白福常

(沙角C電廠，廣東 東莞 523936)

1 ETS電源模塊改造的原因

汽輪機危急跳閘系統(tǒng)(emergency trip system，ETS)是監(jiān)視、保護汽輪發(fā)電機組安全運行的重要裝置，它能快速準確、安全可靠地監(jiān)測機組運行過程中的一些重要參數(shù)，當(dāng)某些參數(shù)超過機組運行限制值時，經(jīng)邏輯處理后，該系統(tǒng)將關(guān)閉全部汽輪機蒸汽進汽閥門，完成汽輪機危急跳閘，以保證汽輪機發(fā)電設(shè)備安全運行。ETS監(jiān)控的參數(shù)異常有汽機超速、軸承潤滑油壓力過低、抗燃油(EH油)壓力過低、凝汽器真空過低、汽輪機監(jiān)視儀表(TSI)機械跳閘、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)電源故障、DEH調(diào)門故障關(guān)閉、DEH軟跳閘、鍋爐主燃料跳閘(MFT)、發(fā)電機跳閘、集控室手動緊急停機等。一個典型的ETS系統(tǒng)由以下幾部分組成：1個裝有跳閘電磁閥和狀態(tài)壓力開關(guān)的危急跳閘控制塊、3個裝有試驗電磁閥和壓力開關(guān)的試驗塊、電源模塊、PLC(可編程邏輯控制器)、繼電器、操作盤等。ETS在汽輪機保護方面有著廣泛的應(yīng)用，作為汽輪發(fā)電機組最重要的監(jiān)視保護系統(tǒng)，電源對其可靠性的影響不言而喻。沙角C電廠ETS電源模塊為某主機廠配套的QH-204型，經(jīng)過幾年運行，3臺機組有多塊24 V電源模塊損壞。每次電源模塊出現(xiàn)問題都會引起一級報警，解決的辦法也只能是更換新的電源模塊，所以不得不準備較多的備用品，總體來說成本壓力較大。筆者閱讀了大量文獻，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)過由電源引起的24 V電源報警、現(xiàn)場電磁閥損壞、非計劃停機等問題，用戶反饋不好?？紤]到專用電源模塊價格昂貴、可靠性差，經(jīng)多方調(diào)研和慎重考慮后，決定對整套電源模塊進行改造。

2 原電源模塊分析

沙角C電廠3臺機組的ETS均配置2組一樣的AB公司生產(chǎn)的PLC，運行相同的程序，接受相同的輸入信號，所有輸出并聯(lián)接入繼電器的線圈驅(qū)動回路驅(qū)動現(xiàn)場設(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個機籠里。220 V電源模塊前面板帶有空氣開關(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，切換繼電器若長時間帶電，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)電源獨立輸入，若一路失電，可由切換器自動切換至另外一路。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)動電源。該電源模塊可實現(xiàn)220 VAC和24 VDC冗余功能，可對任一路電源的喪失進行報警。圖2為原系統(tǒng)接線圖。

圖2 原系統(tǒng)接線圖

對24 V電源模塊進行拆解，發(fā)現(xiàn)里面包含的是某個廠家生產(chǎn)的較低端的開關(guān)電源產(chǎn)品，某主機廠加了專用模塊的外殼，并把接線端子做成了插座。2個24 V電源模塊靠在一起，僅靠機柜風(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)運行的，不可靠的電源產(chǎn)品必然會對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臺機組的ETS由2路UPS 220 VAC獨立供電，后送入2套獨立的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程中會有幾十毫秒的失電，從而導(dǎo)致機組跳閘。在平常大小修的電源切換試驗中，電源多次切換不成功，也就是說220 VAC電源冗余功能基本形同虛設(shè)。因電源問題引起的機組跳閘屬于非計劃停運，發(fā)電廠會因此面臨比較大的經(jīng)濟損失和指標考核壓力。已有的文獻也指出，在上電的過程中220 VAC電源輸出存在瞬間疊加的情況，使得輸出電壓達到400 VAC，從而造成負載損壞，有時甚至造成上級電源開關(guān)跳閘。為此，針對這些情況進行試驗，試驗結(jié)果表明這種情況確實存在。一般的24 V開關(guān)電源最大耐受電壓為250 VAC，筆者分析認為，這也是24 V電源模塊損壞的一個原因。

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，并不會造成保護的勿動或拒動?；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，這種方案簡潔，可以有效避免220 VAC電源切換不成功造成的汽輪機跳閘。所以，這種方案不但不會降低ETS的可靠性，反而會增加它的平均故障間隔時間(MTBF)。

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

開關(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介紹，開關(guān)電源冗余模塊1606-XLERED通過各種新功能可確保極高的系統(tǒng)可用性，電流平衡技術(shù)使負載電流自動平均分配到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1606-XLE120EE和1個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)接入原來的接線端子。直流電源的并聯(lián)不會引起輸出的疊加和跳變，這種直流電源并聯(lián)運行的方案可以提高24 VDC輸出的可靠性。每組中2個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，且原來的失電報警保持不變。圖3為改造方案的示意圖。

QH-204型電源采用機籠安裝，而機籠又裝在機柜里，ETS長時間連續(xù)運行，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個電源模塊之間都留有至少2 cm的間隙。根據(jù)產(chǎn)品說明書，其具有發(fā)熱量小這一特點，這對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，強制了相關(guān)跳閘信號，在機組掛閘條件下進行了試驗。模擬單路電源失去，結(jié)果一套PLC失電，另一套PLC正常運行，24 VDC輸出無影響無跳變，ETS可正常運行，未發(fā)出跳閘信號。模擬一個電源冗余模塊1606-XLERED損壞的情況，結(jié)果2套PLC均未受到影響，24 VDC輸出無影響無跳變，ETS可正常運行，未發(fā)出跳閘信號。試驗結(jié)果符合設(shè)計意圖，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)用了某主機廠配套的ETS電源模塊QH-204型。通過閱讀文獻及與同行交流發(fā)現(xiàn)，QH-204型存在著普遍的較嚴重的問題，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QH-204型電源的各個模塊進行拆解，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的電路簡單，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。對比羅克韋爾、菲尼克斯等大廠生產(chǎn)的電源模塊，筆者認為，對QH-204型電源進行改造，對于提高ETS電源的可靠性有著積極的意義。很多發(fā)電廠可能出于對原設(shè)計的尊重仍然采用QH-204型電源，若要購買足夠的備件，就必然造成成本上升和庫存壓力。

本文介紹的專用電源模塊改通用電源模塊的方案，可提高機組ETS電源的可靠性。在備件的采購方面，會有多個供貨商可以選擇，這樣減少了對單一供貨渠道的依賴，進而能有效降低采購的價格，可取得很好的經(jīng)濟效益。

在近3年的實際運行中沒有出現(xiàn)任何問題，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臺機組。沙角C電廠給水泵TSI卡件的電源也為24 VDC，因為該型號卡件專用電源模塊為10年前的產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)采購不到備件。采用本方案也獲得了滿意的效果。

5 結(jié)語

本方案對于24 VDC專用冗余電源模塊具有一定的普適性，安裝簡單，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，所以不必對單一品牌產(chǎn)生依賴，這對于相同或相近的控制系統(tǒng)電源具有廣泛推廣的價值。