ＤＥＨ中ＥＴＳ跳閘邏輯控制方案的實現

【摘 要】 隨著火力發電廠容量不斷擴大，運行參數不斷提高，控制設備的不斷升級換代，如何保護單元制機組的安全、經濟運行，減少事故，提高設備的可靠性和運行的經濟性，是一個非常重要的問題。大量的事實證明，采用先進的熱工自動化技術是提高機組安全、經濟運行最有效的措施之一。DEH系統是目前汽輪機控制系統發展方向。它可以實現發電機組的起動、停機、功率頻率調節等功能，實現對汽輪機的自動保護，實現遠方自動調度等功能。隨著控制設備的升級，對機組的保護系統又提出了新的要求。如何與控制設備相適應、相結合，如何更可靠、更迅速和更安全地完成保護系統的任務。基于這一理念，必須有與DEH緊密結合的ETS保護系統。

【關鍵詞】 ETS DEH誤操作 邏輯圖 相與 相或

1 引言

淮北發電廠200MW發電機組汽輪機的原調節系統為全液壓調節系統，存在低負荷適用性差、控制精度低、響應不夠快、日常維護復雜、自動化水平低等一系列的不足，采用先進的純電調控制系統(DEH)，對200MW機組汽輪機調節系統改造，不僅可以大大提高機組的自動化水平，而且能夠大大提高機組的控制精度和機組安全、經濟水平，適應電網對機組調峰和自動發電控制的要求。DEH系統除了對汽輪機進行工頻調節外，還要在調節系統失靈或發生其它事故時，能及時，迅速的停機，以避免設備損壞或事故擴大。而DEH自身僅僅只設計了一個超速保護項目，顯然不能滿足由于各種危機原因造成的機組停機，同時，汽輪機容量越大，事故的危害也越更大，再者，由于控制設備的升級，汽輪機保護項目越來越多，對保護的要求也越來越高。因此必須裝設安全可靠迅速的保護裝置－ETS保護系統。通過分析、找出原保護控制方式的不足以及與控制對象的不統一；而提出一種新的ETS控制模式(方式)，使新的控制模式能適應DEH控制系統的要求，更能滿足保護的可靠性、快速性和安全性的要求。這就是ETS控制方案設計的主導思想。

2 設備概況

淮北發電廠200MW發電機組，為超高壓、中間再熱、單軸、三缸三排汽凝汽式汽輪機。型號：N200－130／535／535型。

汽輪機額定工況參數：主蒸汽壓力為12.75MPa、主蒸汽溫度為535℃、再熱蒸汽溫度為535℃、額定轉速3000r／min。

3 DEH控制系統

3．1 概述

DEH-汽輪機數字電液控制系統，其英文為DigitalElectro—Hydraulic Control System，簡稱DEH。它由計算機控制部分(DC)和液壓機構部分組成，是汽輪機的專用控制系統。淮北發電廠200MW發電機組DEH采用上海新華公司生產的DEH－ⅢA汽輪機數字電液控制系統。它改變了原來的200MW機組低壓油純液壓控制方式，采用獨立的高壓抗燃油驅動的純電調系統。保護系統只保留機械超速部分，將高壓調門、中壓調門的油動機分別用一個獨立的高壓油動機驅動。高壓主汽門、中壓主汽門也分別用一個獨立的高壓油動機驅動。油動機的位置由DEH精確控制。4個高壓調門、4個中壓調門的位置，均由DEH根據轉速調節、功率調節以及運行方式的要求進行精確控制，從而大大提高了控制精度，實現了閥門管理。

DEH高壓油系統通過OPC電磁閥和OPC油路，實現超速保護功能，通過隔膜閥與低壓安全油接口，實現低壓油遮斷時快關。

3．2 OPC控制

當油開關跳閘，或轉速超過103％時，立即關高、中壓調門，以抑制轉速過度上升。當轉速達到110％時，DEH發出停機信號，立即關閉高、中壓主汽門和調門，達到超速保護功能。

TSI通過硬接線方式將數據顯示在DEH的CRT畫面上。

3．3 危急遮斷系統

危急遮斷系統由電磁閥組件和隔膜閥組成：

(a)電磁閥組件：四只AST電磁閥：在正常運行時，它們是被勵磁關閉，從而封閉了自動停機危急遮斷母管上的抗燃油泄油通道，使所有蒸汽閥執行機構活塞下的油壓建立起來。當電磁閥失電打開，則總管泄油，導致所有蒸汽閥關閉而使汽機停機。

二只OPC電磁閥：它們是受DEH控制器的OPC部分所控制，布置成并聯。正常運行時，該二只電磁閥是常閉的，封閉了OPC總管油液的泄放通道，使調節閥的執行機構活塞下腔能夠建立油壓。當轉速達103％額定轉速時，OPC動作信號輸出，該二個電磁閥就被勵磁(通電)打開，使OPC電磁閥母管油液泄放。這樣，相應執行機構上的卸荷閥就快速開啟，使調節閥迅速關閉。

二個單向閥：二個單向閥安裝在自動危急遮斷油路(AST)和超速保護控制油路(OPC)之間，當OPC電磁閥動作，單向閥維持AST的油壓，使主汽門保持全開。當轉速降到額定轉速時，OPC電磁閥關閉，調節閥重新打開，從而由調節閥來控制轉速，使機組維持在額定轉速。當AST電磁閥動作，AST油路油壓下跌，OPC油路通過二個單向閥，油壓也下跌，將關閉所有蒸汽進汽閥(主汽門、調門)而停機。

(b)隔膜閥：它連接著潤滑油(低壓安全油)系統與EH油(高壓安全油)系統，其作用是當潤滑油系統的壓力降到不允許的程度時，可通過EH油系統遮斷汽輪機。

機械超速遮斷機構后手動超速試驗杠桿的單獨動作，或同時動作，均能使透平油壓力降低或消失，因而使壓縮彈簧打開閥門把EH危機遮斷油排到回油管，將關閉所有的調節閥和主汽閥。

4 ETS系統

ETS即危急遮斷控制系統。在危及機組安全的重要參數超過規定值時，通過ETS系統使所有汽門迅速關閉，實現緊急停機。

4．1 原保護控制的組成方式

原保護控制的組成方式如圖1所示。

110ZJ為主汽門關閉繼電器，當主汽門關閉以后，為防止電磁鐵常時間帶電而燒壞電磁鐵，將確認信號串在關閉回路中，確認信號元件使用行程開關。當行程開關動作后，110ZJ主汽門關閉繼電器吸合，其常閉接點斷開切斷跳機電磁鐵電源。

當任一跳機信號出現跳機交流接觸器CZ動作的同時，跳機中間繼電器25ZJ動作，并啟動轉換繼電器J1，J1的常閉接點切斷AST閥的電源(AST動作原理為得電不動，失電動作)泄去EH高壓油；當DEH超速動作時，啟動轉換繼電器3ZJ的同時CZ動作，重復上述過程。達到EH高壓油和低壓油同時切斷的目的，當系統恢復正常時，只需按下保護復位按鈕，即可實現掛閘。

顯然上述保護設計存在如下不足：

(1) “互動”保護動作的可靠性完全取決于繼電器可靠性，轉換繼電器可靠性的高低即誤動作率和拒動作率即是“互動”保護動作回路可靠性的指標；

(2) “互動”即原來的ETS動作回路和DEH有一個硬轉換回路，動作時效上存在遲延，不利于保護動作迅速性；

(3)EH的OPC轉速控制回路當轉速達到110％時，DEH立即發出停機信號；而ETS其它跳閘條件滿足時動作的對象確需通過低壓油切斷高壓油來達到關閉主汽門；動作的對象不同，時效遲后，控制的方式顯然不是最佳；

(4)老系統是硬接線方式保護邏輯關系固定如要變動，會很麻煩；只能通過更換元器件和接線來實現；

(5)別的升級，老的保護系統顯然與DEH控制及DCS的控制保護要求存在不協調，如快速性和可靠性等方面就顯得力不從心；繼電器控制只能達到“秒級”、而電子器件可以達到“毫秒級”、甚至“納秒級”；顯然從保護的角度來說越快越好；同時電子器件的無故障小時數也高于繼電器幾個數量級；顯然也滿足保護越可靠越好的要求；這就提出了保護要升級；

(6)當有保護跳閘條件未復歸時，保護仍處于跳閘狀態，投入保護開關即跳機不能避免由于人員精神不集中而造成人為誤操作的惡性事件。

4．2 改造后ETS控制系統

DEH－ⅢA提供的超速110％保護，在切斷高壓油(EH油)的同時，還應切斷低壓油的汽機本體保護用的低壓油回路。同樣，在汽機其它本體保護動作時也應切斷高壓油回路。

為解決ETS汽機本體保護動作對象，既同時切斷高壓油回路以及低壓油回路。將ETS保護控制系統動作對象設置為高壓油回路和低壓油回路。將ETS系統做為一個特殊的功能系統制做在DEH中，在DEH中制做專門用于保護用的智能型回路保護卡(LPC卡)，其跳閘邏輯由軟件組態而成，因此，可以靈活地進行組態。DEH-ⅢA的DPU只能讀取保護卡中的信息，不能對保護卡發出控制命令。只有在發生危急機組安全的情況時，即達到跳閘條件時跳機保護動作，通過邏輯電路使AST失電迅速瀉去高壓EH油。迅速關閉主汽門和調門，達到保護目的。同時針對老保護系統的設計缺陷，既在事故處理后，恢復正常運行，當有保護跳閘條件沒有復歸時，投入保護開關即跳機的而造成人為誤操作的惡性事件，而在新的ETS邏輯控制回路中增設TD—OFF功能塊，可以達到有任一跳閘條件存在時，保護開關投入時都不會發出跳閘指令(信號)，只有使跳閘條件復歸以后，保護開關投入才有效。這樣可以避免事故處理后，當系統恢復正常時，人為造成誤操作，同時提醒運行人員進行正確操作。新的ETS邏輯控制回路在DEH中制作有良好的控制畫面，控制回路運行情況一目了然，方便檢修工作人員進行組態修改、和維護工作；同時提供給運行人員一控制界面，為運行提供良好的保障以及事故分析提供一日了然界面。新的ETS系統采用并聯雙路保護投入開關，一路軟投入設計在DEH中，打開DHE中的ETS畫面，在相應的保護投入回路中，點擊鼠標選擇ON／OFF既可投入或解除保護；另一路保護投入回路采用硬觸點開關的型式，只需將開關打到投入／解除的位置，即可實現保護投入或解除。其物理位置在熱工屏上。

當機組由事故狀態下恢復正常時，只需按下ETS保護復位按鈕，即可實現掛閘。進行下一次的開機工作。

4．3 ETS控制邏輯信號設計(跳機信號帶自保持)

(1)潤滑油壓低0．03MPa(同時有潤滑油壓低0．05MPa或0．039MPa)；

(2)真空低0．073MPa(兩個相與)；

(3)軸向位移(≥+1．0mm或≤－1．5mm，兩套相“與”)；

(4)超速110％；

(5)發電機差動；

(6)手動跳機；

(7)高壓缸差脹大二值； (與大一值)；

(8)中壓缸差脹大二值(與大一值)；

(9)低壓缸差脹大二值(與大一值)；

(10)相對振動高二值； (與大一值)。

4．4 新ETS保護系統邏輯關系

新的ETS保護系統邏輯關系如圖2所示。

4．5 控制邏輯

(1)分路保護開關投入，(硬切投開關，硬切投開關安裝在屏上，DEH系統CRT顯示狀態)。

(2)跳機信號存在；兩者同時滿足跳AST閥。

說明：如在分路保護開關投入前跳機信號已存在，此時保護開關投入無效，并在CRT上作出異常顯示。

(3)發電機斷水保護。

①斷水保護聯鎖開關投入(硬切投開關，CRT顯示狀態)；

②定子進水壓力≤0．05Mp，且定子進水流量≤10t／h；

兩者同時滿足，發電機斷水保護動作，送電氣跳油開關。

5 機械超速危急遮斷系統

在DEH系統中，機械超速遮斷系統是一個獨立的系統，與常規液壓調速系統中的超速保護基本相同，在機組超速時通過機械動作而實現停機。

機械超速危急遮斷系統的工作原理是：其傳感器為飛錘式傳感器，裝于轉子延伸軸的橫向孔中，其重心與轉子的幾何中心偏置，通過壓彈簧，將飛錘緊壓在橫向小孔中，利用彈簧的約束力與飛錘離心力平衡的原理來設計動作轉速。設飛錘質量為G，飛錘的重心與轉子的幾何中心距離為a，飛錘擊出距離為x，離心力為c，轉子角速度為w，重力加速度為g，則飛錘的離心力與轉子角速度的關系為： c=G／g×(a+x)×W² 從關系式可得，只要規定了動作轉速w，則離心力便可求出。然后，設計壓彈簧，其約束力p的方向與離心力的方向相反，當cp，則飛錘擊出，通過碰鉤使機械危急遮斷機構動作并實現停機。

機械超速危急遮斷系統的油系統為低壓油系統，與ETS系統的油系統(高壓抗燃油)互為獨立，其采用的是與潤滑油主油泵相連接的低壓安全油系統。其通過隔膜閥的作用來達到潤滑油(低壓安全油)系統控制EH油(高壓安全油)系統。機械超速危急遮斷系統動作，潤滑油系統的壓力降到不允許的程度時隔膜閥的上部油壓下降或消失時，依靠壓力彈簧的張力，打開隔膜閥，迅速卸去危急遮斷總管上的安全油，通過快速卸荷閥，快速關閉所有的進汽閥和抽汽閥，實現緊急停機。

6 ETS保護系統液壓執行機構的組成

6．1 超速保護和危急遮斷組合機構

超速保護和危急遮斷組和機構，統稱為功能塊，其布置在汽輪機前軸箱的右側，其主要組成是控制塊體一個、兩個OPC電磁閥、四個AST閥和兩個止回閥，它們均組裝在控制塊上，為OPC和AST總管以及其它管件提供接口，這種組合機構大大減化了外部連接管道而提高了整體的可靠性，同時也有結構緊湊的特點。

6．2 危急遮斷電磁閥(20／AST)

該閥受ETS系統控制。機組正常運行時，它們是關閉的，切斷了自動停機危急遮斷總管上高壓油的卸油通道，使所有主汽閥的調節汽閥油動機的下腔室能建立起油壓，行使正常的控制調節任務。當被測參數有遮斷請求時，該電磁閥打開，使遮斷總管迅速泄油，通過快速閥，關閉全部主汽門和調節門，實現緊急停機。

6．3 AST電磁閥的工作原理及其連接

AST龜磁閥采用串并聯混合連接方式，其連接特點有：

(1)串聯油路中，任何一路電磁閥{(20－1)／AST，(20－2)AST和(20－3)／AST，(20－4)／AST}動作，都可以停機；而任何一個電磁閥誤動作，不會引起錯誤停機。

(2)并聯油路中，任何一個奇數電磁閥{(20－1)／AST，(20－3)AST或任何一個偶數電磁(20－2)／AST，(20－4)／AST}動作，系統都可以順序或交叉動作并停機。

這樣，由于采取了雙路雙閥的順序和交叉連接不僅確保系統的動作可靠，而且當任何一個閥門不動作或在線試驗時，系統仍具有保護功能。該系統只有在一對奇數號或偶數號電磁閥都不起作用的雙重故障下，保護系統才會失靈，這種機會極小。

EH油跳閘執行機構簡化圖如圖3所示。

7 ETS保護系統改造的效果、體會

7．1 改造達到效果

通過ETS保護系統的改造，應達到保護系統運行正常，無異常情況發生，這對機組的安全運行起到了至關重要的作用，同時也應減輕了檢修工作人員的勞動強度。方便運行人員進行正確的操作和事故處理，通過一些功能設置，可以閉鎖一些誤操作，這對減少人為的誤操作和機組的安全運行提供了可靠的保證。將ETS系統用保護卡的型式制做在DEH中，成為DEH的相對獨立的一部分，也是ETS的一種發展方向。這種設計能大大地提高保護的可靠性、安全性和快速性的要求。使得保護控制方式也上升了幾個級別(按使用的邏輯器件分類)。

7．2 改造體會

(1)ETS保護系統改造對檢修工作人員提出了更高的要求，不僅要掌握保護系統知識，還要掌握計算機知識，以及一些相關知識，如網絡知識等等。這就要求檢修工作人員要不斷的加強自身的學習，才能駕馭不斷發展新技術。通過改造提高了對保護知識的認識，開闊了視野。

(2)轉速測量部分：事關轉速控制、調頻控制和超速保護，因而是DEH信號中最重要的部分之一。現大部份電廠普遍采用的磁阻式轉速探頭，抗干擾能力差，在低轉速時測量500r／min誤差比較大，50r／min以下不能測量盤車轉速。針對這些情況，采用菲利浦PR9376磁敏轉速探頭，由于該探頭為有源器件，對#2端子柜的供電回路進行改造。由#2端子柜的24V電源直接供給轉速探頭電源。測速間隙在1～2．1mm內變化時，輸出參數不變，完全符合在負載20K額定輸出大于10V的要求。后經開機試驗證明，轉速測量反映靈敏，針對這些情況，采用菲利浦PR9376磁敏轉速探頭。根據現場轉速試驗數據如下：

輸入電壓：25．6V；允許值(max)：31．2V；

輸入電流：19．65mA(R＝20kQ)；

轉速變化：100～3400r／min；

輸出電流：6．35～6．53mA(R＝1kQ)；

輸出電壓：23Vp／p值。

(3)ETS保護系統所有信號進入端子柜接線端子前，都必需進行可靠的接地處理以防止干擾信號進入ETS通道，造成保護誤動。其有一轉速測量干擾的處理：未開機前發現CRT畫面轉速指示異常為壞點，檢查探頭及接線均未發現錯誤，懷疑為干擾所至。通過加電容濾波仍未解決問題，最后將送給探頭的24V電壓的負極接地干擾信號消失，問題解決。信號的干擾是多種多樣的，針對不同的情況應采取相應的措施，才能解決問題。

(4)開關回路信號一次元件(壓力開關、電接點壓力表)可靠性較差的缺陷。這種元器件的觸點容易發生氧化和拉弧導致觸點接觸不良。建議使用變送器替代開關量信號，只要在控制信號輸入回路加一模擬量、開關量轉換模板即可，這樣可大大提高信號源的可靠性和精度等級。

(5)汽機高中低脹差為單點信號保護，為防止干擾信號誤動，建議設置一定的(10～20s)延時。

(6)控制邏輯從實質上說多數采用的是信號串聯(相與)的方法，因此更多的是強調減小保護系統的誤動作率，相對的減弱了對保護系統的拒動作率的要求。