汽轮机紧急跳闸系统的设置原则

汽轮机紧急跳闸系统的设置原则作者：张烈，吕凯，熊巍摘要：ETS是机组在紧急情况下迅速关闭汽轮机所有进汽阀，停止汽轮机运行的控制系统，其主要任务是监视对机组安全运行有重大影响的某些参数。

当这些参数超过安全运行限定值时，通过自动停机跳闸(AST)电磁阀失电控制汽轮机保安系统，关闭汽轮机全部蒸汽进汽阀，紧急停机。

ETS主要由控制部件、电气保护装置及现场检测元件等组成。

由于ETS对汽轮机安全运行起着至关重要的保护作用，所以在设计和调试中必须保证其高可靠性。

本文将对采用可编程逻辑控制器（PLC）或DCS的ETS设置原则及方法进行探讨。

一、ETS的设置原则(1)采用PLC的ETS应为一个独立的系统，即具有独立的采用冗余电源的供电系统。

在DCS内完成的ETS应采用独立的控制器。

(2)各个保护控制信号均应使用硬接线接入ETS中，减少保护控制信号的中间环节和延迟时间，避免转接、扩展和转换。

保护控制信号不可使用串接信号，应为独立信号。

(3)4个AST电磁阀一般应设置为失电动作方式，且采用2路电源切换后的冗余电源。

当系统中没有电源切换装置时，1号、3号和2号、4号AST电磁阀应分别采用不同的2路电源。

(4)ETS必须冗余配置，即当故障时，备用系统仍然具有使汽轮机停止运行的功能。

故障系统可进行在线维修、更换。

(5)ETS应具有首出跳闸原因的记录功能。

(6)仅作为报警监视而不控制停机的信号不应进入ETS，并且跳闸汽轮机联动其它设备的功能不应在ETS内完成，以保证紧急停机的快速性及可靠性。

(7)ETS在未接到挂闸或复位指令前，不允许自动复位或使汽轮机挂闸，更不允许自动打开汽轮机进汽阀。

(8)一般不允许设置保证投、切开关，以免保护功能被错误地切除。

在特殊情况下，必须具备保护投、切开关时，该开关必须具有可记录的功能，保护切除后，应有报警提示。

二、ETS与其它系统的关系ETS与数字式电液控制系统(DEH)、汽轮机监视仪表(TSI)、炉膛安全监控系统(FSSS)、发变组保护系统以及汽轮机本身互相联系。

因此，在进行ETS设计和调试时必须结合各系统的具体情况，考虑各系统之间的相互关系和接口。

2.1 与DEH的关系及接口DEH完成汽轮机的挂闸、转速控制、负荷控制、压力控制及对机组进行各种监视、调节和限制等。

ETS在DEH无法将汽轮机参数限制在正常范围内，并且该参数达到或超出汽轮机安全运行限制值时，紧急停止汽轮机的运行。

ETS与DEH的主要接口信号：(1)汽轮机挂闸信号是指由DEH送至ETS的远方挂闸指令信号，一般设置为脉冲信号，目的是由远方操作建立安全油压，同时使AST电磁阀带电，打开汽轮机进汽阀门。

(2)DEH失电汽轮机跳闸信号一般来自DEH基本控制柜，为两路220VAC电源均故障的接点闭合信号，该信号与DEH采用的控制系统有关，有的控制系统没有电源监视继电器（如美国西屋控制公司生产的Ovation系统），则无此项保护功能。

(3)汽轮机110%电超速跳闸信号。

DEH内有3个测量汽轮机转速的探头，经过三选二逻辑判断后输出一路汽轮机超速跳闸信号至ETS。

(4)其它汽轮机跳闸信号根据机组的不同，信号种类和数量则不同。

如高压缸或高中压缸联合起动的机组，一般设置高压缸压比低、高压缸排汽压力高、高压缸排汽温度高等汽轮机跳闸信号；中压缸起动的机组，一般设置高压缸保护、高压缸抽真空阀过流保护、高压缸排汽口金属温度高等汽轮机跳闸信号。

汽轮机轴承温度或轴承回油温度高是否作为跳闸汽轮机信号，可根据要求设置。

2.2 与TSI的关系及接口TSI完成对汽轮机某些本体数据的连续监视，并进行综合判断，将判断结果送至DEH显示、记录、监视或送至ETS跳闸汽轮机。

因此，TSI侧重于对参数的监视、判断，ETS则侧重于执行TSI输出指令。

ETS与TSI的主要接口信号：(1)汽轮机110%超速跳闸信号。

上海汽轮机厂生产的某些汽轮机组的ETS采用PLC控制，通常在DEH和ETS中均设置汽轮机110%电超速跳闸保护，而其它汽轮机制造厂生产的汽轮机一般在DEH和TSI中设置汽轮机110%电超速跳闸保护。

两种超速保护测速通道都有3路，在各自系统内按三取二逻辑设计。

此外，为了区分应将ETS或TSI中的汽轮机110%电超速保护定值与在DEH中的汽轮机110%电超速保护设置为不同定值。

(2)轴向位移大跳闸汽轮机信号。

轴向位移大跳闸汽轮机信号的逻辑判断在TSI中实现，由于ETS容量有限，该信号一般在送至ETS前综合为1个或2个信号。

在调试中为了保证信号的准确性和可靠性，轴向位移大跳闸汽轮机逻辑可考虑2种设置：（1）上海汽轮机厂生产的汽轮机一般配置4个轴向位移测量装置，左右侧各2个，同侧的2个上下布置，这时可设为二或一与逻辑判断，即同侧测量信号进行或逻辑运算再与另一侧的逻辑运算结果相与。

(2)其它汽轮机制造厂生产的汽轮机一般配置2个轴向位移测量装置，左右侧各1个测量装置，这时可设为与逻辑判断。

(3)机组振动大跳闸汽轮机信号。

机组振动测量装置配置为：每个轴承2个轴振动信号或2个轴振动信号和1个轴瓦振动信号，振动大跳闸汽轮机信号的逻辑判断在TSI中实现。

在调试中发现不同电厂对此项保护的逻辑判断要求不同，但综合考虑汽轮机制造厂的要求和振动信号的可靠性，轴瓦振动一般不作为振动大跳闸汽轮机的逻辑判断。

由于ETS容量有限，机组振动大信号一般在送至ETS前综合为1个或2个信号。

(4)差胀大汽轮机跳闸等信号。

2.3 与FSSS的关系及接口FSSS与ETS的主要接口信号：(1)MFT信号送至ETS，实现炉跳机功能。

根据软硬件冗余的原则，该信号建议设置为两路，一路经过FSSS逻辑判断由继电器输出，另一路由MFT硬跳闸柜输出。

ETS按二取一逻辑判断设计。

(2)汽轮机跳闸信号送至FSSS，实现机跳炉功能。

该信号应设置为三路，该三路信号应从ETS的不同继电器或不同卡件输出。

FSSS按三取二逻辑判断设计。

2.4 与发变组保护系统的关系及接口发变组保护系统的功能是在机组电气设备及电力系统发生异常和故障时能及时进行相应的处理，将事故和异常限制在最小范围内。

发电组保护系统与ETS 的主要接口信号：(1)发电机跳闸信号送至ETS，实现电跳机功能。

每个发变组保护柜均需输出信号至ETS，ETS按信号的数量进行逻辑判断设计。

(2)汽轮机跳闸信号送至发变组保护系统，实现机跳电功能。

该信号应根据发变组保护柜的数量设置同等数量的输出信号，且信号应从ETS的不同继电器或不同卡件输出，送至发变组保护系统的各个保护控制柜。

三、ETS的主要信号3.1 ETS复位信号汽轮机停止运行后，其安全油泄去，主汽阀及其它阀门处于关闭状态。

为了使ETS恢复正常工作状态，需要进行手动干预。

ETS复位信号可来自BTG盘上的操作按钮或DEH及其它热控系统画面按钮，以完成建立安全油压、开启进汽阀的控制。

ETS复位信号应为短脉冲信号，以免影响ETS逻辑的执行，而且ETS必须保证跳闸汽轮机信号优先于复位信号。

ETS复位信号与跳闸汽轮机信号的关系见图1。

3.2 遥控手动停机遥控手动停机功能用于在机组紧急情况下手动操作停止汽轮机运行。

一般在汽轮机前轴承箱上安装有就地手动停止汽轮机运行装置，在电气方面也必须在操作台上或人工可直接操作的地方安装远方手动紧急停机操作按钮，实现遥控手动停机。

远方手动紧急停机操作按钮必须直接接入ETS，不允许经过继电器扩展等间接转换。

手动紧急停机操作按钮应提供2付常闭接点直接切断2路AST 电磁阀电源；另外提供1付常开触点接入ETS，通过控制逻辑切断AST电磁阀电源。

3.3 汽轮机超速保护汽轮机转子一般是根据额定转速的115%～120%进行设计的，一旦转速超过该极限值，将造成叶片断裂、叶轮松脱、动静部件相碰的严重事故。

随着机组功率的增大，汽轮机转速飞升时间常数减小，如果机组在满负荷时从电网中解列，则汽轮机转速将迅速飞升。

为此，除在汽轮机转子上装有机械危急遮断器和DEH具有超速保护控制（OPC）功能外，还必须配备1套与上述装置独立的测速、超速判断的保护系统，即电超速保护装置。

电超速保护装置的转速测量一般安排在TSI或ETS中，且采用独立的测速探头和测速回路。

由于TSI的转速测量要求能精确地测量低转速，所以TSI的转速传感器通常采用涡流传感器。

超速保护系统一般应设计为三取二逻辑判断系统，以防止某个元件故障影响汽轮机超速保护。

转速测量探头一般应与DEH的转速测量探头分别布置在汽轮机前后，以免测速齿轮在小轴或励磁机轴断裂时，失去转速信号，从而造成超速保护失效。

转速的测量必须准确、快速，一般要求精确在0.1%以内。

转速测量回路时间（以发生超速到发出逻辑控制指令）应小于20ms。

为区分汽轮机110%电超速的跳闸首出原因，应将TSI或ETS中的汽轮机110%电超速保护定值设置为与DEH中汽轮机110%电超速保护不同的定值。

3.4 抗燃油压低、轴承油压低、真空低及轴向位移大保护当设置有双通道的试验块时，对于抗燃油压低、轴承油压低、真空低及轴向位移大保护功能可分成左、右2个通道，分别由4个检测元件测量每个参数，当2个通道都检测到该参数超过汽轮机正常运行极限时，才发出停止汽轮机运行信号，以防止保护误动或拒动情况的发生。

该控制逻辑在ETS中完成，由于4个元件分布在2个通道上，因此可进行在线试验。

当上述功能的检测元件只有一路或三路时，则按一路或三取二逻辑判断设计，同时必须考虑增加试验块及其试验功能的必要性。

四、ETS调试中的注意事项4.1 ETS可靠性(1)ETS无论是一次监测元件还是跳闸电磁阀，都采用双通道，因此可大大提高系统的可靠性。

可靠性=MTBF/MTBF+MTBR，式中MTBF为平均无故障时间M，TBR为平均维修时间。

可以看出，MT-BF越大越好，MTBR越小越好。

双通道可使系统的MTBF大大提高。

采用双通道后的MTBF为MT-BFD=MTBFS+MTBFS/2MTBR，式中MTBFD为双通道的平均无故障时间，MTBFS为单通道的平均维修时间。

ETS采用双通道后系统的MTBF按指数规律增加，系统的可靠性大大提高。

(2)操作台上的远方手动紧急停机操作按钮应提供2付常闭接点用于直接切断AST电磁阀电源，以防止接入ETS的常开接点故障或ETS控制逻辑引起的保护拒动。

(3)对接入ETS的易误动的跳闸汽轮机信号，应加入一定时间的延时，以防误动。

(4)接入ETS的真空开关一般采用常闭接点，润滑油开关、抗燃油开关一般采用常开接点，可以保证ETS的可靠性。

4.2 汽轮机跳闸信号有些机组设计送至FSSS、发变组保护系统等的汽轮机跳闸信号由ETS输出，该信号取自AST电磁阀失电信号，这样会造成就地手动或机械超速导致汽轮机跳闸时只泄去低压安全油使汽轮机所有阀门关闭，不会使AST电磁阀失电，这时汽轮机跳闸信号无法输出。