S5-95F型汽轮机保护系统分析及常见故障处理

米立海

(华北电力大学，河北 保定 071000)

大型汽轮机组是火力发电厂最重要的设备之一，为确保汽轮发电机组安全可靠运行，在机组上装设各种安全监视系统和汽轮机危急跳闸系统。安全监视系统在机组启动或运行过程中，连续监视各种重要的热工参数，当出现异常或故障危及汽轮发电机组的安全时，汽轮机保护系统应立即动作，关闭主汽门和调速汽门，实行紧急停机，以保护机组的安全。同时，驱动报警系统发出声光报警信号，以提醒运行人员注意并采取相应措施，避免故障扩大化。华能邯峰电厂一期工程2台660 MW机组汽轮机保护系统由德国西门子公司设计，在其设计中充分考虑如何防止汽轮机保护拒动，并在不拒动的情况下，采取措施保证机组不误动。由于西门子公司技术保密，软件系统属黑盒子方式，在应用过程中，对工程现场处理缺陷、分析故障带来很多不便，因此对其特点及常见问题进行分析。

1 系统特点

汽轮机保护系统由电子保护系统(Electronic Protection System，简称 “EPS”)、汽轮机跳闸系统(Turbine Trip System，简称“TTS”)和电液执行器(Electrohydraulic Actuators，简称“EHA”)三部分组成。其中EPS由西门子分散控制系统TXP中的1个AP组成，按照设定的极限值监视汽轮发电机组的跳闸参数，如果发现这些参数接近极限，EPS首先发出预跳闸报警信号；如果参数继续超越直至达到跳闸值，EPS则发出汽轮机跳闸信号。TTS接收跳闸信号或手动跳闸指令，送给电液执行器跳闸电磁阀，电磁阀断电使跳闸阀打开，泄掉油动机的油压，阀门快速关闭切断汽源，实现汽轮机危急停车。

TTS按照高可用性原则设计，采用西门子公司S5-95F元件组成的故障-安全型自动控制装置AG-F，每个故障-安全型自动控制装置AG-F有2个基本控制单元(A1,B1/A2,B2)，由光缆将其相互连接起来形成2取2的冗余，2个基本控制单元同步工作，使用相同的用户程序。

TTS接收从保护系统送来的跳闸信号，通过控制跳闸电磁阀来实现对机组的保护功能。为防止保护系统拒动，汽轮机的每个截止阀、控制阀都设有2个专用的跳闸电磁阀。这些电磁阀按照断电流工作原理和2选1逻辑来工作，机组正常运行时，电磁阀带电，接通高压供油，截断泄油通道，阀门按照控制信号的大小开启或关闭。一旦有1个电磁阀失电，将截断高压供油，打开泄油通道，使跳闸阀失压打开，泄掉油动机里的液压油，油动机带动阀门快速关闭，切断汽源。

为防止误动，每个汽轮机专用跳闸电磁阀都设有2个独立的电磁绕组，任意1个绕组通电即可保证跳闸电磁阀处于吸合状态，也就是说只有当2个绕组都失电时才使跳闸电磁阀失磁跳闸。TTS采用冗余配置，2套TTS的跳闸输出指令分别控制1个电磁阀的2个绕组，只有当2套TTS都发出跳闸指令时，才会使跳闸电磁阀失磁跳闸，2套TTS均是按照2选2逻辑关系工作的。这样当1套TTS发生故障时，不会使保护动作造成误动，如果其中1套TTS由于故障原因失去保护功能时，另外1套TTS按1选1方式工作。

2 核心技术要点

2.1 EPS跳闸准则

EPS跳闸信号通过硬接线连到TTS，EPS的跳闸输出指令通过6个开关量通道送至TTS，每3个指令信号分为一组，共分成2组跳闸指令。6个通道分别连接到每个S5-95F中央处理单元A、B上，2组跳闸信号分别在TTS内经3选2逻辑运算后启动停机逻辑。为保证EPS和TTS的可靠连接，每间隔1 h，S5-95F都要发出指令对这6个通道进行自动检测，以判断系统连接是否正常。检测程序也可以通过子机架上的按钮手动启动。检测程序逐一对6个通道进行检查，确认1个通道正常之后，方才进行下1个通道检测，若检测过程中发现通道故障，则停止自动检测，并向操作员站发出报警信息。

EPS中的跳闸准则有：润滑油压力低(3选2)、凝汽器真空低(3选2)、汽机轴向位移超限(3选2)、凝汽器水位高(3选2)、排汽温度高(3选2)、汽机轴承温度高(3选2)、轴承振动大(2选2)、发电机套管箱液位高(3选2)、发电机冷氢温度高(3选2)、润滑油箱油位超限(3选2)、发电机冷却水温度高(3选2)、发电机定子冷却水流量低(3选2)、发电机三相套管冷却水流量低(3选2)、火灾保护按钮动作(6选1)、手动排氢按钮动作(2选1)等。

2.2 主燃料跳闸

主燃料跳闸是机组大连锁保护之一，为保证可靠动作，主燃料跳闸信号通过2条硬接线连到TTS上，其中任何一个信号触发都将导致汽轮机跳闸。

2.3 发电机跳闸

发电机跳闸是机组大连锁保护之一，为保证可靠动作，发变组保护系统跳闸信号通过2条硬接线连到TTS上，其中任何一个信号触发都将导致汽轮机跳闸。

2.4 启动装置

启动装置是DCS中的一个设定值控制块，它的输出控制着汽轮机主汽门和调速汽门上跳闸电磁阀和先导电磁阀的动作。当启动装置的输出大于12.5%时，复位跳闸信号，汽轮机挂闸；大于22.5%时，主汽门跳闸电磁阀带电；大于32.5%时，调速汽门跳闸电磁阀带电；大于42.5%时，截门先导电磁阀失电，主汽门打开。当启动装置的输出小于37.5%时，主汽门先导电磁阀带电，主汽门关闭；小于27.5%时，调速汽门跳闸电磁阀失电；小于17.5%时，主汽门跳闸电磁阀失电；小于7.5%时，汽轮机跳闸系统中的跳闸信号置位。

4.创新性原则。僵化和固化的评价不仅仅无法实现测评绩效，反而会阻滞大学生综合素质的改善和提升。创新原则可以从多个方面加以改进，能够实现合理引导的功能，如将学生作为主体参与设计，设计一套新的综合素质测评方法，等等。

2.5 超速保护

为保证超速保护的可靠性，汽轮机转速测量回路由6个测速传感器组成，3个为一组构成一套超速保护回路，对于每个超速保护回路而言，其动作条件为：任意2个通道处于跳闸状态；一个通道处于跳闸状态，另一转速通道故障；任意2个转速通道故障。

为检测转速测量系统的工作情况是否正常，每间隔1 h，S5-95F都要发出指令对这6个转速测量通道进行自动检测。通道检测时，分别选择测试频率3 303 r/m和3 295 r/m对单一通道发出测试信号，当选择3 303 r/m时，测试通道将发出超速报警信号；当选择3 295 r/m时，测试通道的状态不变。为避免超速跳闸，S5-95F将在一个通道测试完成，并确认动作正确后再进行下一个通道的测试，当发现某通道动作不正常时，测试程序将中止，以等待相关人员检查。测试程序也可以通过按钮手动激活，但不影响自动测试程序。

为确保超速保护不拒动，西门子公司还设计了一套硬件超速保护系统。该系统实际上是由多个继电器搭接起来的3取2回路，各通道未超速信号经过硬件3选2电路后，将产生2个信号带动相应的硬件超速继电器。当硬件超速保护动作时，硬件超速继电器失电，直接截断跳闸电磁阀的电源，使汽轮机组跳闸。由此可见，硬件超速保护系统是完全独立于TTS的，当硬件超速保护动作时，不论TTS是否发出跳闸信号，都会保证汽轮机跳闸正常动作。

2.6 手动打闸

手动打闸是汽轮机保护必需的后备手段。手动打闸按钮共有2个，一个在主控室控制台上，另一个在汽轮机机头处。手动打闸信号也有2条硬接线连到TTS上，只是将2个跳闸按钮的常闭触点串联起来使用，按下任何一个手动打闸按钮，都将同时触发2个手动打跳闸信号，任何一个手动打闸信号触发都将导致汽轮机跳闸。

2.7 通信总线传送的跳闸准则

TTS和DCS间有2条总线进行通信，也有跳闸准则是通过总线传送到TTS的，分别为控制油箱油位低(3选2)、控制油压力低(3选2)和控制油紧急停按钮动作(2选1)。另外，2条总线同时故障时，也将导致汽轮机跳闸。

2.8 阀门快关模式

阀门快关模式是由主机DEH系统发出的短时跳闸信号，阀门快关信号只作用于调速汽门，截止门不需要快关功能。当由于电气故障导致断路器跳闸时，网上负荷瞬间减小为0，DEH系统检测到负荷变化率超出限值时会触发负荷中断信号，输出阀门快关信号至TTS，由TTS执行调速汽门快关功能。阀门快关模式激活时使汽轮机调速汽门快关一小段时间(一般为几秒钟)，快关结束后恢复正常的调节方式，在动作过程中截止门全开保持不动，这是在电网异常工况下保护汽轮机安全的重要手段。

3 系统常见故障处理

a.备用锂电池问题。在备用锂电池失效的情况下，西门子TTS的CPU是无法启动的。有时虽然CPU上的电池故障报警并没有发出，但实际上当备用锂电池应用时间过长时，CPU仍然会认为电池故障无法启动。建议定期更换TTS的备用锂电池，更换周期建议为1年。

b.单个保护系统死机。由于每个保护系统都包含2个CPU，采取2选2的原理工作，任何一个CPU死机都会导致冗余的CPU同时死机，也就是说，单独启动某一个CPU是不可能的。在机组正常运行过程中，如果发生单个保护系统死机，只会导致跳闸电磁阀2个绕组中的1个绕组失电，不会造成汽轮机跳闸。经试验，对单个保护系统进行重启不会影响机组的正常运行，但是死机的保护系统重启成功，不会使断电的绕组自动带电。在DCS的逻辑中，启动装置发给汽轮机跳闸系统的复位跳闸条件的信号(启动装置大于12.5%)是一个脉冲量，只有当汽轮机处于跳闸状态时该信号才能发出。如果只是单个保护系统死机没有造成汽轮机跳闸，重启成功后由于复位跳闸条件的信号不能发出，其对应的跳闸电磁阀的绕组仍然处于失电状态。要解决这一问题，需要技术人员在工程师站中对启动装置的部分信号进行强制。

c.超速保护误动问题。经了解，使用西门子汽轮机保护系统的许多电厂都曾发生超速保护误动的问题。如前所述，每间隔1 h，S5-95F都要发出指令对各转速通道进行自动检测，某个通道进行超速测试时，该通道是处于跳闸状态的，此时若其它任何一个转速通道故障就会造成超速保护误动。为减少超速保护误动的概率，建议将S5-95F程序中的转速回路自动检测的时间间隔延长。由于S5-95F计时器的固有特性所致，自动检测的时间最多可延长为9 990 s，即不到3 h(如果想要更长的时间间隔，必须考虑多个计时器串联的方式)。另外，由于在机组运行期间转速探头是不能更换的，建议在机组检修时加装一个备用转速探头。

d.单个跳闸按钮误动问题。在西门子的汽轮机保护信号中，有较多的事故按钮，任何一个通道故障或信号误发都可能导致机组保护误动。这些按钮包括：火灾保护按钮(6选1)、手动排氢按钮(2选1)，手动打闸(2选1)和控制油紧急停按钮(2选1)。2003年10月，因某1个火灾保护信号抖动，就曾经导致河北邯峰发电有限责任公司2号机组停运。对于这些保护按钮信号，可以对保护逻辑进行修改，如改为3选2或2选2，以降低保护误动的概率。

e.通信模件故障。西门子EPS与DCS通过2条L1总线进行通信，部分跳闸准则是通过L1总线传送到TTS的，同时TTS的大部分报警信号也是通过这2条L1总线发送给DCS。2条L1总线同时故障时，将导致汽轮机跳闸，所以当其中1条L1总线发生故障时，也是一个非常危险的运行工况。由于每条L1总线上包括1个通信处理器CP530、3个总线终端BT777等通信部件，想一次判断出具体是哪个部件故障是比较困难的，一般采用排除法对故障部件进行逐个排除。经验证，在机组正常运行的情况下，对单独一条L1总线上的通讯部件进行检修操作是不会影响机组安全运行的。

4 结束语

西门子公司汽轮机保护系统的设计还是比较科学、合理的，通过EPS、TTS、跳闸电磁阀的冗余设置，以及保护准则中的3选2或2选2的冗余方式，它可以有效的防止保护拒动，也可以最大限度的防止保护系统误动。同时，通过对EPS中部分逻辑进行的修改，可以增加该保护系统工作的安全性和可靠性。

本文责任编辑：王丽斌