路。
首先，该发明专利成功解决了ETS系统自投产以来一直存在的两个重要隐患：其一为当汽轮机保护动作跳闸后，一旦跳闸保护信号消失，而自保持回路无法完成自保持，汽机会自动挂闸，导致汽轮机误冲动，引发重大安全问题。其二为由于跳闸保护控制电路设计功能有限，无法对跳闸回路继电器进行实时在线监测，可靠性低和灵活性差，ETS系统会出现“拒动”或者“误动”。
经初步测算，ETS系统“误动”一次造成机组跳闸，机组重新热启动一次燃油消耗：该公司一期两台机组热启动一次共需消耗燃油约36t，二期两台机组热启动一次共需消耗燃油约28t，按每吨7000元单价计算，机组启动仅燃油消耗为44.8万元；
而机组非停一天损失发电量的经济效益按照标杆电价估算每台机组就高达约计115万元，给公司造成巨大的经济损失。
而由于ETS系统保护“拒动”造成汽轮发电机组设备损坏，直接经济损失及相关设备维修费用更是不可估量。
自发明专利实施应用后，公司4台发电机组均未发生ETS保护系统“误动”和“拒动”的情况，大大提高了ETS系统保护动作的准确性、可靠性，保证了机组的安全稳定运行，创造的经济效益可观，适宜向行业内的火力发电厂推广实施。
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