浙江省火电厂汽轮机ETS系统运行维护分析

丁俊宏，孙长生，张 宝

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

1 汽轮机ETS的主要功能和构成

汽轮机危急跳闸系统（Emergency Trip Sys tem，简称ETS）是在汽轮机运行出现异常时，能采取必要措施进行处理，当异常情况继续发展到可能危及设备和人身安全时，能立即停止汽轮机运行的保护系统。其主要任务是监视对汽轮机组安全有重大影响的参数，当参数超过安全限定值时，系统能通过AST（汽轮机危急遮断装置）电磁阀失电泄压汽轮机危急遮断油，快速关闭汽轮机全部蒸汽进汽阀门以实现紧急停机。

ETS系统硬件主要包括测量和试验模块、控制（器）机柜和操作盘以及现场执行机构（电磁阀遮断模块和机械遮断装置）等。ETS系统保护条件主要有：润滑油压力低、真空低、EH油压力低、轴向位移大、振动大、差胀大、汽机超速、发电机故障、汽机轴承温度高、汽机排汽温度高、高排压比低、DEH故障以及手动停机等。不同类型机组的保护条件有所不同。

2 近年来本省火电厂与ETS系统有关的异常案例

（1）2006年4月 27日，某厂 3号机组由于ETS系统PLC卡件电源设计存在缺陷，导致双路24VDC电源同时跳闸，“超速”、“凝汽器真空低低”、“轴承油压低低”和“EH油压低低”4个输入常闭信号同时动作，汽机跳闸。

（2）2008年1月8日，某厂6号机进行ETS系统定期试验时机组跳闸。现场检查发现2号凝汽器真空低开关（PS5216）和3号凝汽器真空低开关（PS5217）安装位置交叉，导致在按下凝结器真空“通道1”试验按钮时，1号真空低开关、2号凝汽器真空低开关均动作。

（3）2008年1月11日，某厂2号机跳闸，跳闸首出原因为EH油压低。现场检查发现，2号机机头EH油通道试验模块处有大量EH油喷出，系EH油通道试验模块进油手动截止阀处的“O”型圈被冲破。

（4）2008年2月14日，某厂4号机组在正常带负荷运行时跳闸，MFT首出信号为“汽机跳闸”，原因为“危急遮断油压力低”。由于ETS设备老旧并且SOE（事件顺序记录）功能不正常，本次故障的原因最终无法查清。

（5）2008年12月8日，某厂6号机组在线通道试验中ETS系统故障跳闸。分析认为与热工人员盖PLC卡件面板时晃动了通信电缆有关。该PLC系统的CPU虽有冗余，但CPU至PLC I/O为单路通信。如果RIO DROP（I/O站通信卡件）同轴电缆连接头松动，会造成控制站和I/O站之间的通信瞬间不正常。

（6）2008年12月22日，某厂3号机组在正常带负荷运行时跳闸。DCS画面上MFT的首出原因为汽机跳闸。事后机务和热工专业进行了原因分析，但由于ETS系统由继电器搭接构成，难以查找具体原因。

（7）2009年5月27日，某厂2号机组运行中因2F5 DI板通道故障，造成“并网开关1”、“挂闸1”信号状态跳变。在更换“并网开关1”信号通道的过程中，OPC（超速保护控制）保护动作，调门关闭后无法开启，运行人员手动停机。事后分析发现该OPC保护板存在硬回路单点保护的隐患。

（8）2009年7月6日，某厂5号机组在进行每月定期ETS通道试验时，由于轴位移保护信号尚未恢复，而运行人员误碰了“退出试验”按钮，导致机组跳闸。

上述ETS系统故障或误动事件发生的原因主要有现场接线错误、系统老旧、系统本身存在缺陷以及操作不熟练等，说明ETS系统运行或检修维护仍存在薄弱环节。因此有必要就ETS系统硬件配置及投切装置、系统电源、控制器通信、定期试验、紧急停机装置和信号保护回路等方面进行分析，针对存在的故障隐患提出相应的改进措施。

3 故障类型及改进措施

3.1 硬件配置

3.1.1 硬件配置分类及投切方式

作为汽轮机的重要保护系统，其控制系统、低压保安系统和高压遮断模块基本采用汽轮机厂或配套厂家提供的设备。浙江省内火电机组ETS控制装置基本采用DCS（含硬件卡件）或PLC系统构成，主要有新华、上汽（PLC）、东芝、西屋和东汽日立等，个别机组仍然采用继电器构成逻辑回路的硬件配置。用继电器搭接的逻辑回路存在中间接线多、逻辑修改困难、长期使用后继电器老化明显等问题，不利于事故分析。

保护投切方法主要有铡刀/开关开合强制、软投切开关、短接线/拆线强制或者上述方法混合使用。软投切开关直观可靠，采用铡刀/开关开合强制的方式时，如果铡刀/开关触点接触不可靠，有可能出现保护“假投入”的现象。短接线/拆线强制方式在操作时需要明确保护输入信号是采用常闭还是常开接点形式，避免运行中进行强制时发生误操作。

3.1.2 改进措施

（1）有条件时对采用继电器搭接逻辑的ETS系统进行系统升级改造。

（2）采用铡刀/开关开合强制的硬回路投切方式时，应在画面上显示投切回路的位置，确保保护投切可靠。

（3）联锁试验单上应明确正常运行中的保护输入信号接点形式。

3.2 系统电源

3.2.1 电源配置方式

ETS控制柜电源配置方式主要有2种：上汽机组和北重机组采用2路220 VAC冗余电源、东汽/东芝机组采用1路220 VAC加1路110 VDC构成冗余电源。ETS系统控制器和卡件电源应保证冗余配置。上汽机组ETS系统虽然考虑了24 VDC电源双路备用，但出线侧并接方式使双路电源在卡件侧短路或过载故障时会连带发生异常，导致双路电源都无法正常工作。该设计缺陷曾导致2006年某厂3号机组双电源跳闸，最终机组跳闸。事后进行了电源系统完善改造，增加了2块电源装置，并将其出线分为2路，使常闭信号的2个通道做到分卡件且分电源布置，提高了设备的抗风险能力。

由于东汽/东芝机组的220 VAC单路电源转换为100 VAC供给与上位机的通讯模块，一旦失电，将无法监控DEH/ETS系统，存在一定的安全隐患。部分机组在机组投运后未进行冗余电源的切换试验，也有部分机组未做全部控制器断电的ETS保护动作试验。

AST电磁阀电源配置方式主要有2种：两组电源（一通道1号和3号电磁阀一组，二通道2号和4号电磁阀一组），或冗余电源经切换后供给每只电磁阀一路电源的方式。由于AST电磁阀基本采用带电运行、失电保护动作的方式，电源是否可靠将直接影响保护的可靠动作。湖北某电厂300 MW机组ETS保护系统的AST电磁阀因电源设计存在的分组接线错误和电源冗余切换时间超过50 ms的问题，曾导致机组2次跳闸。为了保证2组电磁阀的电源完全独立，应避免电缆绝缘破损或短路，控制柜到就地各电磁阀的电缆应采用耐高温屏蔽电缆并且不能共用。检修时，可通过AST电磁阀电源失电试验，验证各路电源回路接线和对应关系是否正确。

3.2.2 改进措施

根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，控制系统必须定期进行电源冗余切换试验。

（1）建议将控制柜电源冗余切换和全部控制器断电ETS动作检查作为机组A修的必要试验记录项目，确保ETS系统运行正常。机组检修后应进行AST电磁阀电源失电试验。

（2）上汽机组ETS系统电源原设计缺陷应尽快改造完善，以提高系统的可靠性。

（3）电磁阀控制电缆和汽机高温区域信号电缆应采用耐高温屏蔽电缆，控制电缆有共用时尽快加以整改。

（4）东汽/东芝机组与上位机通讯模块的电源应改造为冗余供电方式。

（5）部分机组存在ETS系统电源失电或电压故障报警不完善的问题，建议将ETS系统各路输入电源故障用机组大屏光字牌报警，确保机组运行检修安全。

3.3 控制器通信

3.3.1 控制器冗余配置

作为保护汽轮机安全的最后手段，ETS系统配置的可靠性要求很高。控制器CPU的配置要求有冗余，配置方式一般有并列运行、主副冗余和三重冗余。CPU与I/O卡件的配置方式为1块CPU对应1组卡件和2块CPU共用1组卡件2种。冗余CPU分别对应一组卡件做到了控制单元的真正独立，2块冗余的CPU与各自卡件的通信信号同时发生异常的概率相对较小，可靠性较高。而2块CPU共用一组卡件则需要通过转接器进行通信连接，转接器工作失常或断线时，2组CPU的信号可能发生变化导致异常。例如某厂6号机组运行中曾发生同轴电缆接头松动，造成控制站和I/O站之间的通信信号瞬间不正常，最终导致机组跳闸。在对全省发电厂进行的调查中，发现部分机组未明确记录ETS控制器冗余切换试验的情况。3.3.2 改进措施

（1）定期进行控制器及通信冗余功能切换试验，并对卡件接线及通信接头进行紧固。

（2）对冗余CPU共用1组卡件的配置方式，应考虑增加冗余通信回路，消除由于中间转接器造成的通信瓶颈。

3.4 定期试验

3.4.1 试验项目及方式

ETS定期试验可以验证润滑油压低、真空低、EH油压低以及轴向位移大等重要保护回路动作的可靠性。由于运行中进行在线通道试验存在一定风险，各电厂对此项试验都比较谨慎，并制定了相应的联锁操作卡。但个别电厂仍曾多次出现试验中机组跳闸的事件。如上述某厂5号机组ETS通道在线试验时因误按退出试验按钮导致的跳闸事件。因此，试验周期、试验闭锁和试验方式等还需进一步完善。

ETS通道在线试验（AST电磁阀试验）的试验周期目前各厂并不统一，运行规程的要求也有每季度1次、每6周1次、每月1次、每2周1次、每1周1次等多种，个别厂则在大小修时进行。试验操作途径有2种：与DEH一体化的ETS系统是在DEH操作员站进行，采用独立PLC的ETS系统则使用触摸屏试验面板。由于触摸屏试验面板面积偏小，平时较少使用，运行人员的操作不太熟练，从而容易造成如上述电厂ETS通道试验时误碰退出试验按钮而导致机组跳闸的情况。

在线试验有2种方式：只进行AST电磁阀动作试验，或对重要保护信号与AST电磁阀的保护回路进行试验。AST电磁阀动作试验确保了电磁阀动作正常，重要保护信号与AST电磁阀的保护回路试验则同时验证了保护信号的正确性和电磁阀的动作是否正常，因而可靠性更高，但试验周期还有待商讨。因为检修后开机前的联锁试验已经确认了保护回路逻辑的可靠性，机组运行时定期试验的目的主要是检查保护及测量信号和AST电磁阀动作的可靠性。

ETS在线试验前应确保没有跳闸信号。ETS试验进行中如果跳闸信号存在，应闭锁退出试验按钮功能，但目前部分机组还存在闭锁功能不全的问题。

通道试验时，ASP油压指示一般采用压力开关和压力变送器，部分电厂为了方便就地观察油压，增装了弹簧管式压力表。另外在隔膜阀上也设置了压力表以指示压力。但由于弹簧管式压力表或接头容易出现泄漏，因此也增加了因泄漏而导致机组跳闸的可能。

3.4.2 改进措施

（1）在系统采购或改造时，应考虑在DEH操作员站的ETS在线试验操作功能。对采用触摸屏的操作面板画面进行优化，防止误碰。

（2）为了减少人为因素或试验模块内部机械故障造成的通道试验异常，可以探讨采用AST电磁阀动作试验和重要保护信号试验分别验证的试验方式。

（3）联锁试验时如果跳闸信号存在，应确认退出试验按钮的功能是否可靠闭锁。

（4）运行中应注意检查系统压力表接头的泄漏情况，并选择使用可靠性较高的压力表。

3.5 紧急停机装置

3.5.1 紧急停机装置作用方式

在汽机保护系统动作失灵或需要人为停机时，运行人员可通过操作紧急停机装置保证汽轮机能够立即停机。紧急停机装置包括就地机械式紧急停机装置和集控室紧急停机按钮2种方式。

就地机械式紧急停机装置采用直接压、旋转加拉压或扳动的操作方式。大部分电厂对紧急停机装置及动作位置都会做好相应的标识，但也有个别电厂缺少操作手柄或按钮的保护罩壳，存在误碰的可能。

集控室紧急停机按钮有按1个按钮、同时按2个按钮以及旋转钥匙等几种操作方式，操作按钮上均有保护罩壳。如果紧急停机按钮旁边还有其它操作按钮时，紧急情况下采用同时按下2个按钮的操作方式可以减小因误碰按钮导致的误操作。要保证在汽机保护系统失灵的情况下实现停机，停机按钮信号必须直接接入AST跳闸电磁阀的硬接线回路。部分电厂采用按钮信号经过ETS系统再控制AST电磁阀的方式，不能保证ETS系统失灵时的紧急停机。

3.5.2 改进措施

（1）增加就地操作手柄或按钮的保护罩壳。

（2）应尽可能考虑采用2个按钮同时按下的停机操作方式，按钮信号也应直接接入AST电磁阀硬接线回路。

3.6 保护信号回路

3.6.1 保护信号取样方式

机炉电大联锁保护逻辑是通过硬接线与锅炉FSSS系统以及电气保护装置连接构成的重要保护。进入ETS系统的保护信号有MFT联跳汽机信号和电气保护动作联跳汽机信号。部分机组采用单个常开接点接入，存在一路信号接点故障或接线松动时保护就将拒动的可能。

润滑油压低保护、EH油压低保护和真空低保护通常采用4只压力/真空开关“两或后两与”的保护逻辑或3只压力/真空开关“三取二”的保护逻辑。目前部分机组还存在共用同一根取样母管的情况，当其中1只表计接头泄漏时容易造成所有的冗余信号误动。

3.6.2 OPC保护

OPC保护是在汽轮机转速达到某个设定转速时，关闭调门以防止超速并使汽轮机运行在额定转速的保护功能。GE新华公司的早期DEH系统中，其OPC保护硬接线回路存在安全隐患，即OPC超速保护采用1块主卡和3块测速卡组成。保护功能有软回路和硬回路2种，且并列运行。在软逻辑回路中并网信号为二取一，只要有一副并网信号接点正常即可。但在硬接线回路中取的是“并网开关1”信号，只要“并网开关1”接点断开，OPC的硬保护回路就会动作。随着系统运行时间的延长，卡件的故障概率在增加，从而使OPC保护误动或拒动的可能性也相应增加。

3.6.3 改进措施

（1）增加一路硬接线信号作为汽机联锁跳闸的输入接点，以防止拒动，提高保护的可靠性。

（2）在条件允许时增加压力取样管路，确保测量信号回路真正独立。取样管路联接应采用焊接方式。

（3）GE新华公司升级后的OPC系统采用三取二输入和保护三取二输出。待条件允许时应进行系统升级改造，并做好相应的故障处理预案。

4 结语

通过对浙江省火电厂汽轮机ETS系统的硬件配置、系统电源、紧急停机装置、控制器通信等现场设备情况的比较分析，指出了目前存在的问题，并提出了相应的改进措施，有助于提高ETS系统运行维护的可靠性。

[1]陈永科.ETS系统存在的问题及对策[J].湖南电力2006，26（4）：26-27，36.

[2]朱北恒，孙长生，龚皓.火电厂热工自动化系统试验[M].北京：中国电力出版社，2005.