基于可靠性的电厂ETS系统改造策略研究

摘要：随着电力工业的快速发展，电厂的安全运行显得尤为重要。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。本文基于国能浙江舟山发电有限责任公司3号机组ETS系统改造的实际案例，探讨了基于可靠性的ETS系统改造策略，并提出了相应的优化方案。

关键词：汽轮机紧急跳闸系统（ETS）；可靠性；系统改造；冗余配置；压力开关保护

引言：

汽轮机紧急跳闸系统（ETS）是电厂汽轮机的重要保护系统，主要用于在机组发生异常工况时，快速切断汽源，防止事故扩大，保障机组安全。随着电厂运行时间的增长，ETS系统硬件的老化、软件逻辑的复杂性以及系统维护的难度逐渐增大，这些都给ETS系统的可靠性带来了挑战。因此，对ETS系统进行基于可靠性的改造，提高其运行安全性和稳定性，具有重要的现实意义。

一、ETS系统概况及存在问题

1.1 ETS系统概况

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系列的PLC控制器。该系统自2010年投入商业运行以来，已经连续运行超过10年，期间为机组的稳定运行提供了重要的保障。ETS系统作为汽轮机保护系统的核心组成部分，承担着在紧急情况下迅速切断汽源、防止事故扩大的重要任务。ETS系统主要包括机柜、盘装操作试验面板、PLC控制系统、继电器、电源、开关等必要的电气设备。这些设备共同协作，通过双通道逻辑回路实现汽轮发电机组的跳闸保护功能。双通道逻辑回路的设计增强了系统的可靠性，确保在单一通道出现故障时，另一通道仍能正常工作，从而避免系统失效。系统的人机交互界面友好，操作员可以通过盘装操作试验面板直观地监控系统状态，并进行必要的操作。

1.2 ETS系统存在问题

尽管ETS系统在过去的十年中为机组的稳定运行做出了重要贡献，但随着运行时间的延长，系统逐渐暴露出一些问题，这些问题对机组的可靠性运行构成了潜在威胁。首先，硬件老化是ETS系统面临的主要问题之一。由于系统已经连续运行超过10年，控制硬件内部的电子元器件逐渐老化，导致系统的稳定性和可靠性降低。这些老化的元器件可能引发不可预测的故障，进而影响ETS系统的正常功能。例如，老化的继电器可能无法可靠地切换电路，导致保护动作失效或误动。其次，通讯方式单一是ETS系统的另一个重要问题。当前，主控制站和IO站之间的通讯采用同轴电缆单网通讯方式，没有实现双网冗余配置。这种通讯方式在正常情况下能够满足系统的需求，但一旦通讯线路出现故障或中断，将直接影响ETS系统的正常运行。由于缺乏冗余配置，系统无法迅速切换到备用通讯线路，从而可能导致保护失效或误动。此外，IO站配置单一也是ETS系统存在的问题之一。目前，ETS系统PLC控制器的IO站配置较为单一，并未实现冗余。这意味着如果IO站的任何一模块出现故障，将直接影响ETS系统的功能，甚至可能引发拒动或误动事件。这种单一配置降低了系统的可靠性，增加了机组安全运行的风险。最后，抗干扰能力弱和保护方式落后也是ETS系统需要关注的问题。ETS系统PLC控制器与IO卡件之间的通讯采用同轴电缆进行，这种通讯方式的抗干扰能力较弱，容易受到外界电磁干扰的影响。一旦受到干扰，可能导致通讯信号异常，进而引发误动跳机事件。同时，原汽轮机试验组件块采用串并联压力开关保护方式，这种方式存在误动和拒动的风险。此外，真空、润滑油、EH油试验电磁阀的存在也增加了系统的渗漏点和设备误动的可能性。这些问题都需要在ETS系统改造过程中予以解决。

二、基于可靠性的ETS系统改造策略

2.1 硬件升级与冗余配置

针对ETS系统控制硬件内部电子元器件老化导致的稳定性和可靠性降低问题，改造策略首先提出了控制柜的整体更换。将原有的双机热备系统升级为更便捷、可靠的DPU控制柜。新控制柜采用更先进的硬件平台，具有更高的处理速度和更大的存储容量，能够满足现代火电机组对ETS系统高可靠性和实时性的要求。通过整体更换控制柜，可以有效提升系统的稳定性和可靠性，降低因硬件老化导致的故障风险。原有的主控制站和IO站之间采用同轴电缆单网通讯，没有实现双网冗余配置，存在通讯中断的风险。改造策略提出对通讯系统进行升级，采用双网冗余配置。通过增加备用通讯网络，一旦主通讯网络出现故障，备用网络能够立即接管，确保通讯的连续性和可靠性。双网冗余通讯的实现将大大提高ETS系统的抗干扰能力，降低因通讯故障导致的误动和拒动风险。ETS系统PLC控制器IO站的单一配置也是系统可靠性的一个薄弱环节。若IO站任何一模块发生故障，将直接影响ETS系统的正常运行，甚至导致机组停机。为了解决这个问题，改造策略提出了对IO站进行冗余配置。通过增加备用IO模块，并在逻辑上实现主备模块的自动切换，确保在任何一模块发生故障时，备用模块能够立即接替工作，保证ETS系统的连续性和可靠性。IO站的冗余配置将大大提高系统的容错能力，降低因IO站故障导致的停机风险。

2.2 保护方式优化

原有的汽轮机试验组件块采用串并联压力开关保护方式，存在单一元件故障引起误动和拒动的风险。为了提高保护的可靠性，改造策略提出了将压力开关保护升级为三取二压力变送器方式。压力开关改变送器可以实时监视参数的变化，三取二逻辑是一种常用的冗余保护方式，通过三个独立的测量通道对同一参数进行监测，只有当其中两个通道的测量结果满足保护条件时，才触发保护动作。这种方式能够有效避免单一元件故障引起的误动和拒动，提高保护的可靠性和准确性。真空、润滑油、EH油试验电磁阀的存在增加了系统的渗漏点和设备误动的可能性。为了简化系统结构、减少故障点，改造策略提出了取消这些试验电磁阀。通过优化保护逻辑和增加监控画面，实现对这些参数的实时监测和保护。取消试验电磁阀后，系统结构将更加简洁明了，故障率也将大大降低，从而提高ETS系统的整体可靠性。

2.3逻辑优化与监控画面增加

ETS系统保护逻辑的正确性和合理性直接关系到机组的运行安全。为了降低误动和拒动的风险，改造策略提出了对ETS系统保护逻辑进行全面梳理和优化。通过简化逻辑结构、增加逻辑判断条件等措施，确保逻辑的正确性和合理性。同时，对保护定值进行合理调整，使其更加符合机组的实际运行情况。优化后的ETS逻辑将具有更高的可靠性和准确性，能够更好地保障机组的运行安全。为了方便运行人员对ETS系统进行实时监控和故障排查，改造策略提出了在ETS系统操作画面上增加关键参数的实时监控画面和历史曲线记录功能。通过实时监控画面，运行人员可以随时掌握ETS系统的运行状态和参数变化情况；通过历史曲线记录功能，运行人员可以对ETS系统的运行历史进行回溯和分析。这些功能的增加将大大提高运行人员对ETS系统的监控能力和故障排查效率，从而降低因操作不当或故障处理不及时导致的停机风险。在事故发生时，准确记录事件发生的顺序和时间对于事故分析和处理至关重要。为了提高事故分析的准确性和效率，改造策略提出了在ETS系统中增加事件顺序记录和首触功能。SOE功能能够记录事故发生时各个保护动作的时间顺序，为事故分析提供重要的时间线索；首触功能能够准确记录第一个触发保护动作的事件，为事故原因的定位提供有力支持。通过增加SOE与首触功能，ETS系统将具有更强的事故分析和处理能力，能够更好地保障机组的运行安全。

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系统改造的实际案例，提出了基于可靠性的ETS系统改造策略。通过硬件升级与冗余配置、保护方式优化、逻辑优化与监控画面增加等措施，有效提高了ETS系统的可靠性和安全性。这对保障电厂汽轮机的安全运行具有重要的现实意义，也为类似机组的ETS系统改造提供了参考和借鉴。

参考文献

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