汽輪機(jī)ETS專用電源模塊改通用電源模塊

白福常

(沙角C電廠，廣東 東莞 523936)

1 ETS電源模塊改造的原因

汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)(emergency trip system，ETS)是監(jiān)視、保護(hù)汽輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要裝置，它能快速準(zhǔn)確、安全可靠地監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的一些重要參數(shù)，當(dāng)某些參數(shù)超過(guò)機(jī)組運(yùn)行限制值時(shí)，經(jīng)邏輯處理后，該系統(tǒng)將關(guān)閉全部汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽閥門(mén)，完成汽輪機(jī)危急跳閘，以保證汽輪機(jī)發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行。ETS監(jiān)控的參數(shù)異常有汽機(jī)超速、軸承潤(rùn)滑油壓力過(guò)低、抗燃油(EH油)壓力過(guò)低、凝汽器真空過(guò)低、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表(TSI)機(jī)械跳閘、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)電源故障、DEH調(diào)門(mén)故障關(guān)閉、DEH軟跳閘、鍋爐主燃料跳閘(MFT)、發(fā)電機(jī)跳閘、集控室手動(dòng)緊急停機(jī)等。一個(gè)典型的ETS系統(tǒng)由以下幾部分組成：1個(gè)裝有跳閘電磁閥和狀態(tài)壓力開(kāi)關(guān)的危急跳閘控制塊、3個(gè)裝有試驗(yàn)電磁閥和壓力開(kāi)關(guān)的試驗(yàn)塊、電源模塊、PLC(可編程邏輯控制器)、繼電器、操作盤(pán)等。ETS在汽輪機(jī)保護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用，作為汽輪發(fā)電機(jī)組最重要的監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)，電源對(duì)其可靠性的影響不言而喻。沙角C電廠ETS電源模塊為某主機(jī)廠配套的QH-204型，經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行，3臺(tái)機(jī)組有多塊24 V電源模塊損壞。每次電源模塊出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)引起一級(jí)報(bào)警，解決的辦法也只能是更換新的電源模塊，所以不得不準(zhǔn)備較多的備用品，總體來(lái)說(shuō)成本壓力較大。筆者閱讀了大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)很多應(yīng)用QH-204型電源模塊的發(fā)電廠都出現(xiàn)過(guò)由電源引起的24 V電源報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)電磁閥損壞、非計(jì)劃停機(jī)等問(wèn)題，用戶反饋不好?？紤]到專用電源模塊價(jià)格昂貴、可靠性差，經(jīng)多方調(diào)研和慎重考慮后，決定對(duì)整套電源模塊進(jìn)行改造。

2 原電源模塊分析

沙角C電廠3臺(tái)機(jī)組的ETS均配置2組一樣的AB公司生產(chǎn)的PLC，運(yùn)行相同的程序，接受相同的輸入信號(hào)，所有輸出并聯(lián)接入繼電器的線圈驅(qū)動(dòng)回路驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。圖1為原系統(tǒng)框圖。QH-204型電源包含2塊220 V電源模塊、2塊24 V電源模塊，組裝在1個(gè)機(jī)籠里。220 V電源模塊前面板帶有空氣開(kāi)關(guān)。QH-204型電源采用分槽插卡式結(jié)構(gòu)，4塊卡件緊緊挨在一起。所有卡件為雙面印刷電路板手工焊接，分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，切換繼電器若長(zhǎng)時(shí)間帶電，存在隱患且故障率高。

圖1 原系統(tǒng)配置框圖

供電由2路不間斷電源(UPS)220 V交流(AC)電源獨(dú)立輸入，若一路失電，可由切換器自動(dòng)切換至另外一路。2路220 VAC輸出分別送至2套PLC。220 VAC經(jīng)24 V電源模塊生成24 VDC電源，2路24 VDC電源并聯(lián)輸出，作為PLC卡件的巡檢電源和繼電器的驅(qū)動(dòng)電源。該電源模塊可實(shí)現(xiàn)220 VAC和24 VDC冗余功能，可對(duì)任一路電源的喪失進(jìn)行報(bào)警。圖2為原系統(tǒng)接線圖。

圖2 原系統(tǒng)接線圖

對(duì)24 V電源模塊進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)里面包含的是某個(gè)廠家生產(chǎn)的較低端的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，某主機(jī)廠加了專用模塊的外殼，并把接線端子做成了插座。2個(gè)24 V電源模塊靠在一起，僅靠機(jī)柜風(fēng)扇散熱。這種安裝和散熱形式也影響了電源模塊的壽命。除了檢修以外，ETS是24 h不間斷連續(xù)運(yùn)行的，不可靠的電源產(chǎn)品必然會(huì)對(duì)ETS的可靠性產(chǎn)生巨大的影響。

3 電源模塊改造方案

沙角C電廠3臺(tái)機(jī)組的ETS由2路UPS 220 VAC獨(dú)立供電，后送入2套獨(dú)立的PLC。大量的調(diào)研顯示，某些220 V交流電源切換器在主電源失電切換到備用電源的過(guò)程中會(huì)有幾十毫秒的失電，從而導(dǎo)致機(jī)組跳閘。在平常大小修的電源切換試驗(yàn)中，電源多次切換不成功，也就是說(shuō)220 VAC電源冗余功能基本形同虛設(shè)。因電源問(wèn)題引起的機(jī)組跳閘屬于非計(jì)劃停運(yùn)，發(fā)電廠會(huì)因此面臨比較大的經(jīng)濟(jì)損失和指標(biāo)考核壓力。已有的文獻(xiàn)也指出，在上電的過(guò)程中220 VAC電源輸出存在瞬間疊加的情況，使得輸出電壓達(dá)到400 VAC，從而造成負(fù)載損壞，有時(shí)甚至造成上級(jí)電源開(kāi)關(guān)跳閘。為此，針對(duì)這些情況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明這種情況確實(shí)存在。一般的24 V開(kāi)關(guān)電源最大耐受電壓為250 VAC，筆者分析認(rèn)為，這也是24 V電源模塊損壞的一個(gè)原因。

UPS電源本身已經(jīng)很可靠，而且2套PLC即使有一路失電，另外一路也可以正常工作，并不會(huì)造成保護(hù)的勿動(dòng)或拒動(dòng)?；谝陨戏治觯瑳Q定取消220 V電源的切換器，由2路UPS 220 VAC分別接入2套PLC的電源模塊，這種方案簡(jiǎn)潔，可以有效避免220 VAC電源切換不成功造成的汽輪機(jī)跳閘。所以，這種方案不但不會(huì)降低ETS的可靠性，反而會(huì)增加它的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。

由于在ETS實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中有多塊24 V電源模塊損壞，所以改造方案的重點(diǎn)是提高24 V電源輸出的可靠性。將多個(gè)品牌的產(chǎn)品進(jìn)行比較，從沙角C電廠對(duì)羅克韋爾產(chǎn)品的使用體驗(yàn)和其他用戶的口碑方面評(píng)估，筆者最終選擇了羅克韋爾的開(kāi)關(guān)電源模塊1606-XLE120EE和開(kāi)關(guān)電源冗余模塊1606-XLERED組成新的電源模塊組。

開(kāi)關(guān)電源模塊1606-XLE120EE的輸入電壓為180～264 VAC，輸出電壓為24～28 VDC，輸出電流為5 A。開(kāi)關(guān)電源冗余模塊1606-XLERED輸入電壓為24～60 VDC，2路直流電壓輸入，輸出電流為10 A。根據(jù)羅克韋爾的用戶手冊(cè)介紹，開(kāi)關(guān)電源冗余模塊1606-XLERED通過(guò)各種新功能可確保極高的系統(tǒng)可用性，電流平衡技術(shù)使負(fù)載電流自動(dòng)平均分配到2路電源，從而倍增電源的可靠性和使用壽命。

具體方案是使用2個(gè)1606-XLE120EE和1個(gè)1606-XLERED組成一組，輸出24 VDC。2組這樣的電源模塊輸出2組24 VDC并聯(lián)接入原來(lái)的接線端子。直流電源的并聯(lián)不會(huì)引起輸出的疊加和跳變，這種直流電源并聯(lián)運(yùn)行的方案可以提高24 VDC輸出的可靠性。每組中2個(gè)1606-XLE120EE采用不同的UPS 220 V電源輸入，這樣就保證了在一路UPS 220 V失電或者一個(gè)電源冗余模塊1606-XLERED損壞的情況下仍然能夠保證可靠的供電，且原來(lái)的失電報(bào)警保持不變。圖3為改造方案的示意圖。

QH-204型電源采用機(jī)籠安裝，而機(jī)籠又裝在機(jī)柜里，ETS長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，散熱不好，這也是電源模塊損壞的原因之一。新的電源模塊改造方案采用導(dǎo)軌安裝，每2個(gè)電源模塊之間都留有至少2 cm的間隙。根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，其具有發(fā)熱量小這一特點(diǎn)，這對(duì)于提高電源的可靠性有積極的意義。

4 電源模塊改造方案效果

改造后，強(qiáng)制了相關(guān)跳閘信號(hào)，在機(jī)組掛閘條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。模擬單路電源失去，結(jié)果一套PLC失電，另一套PLC正常運(yùn)行，24 VDC輸出無(wú)影響無(wú)跳變，ETS可正常運(yùn)行，未發(fā)出跳閘信號(hào)。模擬一個(gè)電源冗余模塊1606-XLERED損壞的情況，結(jié)果2套PLC均未受到影響，24 VDC輸出無(wú)影響無(wú)跳變，ETS可正常運(yùn)行，未發(fā)出跳閘信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)意圖，改造取得了成功。

圖3 改造方案示意圖

目前，很多發(fā)電廠應(yīng)用了某主機(jī)廠配套的ETS電源模塊QH-204型。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)及與同行交流發(fā)現(xiàn)，QH-204型存在著普遍的較嚴(yán)重的問(wèn)題，有的體現(xiàn)為220 V切換器損壞，有的體現(xiàn)為24 V電源模塊損壞。對(duì)QH-204型電源的各個(gè)模塊進(jìn)行拆解，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的電路簡(jiǎn)單，電子元器件和繼電器等都不是知名廠家生產(chǎn)，焊接也較為粗糙。對(duì)比羅克韋爾、菲尼克斯等大廠生產(chǎn)的電源模塊，筆者認(rèn)為，對(duì)QH-204型電源進(jìn)行改造，對(duì)于提高ETS電源的可靠性有著積極的意義。很多發(fā)電廠可能出于對(duì)原設(shè)計(jì)的尊重仍然采用QH-204型電源，若要購(gòu)買(mǎi)足夠的備件，就必然造成成本上升和庫(kù)存壓力。

本文介紹的專用電源模塊改通用電源模塊的方案，可提高機(jī)組ETS電源的可靠性。在備件的采購(gòu)方面，會(huì)有多個(gè)供貨商可以選擇，這樣減少了對(duì)單一供貨渠道的依賴，進(jìn)而能有效降低采購(gòu)的價(jià)格，可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

在近3年的實(shí)際運(yùn)行中沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，證明本方案具有很高的可靠性。目前本方案已經(jīng)推廣至沙角C電廠3臺(tái)機(jī)組。沙角C電廠給水泵TSI卡件的電源也為24 VDC，因?yàn)樵撔吞?hào)卡件專用電源模塊為10年前的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)采購(gòu)不到備件。采用本方案也獲得了滿意的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本方案對(duì)于24 VDC專用冗余電源模塊具有一定的普適性，安裝簡(jiǎn)單，改造難度低，而且導(dǎo)軌安裝發(fā)熱小，占用空間不大，此外，大品牌的電源模塊具有很高的可靠性，價(jià)格適中。已經(jīng)有多家公司的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的冗余供電功能，所以不必對(duì)單一品牌產(chǎn)生依賴，這對(duì)于相同或相近的控制系統(tǒng)電源具有廣泛推廣的價(jià)值。