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【摘 要】通过邯峰电厂2×660MW燃煤机组汽轮机紧急跳闸系统（ETS）的DCS一体化改造，介绍了西门子660MW汽轮机ETS系统由S5-95F可编程控制器改造为ETS与DCS一体化的方案与经验，对同类型的ETS系统升级改造或新建机组ETS系统设计提供参考。
【关键词】汽轮机;ETS;DCS一体化;ETS硬件;SPPA-T3000
0引言
汽轮机危急跳闸系统（ETS）是大型单元机组在生产过程中最重要的一环，它既是汽轮机电气跳闸的出口，也是机、炉、电大连锁保护中的核心环节，其运行安全与否直接影响到汽机的安全，因此汽轮机的ETS保护系统是发电厂对控制系统可靠性要求最高的一个子系统。
邯峰电厂的2×660MW汽轮机发电机组由SIEMENS公司制造，汽轮机为HMN-系列，单轴四排汽纯凝汽式反动式汽轮机。原ETS采用了SIMATIC S5-95F安全型可编程控制器进行控制，此种控制器在线查看逻辑十分困难，且无法查看逻辑中接点实时状态及动作记录中接点的翻转情况，因此当出现故障报警时很难解决。S5-95F系统已连续运行近二十年，模件老化严重，故障率逐年升高。自2017年至2019年，邯峰电厂相继对两台机组DCS控制系统进行了改造，新DCS控制系统使用西门子SPPA-T3000控制系统，在DCS改造的同时完成了汽轮机危急跳闸系统（ETS）纳入DCS一体化的改造工作。
1改造方案
1.1 跳闸阀工作原理
汽轮机的每个截止阀、控制阀的油动机有两个专用的跳闸电磁阀（Rexroth）。跳闸阀按照断电流工作原理和二选一逻辑来工作，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。任一跳闸磁阀失电时，都将截断高压供油，打开泄油通道，泄掉油动机里的压力油，油动机带动阀门快速关闭，切断汽源。每个专用跳闸电磁阀有两个独立的线圈，任一线圈通电都足以使跳闸电磁阀处于吸合状态，两线圈均失电后电磁阀跳闸。跳闸阀原理如图1：
1.2 SIMATIC S5-95F跳闸系统跳闸原理简介
邯峰电厂T2000汽轮机跳闸保护系统可以看成由汽机保护系统EPS（Electronic Protection System）、汽机跳闸系统TTS（Turbine Trip System）、跳闸电磁阀EHA（Electrohydraulic Vakve Actuators）三部分组成，其中EPS系统在DCS控制器中，TTS系统由SIMATIC S5-95F实现，EHA由就地设备组成。其中TTS系统在CJJ41机柜，EPS系统在CJJ31机柜，OPS系统在CJJ52机柜。TTS系统对跳闸信号进行选通、存储，并最终传递给跳闸电磁阀，控制阀门的状态。其原理图如图2：
在T2000 DCS控制系统中，S5-95F PLC控制系统通过专用的数据传输总线（L1总线）与DCS中一个控制器进行通讯，然后再通过该控制器传输数据到DCS系统，TTS系统在T2000 DCS中的网络拓扑图如图3：
1.3 SPPA-T3000 控制系统简介
SPPA-T3000控制系统是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个电站生产过程的控制系统，同时也提供了汽轮发电机跳闸保护功能。其中ETS控制部分采用一对冗余的6ES7410-5HX08-0AB0控制器，输出采用故障安全型输出模件SM326。T3000 ETS控制器直接与DCS自动生产网连接，其网络拓扑如图4，在机组运行期间可以在工程师站查看逻辑状态，具有良好的人机界面。
1.4 改造任务目标
改造后将拆除SIMATIC S5-95F汽机跳闸系统，建立SPPA-T3000汽机保护系统。将EPS、TTS、OPS三部分功能集中在一对控制器中实现，形成ETS系统。邯峰电厂曾出现过EPS和TTS通讯故障造成机组停机的事故，因此消除原三面机柜的通讯和硬接线部分，将有利于提高ETS系统稳定性。改造后，ETS保护逻辑将可以在DCS系统上实时查看。
2 改造方案设计与实施
2.1 测点清单统计
按新设计控制器分配方案，需统计以下IO清单：2个高压主汽门、2个高压调门、2个中压主汽門、2个中压调门、1个冷在逆止门、1个高排泄放门，锅炉MFT、电气保护、打闸按钮的硬接线接口，OPS系统的6个转速采集信号，以及汽轮机振动、轴瓦温度、凝汽器液位等共450个IO信号。
2.2 跳闸回路设计
邯峰电厂西门子T3000系统中ETS输出采用故障安全型卡件SM326;DO 10×DC24V/2A。此类型模件具有10个输出，两个电隔离组（5个一组），支持两个不同的模块对设备进行冗余控制，无需外部电路，如图5。邯峰电厂对跳闸阀线圈采用冗余控制，相互冗余的输出卡件布置在不同控制层，共采用6块FDO卡件。另外设计两块冗余FDO与三块相互独立的FDI完成与锅炉、电气侧的跳闸信号传输。
2.2.2 跳闸回路设计
驱动跳闸电磁阀线圈的6块FDO卡件分别布置在：AC006、AC007、AD006、AD007、AE006、AE007。其中AC006和AE007相互冗余，控制所有主汽门的013跳闸电磁阀和冷在逆止门跳闸电磁阀;AD006和AC007相互冗余，控制所有主汽门的014跳闸电磁阀和高排泄放门跳闸电磁阀;AE006和AD007相互冗余，控制所有调门的013跳闸电磁阀;所有调门的014跳闸阀控制在DEH中实现。每块FDO中的两个电隔离组分别控制电磁阀的两个线圈，在卡件冗余的基础上又实现了冗余线圈供电的再次冗余。6块卡件的供电分别由6个安全性继电器（3TK2830-2CB30）控制，安全性继电器中每两个为一组，三组继电器组成三取二通过切断FDO卡件供电实现跳闸阀跳闸。跳闸回路设计图如图6：
2.2.3 跳闸过程设计
邯峰电厂ETS跳闸回路分硬跳闸回路与软跳闸回路，两套跳闸回路相互独立。
硬跳闸回路：通过对6个安全性继电器的控制来实现，在每组安全型继电器控制回路中分别接入超速系统一保护条件、超速系统二保护条件、打闸按钮保护条件，三个保护条件是串联关系，任何一个条件动作都将触发跳闸阀跳闸。共有三条回路控制6个安全性继电器，此三条回路采用三取二的动作方式，硬回路的跳闸不受软件控制，是ETS系统中保障设备安全的重要后备手段。硬回路跳闸设计图如图7。
软跳闸回路：主要包括汽轮机振动大、轴瓦温度高、凝汽器液位高等由DCS判断出的跳闸条件。以上条件触发后，都将通过逻辑判断使FDO输出置0，使跳闸阀失电动作。三大主机之间的大连锁跳闸也通过软回路实现，汽轮机跳闸信号在逻辑中判断后通过三路相互独立的硬接线送锅炉MFT控制柜，通过两路相互独立的硬接线分别送发变组保护A柜与发变组保护B柜。通过FDI卡件分别采集三路锅炉MFT信号与两路发电机保护信号，三路MFT信号在ETS控制器中进行三取二判断，两路发电机保护信号进行二取一判断后触发汽轮机软回路跳闸。
2.3 改造后调试
在电缆施工与逻辑下装完成后，依据信号IO清册，对跳闸阀的每一个控制线圈均进行了单独传动，确保了信号的正确性;对冗余卡件进行了单卡失电试验，失电后电磁阀未动作，验证了卡件的冗余型;对三组安全型继电器分进行单组失电试验，单组失电后跳闸阀未动作，两组继电器失电后跳闸阀动作，验证了安全型继电器组三取二的正确型;对汽轮机所有跳闸条件进行逐条试验，试验结果均正常。
3 改造后效果
ETS系统改造投运后，新ETS保护系统在实现原S5-95F保护系统所有功能的同时，摆脱了在日常巡检过程中S5-95F系统只能看卡件状态的束缚，新ETS系统实现了控制器与卡件状态DCS可实时监视、控制逻辑可实时查看的功能，且DEH控制器可以直接对跳闸阀进行控制，提高了汽轮机保护系统的安全性。T3000 ETS系统控制器可以直接与DCS系统自动生产网（下层网）进行数据交换，且ETS系统控制器与普通AP控制器为同型号，减少了DCS備件种类与数量。在机组改造后的ATT试验及停机过程中ETS系统均能正常动作。截至目前，邯峰电厂#2机组ETS系统已连续安全运行七百多天。
4 结束语
邯峰电厂完成两台机组ETS系统与DCS一体化改造后，投运以来两套ETS系统运行稳定可靠，彻底解决了S5-95F保护系统备件停产、模件老化、故障难排除等问题。新ETS系统完全纳入DCS系统网络后，在实现原跳闸系统功能的同时，实现了ETS逻辑中间点状态和动作记录实时查看等便于维护的功能，提高了热控保护系统的控制水平，具有明显的经济效益和社会效益，为同类型机组ETS系统与DCS一体化改造提供了实例借鉴及参考作用。
参考文献：
[1]DL_T 5428-2009火力发电厂热工保护系统设计技术规定.
[2]危利锋.汽轮机紧急跳闸系统（ETS）调试[J].电子技术与软件工程，2018（15）：99.
（作者单位：华能邯峰电厂）
【关键词】汽轮机;ETS;DCS一体化;ETS硬件;SPPA-T3000
0引言
汽轮机危急跳闸系统（ETS）是大型单元机组在生产过程中最重要的一环，它既是汽轮机电气跳闸的出口，也是机、炉、电大连锁保护中的核心环节，其运行安全与否直接影响到汽机的安全，因此汽轮机的ETS保护系统是发电厂对控制系统可靠性要求最高的一个子系统。
邯峰电厂的2×660MW汽轮机发电机组由SIEMENS公司制造，汽轮机为HMN-系列，单轴四排汽纯凝汽式反动式汽轮机。原ETS采用了SIMATIC S5-95F安全型可编程控制器进行控制，此种控制器在线查看逻辑十分困难，且无法查看逻辑中接点实时状态及动作记录中接点的翻转情况，因此当出现故障报警时很难解决。S5-95F系统已连续运行近二十年，模件老化严重，故障率逐年升高。自2017年至2019年，邯峰电厂相继对两台机组DCS控制系统进行了改造，新DCS控制系统使用西门子SPPA-T3000控制系统，在DCS改造的同时完成了汽轮机危急跳闸系统（ETS）纳入DCS一体化的改造工作。
1改造方案
1.1 跳闸阀工作原理
汽轮机的每个截止阀、控制阀的油动机有两个专用的跳闸电磁阀（Rexroth）。跳闸阀按照断电流工作原理和二选一逻辑来工作，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。任一跳闸磁阀失电时，都将截断高压供油，打开泄油通道，泄掉油动机里的压力油，油动机带动阀门快速关闭，切断汽源。每个专用跳闸电磁阀有两个独立的线圈，任一线圈通电都足以使跳闸电磁阀处于吸合状态，两线圈均失电后电磁阀跳闸。跳闸阀原理如图1：
1.2 SIMATIC S5-95F跳闸系统跳闸原理简介
邯峰电厂T2000汽轮机跳闸保护系统可以看成由汽机保护系统EPS（Electronic Protection System）、汽机跳闸系统TTS（Turbine Trip System）、跳闸电磁阀EHA（Electrohydraulic Vakve Actuators）三部分组成，其中EPS系统在DCS控制器中，TTS系统由SIMATIC S5-95F实现，EHA由就地设备组成。其中TTS系统在CJJ41机柜，EPS系统在CJJ31机柜，OPS系统在CJJ52机柜。TTS系统对跳闸信号进行选通、存储，并最终传递给跳闸电磁阀，控制阀门的状态。其原理图如图2：
在T2000 DCS控制系统中，S5-95F PLC控制系统通过专用的数据传输总线（L1总线）与DCS中一个控制器进行通讯，然后再通过该控制器传输数据到DCS系统，TTS系统在T2000 DCS中的网络拓扑图如图3：
1.3 SPPA-T3000 控制系统简介
SPPA-T3000控制系统是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个电站生产过程的控制系统，同时也提供了汽轮发电机跳闸保护功能。其中ETS控制部分采用一对冗余的6ES7410-5HX08-0AB0控制器，输出采用故障安全型输出模件SM326。T3000 ETS控制器直接与DCS自动生产网连接，其网络拓扑如图4，在机组运行期间可以在工程师站查看逻辑状态，具有良好的人机界面。
1.4 改造任务目标
改造后将拆除SIMATIC S5-95F汽机跳闸系统，建立SPPA-T3000汽机保护系统。将EPS、TTS、OPS三部分功能集中在一对控制器中实现，形成ETS系统。邯峰电厂曾出现过EPS和TTS通讯故障造成机组停机的事故，因此消除原三面机柜的通讯和硬接线部分，将有利于提高ETS系统稳定性。改造后，ETS保护逻辑将可以在DCS系统上实时查看。
2 改造方案设计与实施
2.1 测点清单统计
按新设计控制器分配方案，需统计以下IO清单：2个高压主汽门、2个高压调门、2个中压主汽門、2个中压调门、1个冷在逆止门、1个高排泄放门，锅炉MFT、电气保护、打闸按钮的硬接线接口，OPS系统的6个转速采集信号，以及汽轮机振动、轴瓦温度、凝汽器液位等共450个IO信号。
2.2 跳闸回路设计
2.2.1 输出模件配置设计
邯峰电厂西门子T3000系统中ETS输出采用故障安全型卡件SM326;DO 10×DC24V/2A。此类型模件具有10个输出，两个电隔离组（5个一组），支持两个不同的模块对设备进行冗余控制，无需外部电路，如图5。邯峰电厂对跳闸阀线圈采用冗余控制，相互冗余的输出卡件布置在不同控制层，共采用6块FDO卡件。另外设计两块冗余FDO与三块相互独立的FDI完成与锅炉、电气侧的跳闸信号传输。
2.2.2 跳闸回路设计
驱动跳闸电磁阀线圈的6块FDO卡件分别布置在：AC006、AC007、AD006、AD007、AE006、AE007。其中AC006和AE007相互冗余，控制所有主汽门的013跳闸电磁阀和冷在逆止门跳闸电磁阀;AD006和AC007相互冗余，控制所有主汽门的014跳闸电磁阀和高排泄放门跳闸电磁阀;AE006和AD007相互冗余，控制所有调门的013跳闸电磁阀;所有调门的014跳闸阀控制在DEH中实现。每块FDO中的两个电隔离组分别控制电磁阀的两个线圈，在卡件冗余的基础上又实现了冗余线圈供电的再次冗余。6块卡件的供电分别由6个安全性继电器（3TK2830-2CB30）控制，安全性继电器中每两个为一组，三组继电器组成三取二通过切断FDO卡件供电实现跳闸阀跳闸。跳闸回路设计图如图6：
2.2.3 跳闸过程设计
邯峰电厂ETS跳闸回路分硬跳闸回路与软跳闸回路，两套跳闸回路相互独立。
硬跳闸回路：通过对6个安全性继电器的控制来实现，在每组安全型继电器控制回路中分别接入超速系统一保护条件、超速系统二保护条件、打闸按钮保护条件，三个保护条件是串联关系，任何一个条件动作都将触发跳闸阀跳闸。共有三条回路控制6个安全性继电器，此三条回路采用三取二的动作方式，硬回路的跳闸不受软件控制，是ETS系统中保障设备安全的重要后备手段。硬回路跳闸设计图如图7。
软跳闸回路：主要包括汽轮机振动大、轴瓦温度高、凝汽器液位高等由DCS判断出的跳闸条件。以上条件触发后，都将通过逻辑判断使FDO输出置0，使跳闸阀失电动作。三大主机之间的大连锁跳闸也通过软回路实现，汽轮机跳闸信号在逻辑中判断后通过三路相互独立的硬接线送锅炉MFT控制柜，通过两路相互独立的硬接线分别送发变组保护A柜与发变组保护B柜。通过FDI卡件分别采集三路锅炉MFT信号与两路发电机保护信号，三路MFT信号在ETS控制器中进行三取二判断，两路发电机保护信号进行二取一判断后触发汽轮机软回路跳闸。
2.3 改造后调试
在电缆施工与逻辑下装完成后，依据信号IO清册，对跳闸阀的每一个控制线圈均进行了单独传动，确保了信号的正确性;对冗余卡件进行了单卡失电试验，失电后电磁阀未动作，验证了卡件的冗余型;对三组安全型继电器分进行单组失电试验，单组失电后跳闸阀未动作，两组继电器失电后跳闸阀动作，验证了安全型继电器组三取二的正确型;对汽轮机所有跳闸条件进行逐条试验，试验结果均正常。
3 改造后效果
ETS系统改造投运后，新ETS保护系统在实现原S5-95F保护系统所有功能的同时，摆脱了在日常巡检过程中S5-95F系统只能看卡件状态的束缚，新ETS系统实现了控制器与卡件状态DCS可实时监视、控制逻辑可实时查看的功能，且DEH控制器可以直接对跳闸阀进行控制，提高了汽轮机保护系统的安全性。T3000 ETS系统控制器可以直接与DCS系统自动生产网（下层网）进行数据交换，且ETS系统控制器与普通AP控制器为同型号，减少了DCS備件种类与数量。在机组改造后的ATT试验及停机过程中ETS系统均能正常动作。截至目前，邯峰电厂#2机组ETS系统已连续安全运行七百多天。
4 结束语
邯峰电厂完成两台机组ETS系统与DCS一体化改造后，投运以来两套ETS系统运行稳定可靠，彻底解决了S5-95F保护系统备件停产、模件老化、故障难排除等问题。新ETS系统完全纳入DCS系统网络后，在实现原跳闸系统功能的同时，实现了ETS逻辑中间点状态和动作记录实时查看等便于维护的功能，提高了热控保护系统的控制水平，具有明显的经济效益和社会效益，为同类型机组ETS系统与DCS一体化改造提供了实例借鉴及参考作用。
参考文献：
[1]DL_T 5428-2009火力发电厂热工保护系统设计技术规定.
[2]危利锋.汽轮机紧急跳闸系统（ETS）调试[J].电子技术与软件工程，2018（15）：99.
（作者单位：华能邯峰电厂）