电厂ETS与DCS系统集成改造方案及实施难点

摘要：随着电力工业的快速发展，电厂的安全运行成为关键议题。汽轮机紧急跳闸系统（ETS）作为保障汽轮机安全运行的重要装置，其可靠性直接关系到电厂的整体运行安全。同时，分散控制系统（DCS）作为电厂自动化的核心，对电厂运行的稳定性和安全性起着至关重要的作用。本文通过分析国能浙江舟山发电有限责任公司3号机组ETS系统的现状，提出了ETS与DCS系统集成改造方案，并探讨了实施过程中的难点，本文旨在提高ETS系统的可靠性和安全性，同时实现与DCS系统的无缝集成。

关键词：汽轮机紧急跳闸系统（ETS）；分散控制系统（DCS）；系统集成；硬件升级；冗余配置；逻辑优化

引言：

汽轮机紧急跳闸系统（ETS）是电厂中的重要安全保护系统，能够在汽轮机运行过程中监测到异常参数时迅速切断汽源，防止设备损坏和事故发生。随着电厂自动化水平的不断提高，DCS系统已广泛应用于电厂的监控和管理中。将ETS系统与DCS系统集成，不仅可以提高系统的自动化水平，还能提升整个电厂的运行安全性和可靠性。然而，在实施过程中，由于ETS和DCS系统在设计理念、硬件配置、通信协议等方面的差异，存在一些技术难点。

一、ETS系统现状分析

国能浙江舟山发电有限责任公司3号机组ETS系统采用的是上海电气电站设备有限公司配套的Modicon Quantum系列PLC控制器。该系统自2010年正式投产以来，已连续运行超过10年，为机组的安全运行提供了重要的保障。然而，随着运行时间的增长，ETS系统逐渐暴露出一些问题，影响了其可靠性和稳定性。具体来说，ETS系统目前面临的主要风险及问题包括硬件老化、通信协议落后、保护方式单一和监控功能不足等。硬件老化是一个不容忽视的问题，随着电子元器件的长时间使用，其性能逐渐下降，导致系统的稳定性和可靠性降低。这不仅增加了系统故障的风险，还可能对机组的安全运行构成威胁。此外，系统采用的同轴电缆通信协议已显落后，其抗干扰能力较弱，容易发生松动，从而引发误动跳机事件。保护方式的单一性也是当前ETS系统存在的一个问题，现有保护主要依赖串联压力开关，缺乏冗余和多样性，一旦某个环节出现故障，就可能导致保护失效，引发误动或拒动。最后，监控功能的不足限制了ETS系统的事故分析能力和设备维护效率，缺乏实时监控和历史数据记录功能，使得运维人员难以及时掌握系统状态，无法对潜在问题进行预判和处理。

二、ETS与DCS系统集成改造方案

2.1 硬件升级与冗余配置

首先，针对现有Modicon Quantum系列PLC控制器存在的老化和性能限制问题，计划将其升级为更先进的DPU控制柜。DPU控制柜不仅拥有更高的处理速度和更强的抗干扰能力，显著提升系统的稳定性和可靠性，还支持多种通信协议，为实现与DCS系统的无缝集成提供了坚实基础。这一升级将确保ETS系统能够更高效地处理复杂的控制逻辑和实时数据，同时增强系统对外部干扰的抵御能力，减少误动和拒动的风险。此外，为了实现更高的系统可靠性，电源冗余方面，采用双路冗余电源供电方案，确保在一路电源发生故障时，系统能够迅速切换至备用电源，保证持续稳定运行。通信冗余方面，通过引入双网冗余通信机制，即使在一条通信链路中断的情况下，系统也能通过另一条链路保持通信畅通，避免信息丢失或延迟。对于IO卡件，特别是对系统安全至关重要的IO卡件，进行冗余配置，确保在单一卡件故障时，系统能够依靠冗余卡件继续正常工作，有效避免因硬件故障导致的系统瘫痪。

2.2 保护方式优化

在保护方式优化方面，主要围绕提高保护的可靠性和减少不必要的设备误动进行改进。首先，针对现有的串联压力开关保护方式存在的单一元件故障可能引发误动或拒动的问题，计划将其升级为三取二压力变送器方式。三取二逻辑通过引入多重冗余判断，只有在至少两个压力变送器同时检测到跳机保护定值时，才会触发保护动作，从而有效避免了单一元件故障导致的误判，显著提高了保护的可靠性。同时，针对试验电磁阀可能导致的渗漏点和设备误动问题，计划取消真空、润滑油、EH油试验电磁阀。通过#3机ETS跳机电磁阀在线试验改造，AST电磁阀由二个通道试验改为单个AST电磁阀试验，实现了机组运行时的在线试验功能，降低了因试验操作导致的设备误动风险。这一改进将进一步提升系统的安全性和稳定性，减少因试验操作带来的潜在风险。

2.3 逻辑优化与监控画面增加

在逻辑优化方面，主要对AST电磁阀试验和电源进行了改进。将AST电磁阀由二个通道试验改为单个AST电磁阀试验，这一改变使得运行人员可以更加方便地每月定期对AST电磁阀进行实动试验，确保其在紧急情况下能够正常动作，提高了系统的可维护性和可靠性。同时，将AST电磁阀电源由AC110V改为AC220V，更高的电压等级意味着更强的驱动能力和更低的能耗，有助于提高跳机电磁阀的可靠性和寿命，减少因电源问题导致的电磁阀故障。在监控画面增加方面，为了满足运行人员对系统状态的实时监控和数据分析需求，计划增加实时监控画面、历史曲线画面以及事件顺序记录（SOE）和首触功能。实时监控画面将显示汽轮机的关键参数和保护状态，使运行人员能够迅速掌握系统当前运行情况。历史曲线画面将记录关键参数的变化趋势，为事故分析和设备维护提供重要参考。SOE与首触功能则能够记录保护动作的顺序和时间，帮助运行人员快速定位故障原因，提高故障处理的效率和准确性。这些新增的监控画面和功能将极大提升系统的透明度和可维护性，为机组的安全稳定运行提供有力保障。

三、实施难点及解决方案

在实施ETS与DCS系统集成的过程中，面临着一系列挑战与难点，其中ETS控制周期的优化与保护逻辑的复杂性尤为突出。ETS控制器周期需严格控制在50毫秒以内，硬件保护回路动作时间不得超过20毫秒，软件保护回路则需在50毫秒内完成响应，这些严苛的时间要求体现了ETS系统对实时性与可靠性的极高标准。与DCS系统相比，ETS在控制周期上的特殊需求源于其作为紧急停机系统的关键角色，它必须能够在极短时间内做出判断并执行保护动作，以防止设备损坏或安全事故的发生。ETS系统不仅要求硬件层面的快速响应，还依赖于复杂而精细的保护逻辑来确保系统在各种异常情况下都能准确无误地工作。这些保护逻辑涵盖了手动停机、超速保护等多个关键回路，每一个逻辑判断都关乎生产安全与系统稳定。因此，在集成改造的初期，对现有保护逻辑的全面梳理与验证显得尤为重要。这包括了对每一条逻辑路径的严密审查，确保其没有逻辑漏洞或冗余，以及在不同工况下的正确触发与响应能力。为确保改造过程中的逻辑正确性，仿真工具成为了不可或缺的辅助手段。通过构建与实际系统高度相似的仿真环境，可以在不影响生产的前提下，对修改后的保护逻辑进行反复测试与调整。结合历史运行数据和预设的故障场景，仿真测试能够全面验证逻辑在各种极端条件下的表现，从而确保改造后的ETS系统能够可靠地执行保护任务。此外，鉴于ETS与DCS系统集成涉及大量新技术与新设备，这对运行与维护人员的专业技能提出了更高要求。为此，改造前需制定详细的培训计划，涵盖新系统的操作界面、日常维护、故障排查与应急处理等多个方面。通过理论学习与实操演练相结合的方式，帮助人员快速掌握新系统的特性与操作技巧。改造期间，更应强化现场指导与技术支持，鼓励人员积极参与问题解决与经验分享，以促进知识与技能的快速传递，确保改造后的系统能够顺利接入并高效运行，实现生产流程的无缝衔接与优化升级。

结束语：

本文通过对国能浙江舟山发电有限责任公司3号机组ETS系统的现状分析，提出了与DCS系统集成改造的方案，并探讨了实施过程中的难点及解决方案。通过硬件升级、保护方式优化和逻辑优化等措施，可以有效提升ETS系统的可靠性和安全性，实现与DCS系统的无缝集成。这将为电厂的安全运行提供有力保障，同时也为类似机组的改造提供参考。

参考文献：

[1]浅析某厂1号机组ETS系统纳入DCS的过程.毛娟.河南电力，2020（S1）.

[2]300MW机组ETS控制逻辑设计.范井生.自动化应用，2018（08）.

[3]某机组ETS系统DCS系统一体化改造.魏东.中国设备工程，2017（12）.