大型空冷機組ETS優化與改造簡析

舒茂龍

(神華國能寧夏煤電有限公司,寧夏 銀川　750410)

大型空冷機組ETS優化與改造簡析

舒茂龍

(神華國能寧夏煤電有限公司,寧夏 銀川750410)

摘要：分析了某電廠汽輪機危急遮斷系統(ETS)采用可編程邏輯控制器(PLC)控制存在的安全隱患和風險，針對汽輪機安全保護系統的高可靠度和高安全度要求，提出了基于分散控制系統(DCS)一體化的SIL3安全控制系統改造方案，優化ETS硬件與軟件，實現了系統設備的最優控制與配置，提高了機組控制系統安全性、可靠性和經濟性。

關鍵詞：空冷機組；汽輪機危急遮斷系統(ETS)；可編程邏輯控制器(PLC)；安全儀表系統(SIS)；一體化改造；改造方案

0引言

汽輪機危急遮斷系統(ETS)用于汽輪發電機組緊急情況下的保護，它與汽輪機數字電液控制系統(DEH)、汽輪機儀表監視系統(TSI)一起構成汽輪發電機組的監控保護系統。ETS保證汽輪機安全運行，出現異常時及時觸發機組停運信號，避免發生重大設備事故。隨著機組自動控制水平的提高，對ETS提出了更高的可靠性與安全性要求，以滿足機組智能保護的需求。

隨著分散控制系統(DCS)和安全儀表系統(SIS)的發展，ETS設計已經從原始繼電器發展到可編程邏輯控制器(PLC)控制和DCS控制。目前，ETS在DCS中一體化設計已成為主流[1]，但在ETS保護優化與系統安全要求上，仍然存在著保護設計不合理、控制器硬件品質不良等問題，威脅汽輪機系統的安全、穩定運行。本文針對汽輪機安全保護系統高可靠度和高安全度的要求，提出了基于DCS一體化的SIL3安全系統控制器改造方案，優化ETS硬件與軟件，設計與完善了ETS，實現了ETS設備的最優控制與配置。

1ETS存在的隱患概述

某電廠2×660 MW汽輪機為東方汽輪機有限公司生產的NZK660-24.2/566/566型、超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機。ETS控制回路采用雙機PLC控制，遠程RI/O網絡結構，其中PLC為施耐德公司的莫迪康昆騰系列。通過多年的生產運行，綜合電力系統內外的類似問題，發現現有ETS存在以下風險和隱患。

(1)莫迪康昆騰系列PLC在系統內部電廠曾發生過重大故障，施耐德PLC以太網模塊固件存在安全漏洞，PLC運行安全等級無法滿足ETS的安全需要。

(2)ETS未設上位機，人工界面可視性差。查看ETS內部組態和診斷故障信息繁瑣、復雜，直接影響運行維護人員對機組設備故障判斷，發現ETS出現的故障比較困難，在保證機組安全方面存在隱患。

(3)ETS首出報警通過PLC與DCS進行通信，有時因通信問題存在無法正確報警的問題，給運行人員判斷機組故障原因帶來困難。

(4)對ETS的監控報警僅設計有繼電器回路電源失電報警，無法對ETS整個控制系統的軟硬件進行全面的監控診斷。

(5)ETS控制邏輯設計存在單一保護信號或單一信號傳輸路徑驅動系統保護動作，ETS的保護誤動率高，系統安全運行風險大。

隨著DCS設備和SIS設備的發展，為ETS高可靠性和安全性的系統安全設計和功能實現提供了基礎保障。

2ETS優化與技術改造

為保障ETS的高安全性和可靠性，針對現有的問題和隱患，取消ETS原有的PLC控制方式，采用與機組DCS，EDH一體化的控制系統(ABB貝利公司的800XA系統)。新的ETS融入機組DCS，實現控制系統的無縫連接，同時新ETS控制器和I/O模件設備滿足SIL3安全完整性等級[2]要求。

具體來說，ETS通過軟硬件升級，完成汽輪機機組各種數據采集、控制和保護功能，以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全、高效地運行。整個ETS是一套軟、硬件一體化的，可完成機組各項控制功能的完善控制系統，同時具備自身系統的在線監控診斷功能。優化改造主要分為2個部分：硬件改造,實現DCS硬件一體化和安全等級模件；軟件控制邏輯優化實現控制冗余功能，保障安全可靠性。

表1　綜合成效比較

2.1硬件一體化改造

ETS按照SIS設計原理[3]獨冗余配置的SIL3系統包括控制器、I/O模件和組態軟件均需滿足SIL3標準。SIL3系統應具有TUV認證。SIL3控制器直接接入DCS主網絡，與主機DCS一致，實現硬件、人機界面軟件管控一體化,即采用現有DCS相關設備的最新兼容產品(包括控制器、I/O、計算機和通信接口、網絡設備等),最終實現DEH，ETS與機組DCS的無縫連接[4]。ETS監控將在主機DCS操作員站上完成。

(1)電源配置。ETS作為DCS中單獨的一個節點，配置了獨立的冗余電源，2路電源可實現自動切換。在各個機柜和站內配置相應的冗余電源模塊和回路保護設備，并用這2路電源在機柜內饋電。任一路電源故障均會發出報警，在一路電源故障時另一路電源將自動進入運行狀態，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統的任一部分失電而影響控制系統正常工作。

(2)SIL3功能框架。如圖1所示，整個SIL3系統由監控模件、過程控制器和安全性I/O卡件構成，監控模件和過程控制器由拓展模件總線連接，過程控制器和安全性I/O卡件通過模件總線連接。2套SIL3控制器運行在熱備用方式，可用率達99.999 %。2個PM和2個SM共有4個CPU運行控制程序(如圖2所示)。可能的運行方式有8種，任一模件發生故障，正常的模件依然能夠正常運行程序，符合SIL3安全完整性等級要求(控制模式如圖3所示)。

圖1　SIL3控制器模塊功能

圖2　SIL3硬件配置

圖3　SIL3控制器的8種運行控制模式

ETS的I/O配置均是SIL3安全模件。通過對ETS控制器和I/O模件進行SIL3安全級別的配置以及DCS一體化的無縫連接，使得ETS的控制主腦部分具有了自檢測、容錯和巡檢功能，整個系統回路的可靠性大幅提高。

2.2邏輯軟件優化

通過對ETS隱含的邏輯風險進行認真梳理和排查，結合系統內外的安全案例[5-6]，深入研究ETS控制原理和控制系統算法機制，對原ETS邏輯和信號進行了可靠性優化，確保在異常工況下熱控保護朝著有利于機組運行的方向動作，杜絕系統誤動和拒動。

ETS單一保護信號或單一信號傳輸路徑驅動ETS保護動作存在保護拒動和誤動的風險，通過邏輯優化和增加信號等方式進行優化，具體見表1。

此外，在ETS優化改造過程中，通過對基礎工藝的完善管理(例如機柜安裝、接線工藝、色標管理、試驗復核等)，提升了ETS建設工藝水平，進一步夯實了ETS設備安全、可靠運行的基礎。

續表

3結論

ETS的DCS一體化優化改造后，提高了汽輪機保護系統的安全等級和保護系統的安全、可靠性，改造后1年內ETS運行安全、穩定、可靠。改造為DCS豐富了ETS功能，在功能上滿足SIL3要求，同時實現ETS各項在線監控診斷功能。ETS改造過程對機組冗余保護進行了優化，真正做到了獨立分散、冗余保護的安全性要求。通過對ETS的優化和技術改造，ETS誤動率為0，拒動率為0。系統監控完善，保護冗余獨立，安全性和可靠性提高，同時便利了熱工檢修維護，為公司其他DCS方面的改造升級和同類型機組優化積累了經驗。

參考文獻：

[1]劉殷俊，王林.基于DEH系統的ETS/METS控制系統技術升級設計及應用[J].價值工程,2014(28)：47-48.

[2]田松.SIL3安全儀表系統的設計和應用[J].自動化與儀表,2013,28(2):44-47.

[3]馮兆宇.安全儀表系統回路設計與研究[J].儀器儀表標準化與計量,2010(4):28-30.

[4]嚴海川，王文彬，黨立業，等.ALSTOM 330 MW汽輪發電機組DEH、ETS、BPC一體化技術研究與應用[C]//中國電機工程學會.中國電機工程學會第十二屆青年學術會議論文集，2012.

[5]周繼勝，辛健.汽輪機DEH控制系統中ETS系統的改造[C]//中國電工技術學會,中國自動化學會.第十四屆全國電氣自動化與電控系統學術年會論文集，2009.

[6]韓秋.汽輪機ETS保護系統改進[J].齊齊哈爾大學學報(自然科學版),2010,26(4): 68.

(本文責編：白銀雷)

收稿日期：2015-11-27；修回日期：2016-04-16

中圖分類號：TK 223.21

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)04-0027-03

作者簡介：

舒茂龍(1982—)，男，安徽黟縣人，工程師，從事火力發電廠熱工控制技術方面的工作(E-mail:pskysml@163.com )。