汽轮机ETS专用电源模块改通用电源模块

白福常

(沙角C电厂，广东 东莞 523936)

1 ETS电源模块改造的原因

汽轮机危急跳闸系统(emergency trip system，ETS)是监视、保护汽轮发电机组安全运行的重要装置，它能快速准确、安全可靠地监测机组运行过程中的一些重要参数，当某些参数超过机组运行限制值时，经逻辑处理后，该系统将关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，完成汽轮机危急跳闸，以保证汽轮机发电设备安全运行。ETS监控的参数异常有汽机超速、轴承润滑油压力过低、抗燃油(EH油)压力过低、凝汽器真空过低、汽轮机监视仪表(TSI)机械跳闸、汽轮机数字电液控制系统(DEH)电源故障、DEH调门故障关闭、DEH软跳闸、锅炉主燃料跳闸(MFT)、发电机跳闸、集控室手动紧急停机等。一个典型的ETS系统由以下几部分组成：1个装有跳闸电磁阀和状态压力开关的危急跳闸控制块、3个装有试验电磁阀和压力开关的试验块、电源模块、PLC(可编程逻辑控制器)、继电器、操作盘等。ETS在汽轮机保护方面有着广泛的应用，作为汽轮发电机组最重要的监视保护系统，电源对其可靠性的影响不言而喻。沙角C电厂ETS电源模块为某主机厂配套的QH-204型，经过几年运行，3台机组有多块24 V电源模块损坏。每次电源模块出现问题都会引起一级报警，解决的办法也只能是更换新的电源模块，所以不得不准备较多的备用品，总体来说成本压力较大。笔者阅读了大量文献，发现很多应用QH-204型电源模块的发电厂都出现过由电源引起的24 V电源报警、现场电磁阀损坏、非计划停机等问题，用户反馈不好。考虑到专用电源模块价格昂贵、可靠性差，经多方调研和慎重考虑后，决定对整套电源模块进行改造。

2 原电源模块分析

沙角C电厂3台机组的ETS均配置2组一样的AB公司生产的PLC，运行相同的程序，接受相同的输入信号，所有输出并联接入继电器的线圈驱动回路驱动现场设备。图1为原系统框图。QH-204型电源包含2块220 V电源模块、2块24 V电源模块，组装在1个机笼里。220 V电源模块前面板带有空气开关。QH-204型电源采用分槽插卡式结构，4块卡件紧紧挨在一起。所有卡件为双面印刷电路板手工焊接，分立元件多，结构复杂，切换继电器若长时间带电，存在隐患且故障率高。

图1 原系统配置框图

供电由2路不间断电源(UPS)220 V交流(AC)电源独立输入，若一路失电，可由切换器自动切换至另外一路。2路220 VAC输出分别送至2套PLC。220 VAC经24 V电源模块生成24 VDC电源，2路24 VDC电源并联输出，作为PLC卡件的巡检电源和继电器的驱动电源。该电源模块可实现220 VAC和24 VDC冗余功能，可对任一路电源的丧失进行报警。图2为原系统接线图。

图2 原系统接线图

对24 V电源模块进行拆解，发现里面包含的是某个厂家生产的较低端的开关电源产品，某主机厂加了专用模块的外壳，并把接线端子做成了插座。2个24 V电源模块靠在一起，仅靠机柜风扇散热。这种安装和散热形式也影响了电源模块的寿命。除了检修以外，ETS是24 h不间断连续运行的，不可靠的电源产品必然会对ETS的可靠性产生巨大的影响。

3 电源模块改造方案

沙角C电厂3台机组的ETS由2路UPS 220 VAC独立供电，后送入2套独立的PLC。大量的调研显示，某些220 V交流电源切换器在主电源失电切换到备用电源的过程中会有几十毫秒的失电，从而导致机组跳闸。在平常大小修的电源切换试验中，电源多次切换不成功，也就是说220 VAC电源冗余功能基本形同虚设。因电源问题引起的机组跳闸属于非计划停运，发电厂会因此面临比较大的经济损失和指标考核压力。已有的文献也指出，在上电的过程中220 VAC电源输出存在瞬间叠加的情况，使得输出电压达到400 VAC，从而造成负载损坏，有时甚至造成上级电源开关跳闸。为此，针对这些情况进行试验，试验结果表明这种情况确实存在。一般的24 V开关电源最大耐受电压为250 VAC，笔者分析认为，这也是24 V电源模块损坏的一个原因。

UPS电源本身已经很可靠，而且2套PLC即使有一路失电，另外一路也可以正常工作，并不会造成保护的勿动或拒动。基于以上分析，决定取消220 V电源的切换器，由2路UPS 220 VAC分别接入2套PLC的电源模块，这种方案简洁，可以有效避免220 VAC电源切换不成功造成的汽轮机跳闸。所以，这种方案不但不会降低ETS的可靠性，反而会增加它的平均故障间隔时间(MTBF)。

由于在ETS实际运行过程中有多块24 V电源模块损坏，所以改造方案的重点是提高24 V电源输出的可靠性。将多个品牌的产品进行比较，从沙角C电厂对罗克韦尔产品的使用体验和其他用户的口碑方面评估，笔者最终选择了罗克韦尔的开关电源模块1606-XLE120EE和开关电源冗余模块1606-XLERED组成新的电源模块组。

开关电源模块1606-XLE120EE的输入电压为180～264 VAC，输出电压为24～28 VDC，输出电流为5 A。开关电源冗余模块1606-XLERED输入电压为24～60 VDC，2路直流电压输入，输出电流为10 A。根据罗克韦尔的用户手册介绍，开关电源冗余模块1606-XLERED通过各种新功能可确保极高的系统可用性，电流平衡技术使负载电流自动平均分配到2路电源，从而倍增电源的可靠性和使用寿命。

具体方案是使用2个1606-XLE120EE和1个1606-XLERED组成一组，输出24 VDC。2组这样的电源模块输出2组24 VDC并联接入原来的接线端子。直流电源的并联不会引起输出的叠加和跳变，这种直流电源并联运行的方案可以提高24 VDC输出的可靠性。每组中2个1606-XLE120EE采用不同的UPS 220 V电源输入，这样就保证了在一路UPS 220 V失电或者一个电源冗余模块1606-XLERED损坏的情况下仍然能够保证可靠的供电，且原来的失电报警保持不变。图3为改造方案的示意图。

QH-204型电源采用机笼安装，而机笼又装在机柜里，ETS长时间连续运行，散热不好，这也是电源模块损坏的原因之一。新的电源模块改造方案采用导轨安装，每2个电源模块之间都留有至少2 cm的间隙。根据产品说明书，其具有发热量小这一特点，这对于提高电源的可靠性有积极的意义。

4 电源模块改造方案效果

改造后，强制了相关跳闸信号，在机组挂闸条件下进行了试验。模拟单路电源失去，结果一套PLC失电，另一套PLC正常运行，24 VDC输出无影响无跳变，ETS可正常运行，未发出跳闸信号。模拟一个电源冗余模块1606-XLERED损坏的情况，结果2套PLC均未受到影响，24 VDC输出无影响无跳变，ETS可正常运行，未发出跳闸信号。试验结果符合设计意图，改造取得了成功。

图3 改造方案示意图

目前，很多发电厂应用了某主机厂配套的ETS电源模块QH-204型。通过阅读文献及与同行交流发现，QH-204型存在着普遍的较严重的问题，有的体现为220 V切换器损坏，有的体现为24 V电源模块损坏。对QH-204型电源的各个模块进行拆解，可发现内部的电路简单，电子元器件和继电器等都不是知名厂家生产，焊接也较为粗糙。对比罗克韦尔、菲尼克斯等大厂生产的电源模块，笔者认为，对QH-204型电源进行改造，对于提高ETS电源的可靠性有着积极的意义。很多发电厂可能出于对原设计的尊重仍然采用QH-204型电源，若要购买足够的备件，就必然造成成本上升和库存压力。

本文介绍的专用电源模块改通用电源模块的方案，可提高机组ETS电源的可靠性。在备件的采购方面，会有多个供货商可以选择，这样减少了对单一供货渠道的依赖，进而能有效降低采购的价格，可取得很好的经济效益。

在近3年的实际运行中没有出现任何问题，证明本方案具有很高的可靠性。目前本方案已经推广至沙角C电厂3台机组。沙角C电厂给水泵TSI卡件的电源也为24 VDC，因为该型号卡件专用电源模块为10年前的产品，现在已经采购不到备件。采用本方案也获得了满意的效果。

5 结语

本方案对于24 VDC专用冗余电源模块具有一定的普适性，安装简单，改造难度低，而且导轨安装发热小，占用空间不大，此外，大品牌的电源模块具有很高的可靠性，价格适中。已经有多家公司的产品能够实现同样的冗余供电功能，所以不必对单一品牌产生依赖，这对于相同或相近的控制系统电源具有广泛推广的价值。