T3000系統給水泵汽機轉速信號跳變的分析及處理

時標，孫魏/文 華能金陵發電廠

摘要：對華能金陵發電廠2號機組2B給水泵汽機跳閘原因進行分析，發現西門子DCS系統（T3000）的轉速測量卡與CPU在某些情況下會發生通信故障，從而引起轉速信號跳變，造成設備跳閘。對隨后開展的T3000 控制系統升級維護、給水泵汽機超速保護邏輯和轉速控制邏輯優化措施做了詳細介紹，并對遺留問題進行了探討。

1 給水泵汽機超速保護系統

華能金陵發電廠2 號機組MEH（給水泵汽機電液調節系統）和METS（給水泵汽機緊急跳閘系統）集成在機組DCS（分散控制系統）內，控制系統采用德國西門子SPPA-T3000 現場總線型分散控制系統，由西門子電站自動化有限公司設計生產，控制器采用冗余配置，現場設備采用現場總線和常規控制相結合的方式來實現。

每臺給水泵汽機配置5 路轉速測量探頭，轉速探頭采用EPRO 公司生產的磁阻式轉速探頭，轉速處理模塊采用BRAUN 公司生產的超速保護模塊D521，1 個轉速探頭對應1 個超速保護模塊。超速保護模塊采用直流24 V供電方式，電源取自冗余24 V電源處理模塊。超速保護模塊D521 可同時輸出脈沖信號、模擬量信號及繼電器接點信號，輸出脈沖頻率與輸入頻率完全相同，可選20 mA/10 V模擬量輸出，最多可選4個接點輸出。給水泵轉速信號經超速保護模塊D521 處理后，以脈沖量方式送入DCS 控制器，每臺給水泵配置3塊轉速測量模塊FM350，其中給水泵轉速1、轉速4 送入轉速輸入模塊1，轉速2、轉速5 送入轉速輸入模塊2，轉速3 送入轉速輸入模塊3，轉速輸入模塊3通道2備用（已組態，未接線），轉速輸入模塊FM350 分別布置在不同ET200M 子站中，符合分散布置原則。汽動給水泵轉速1、轉速2、轉速3 在DCS 中分別進行超速保護判斷后輸出超速保護信號（保護定值：6300 r/min），經三取二保護邏輯觸發超速保護動作，經三取中處理模塊輸出值做轉速閉環調節，測量原理如圖1所示。

2 給水泵汽機跳閘經過

某日16:34，2 號機組負荷818 MW，給水泵汽機2A和2B運行，磨煤機A，B，C，D，E，F運行，2 號機給水泵汽機2B 跳閘時刻為16:34:47，首出為”超速保護動作”，機組RB動作正常，聯鎖跳閘磨煤機A，B 及C，燃料量減至176 t/h，爐膛負壓最大至-600 Pa，省煤器入口給水流量降至1 700 t/h，蒸氣過熱度最高到70℃，主汽蒸氣壓力降至13.6 MPa，負荷減至515 MW，主再熱汽溫未出現超溫現象。給水泵汽機2B 跳閘前后相關參數歷史趨勢如圖2 所示。

從圖2可以看出，給水泵汽機跳閘前，給水泵汽機2B 低壓調門指令為50%、閥門反饋45%，汽泵2B 給水流量1 210 t/h，給水泵轉速指令4 973r/min，實際轉速4 916 r/min，數值穩定。16:34:45，給水泵汽機2B 轉速探頭1 顯示”U4970”，給水泵汽機2B 轉速變”B”點（壞質量點）；16:34:47，給水泵汽機2B 轉速突變為”2147480”，給水泵汽機ETS 跳閘指令發出，閥位指令突降到0；至16:34:48，給水泵汽機2B 低壓調門閥位反饋到0，轉速降到4 766 r/min，給水泵流量降到946.7 t/h，此后給水泵汽機2B 惰走正常。

3 給水泵汽機跳閘原因分析

查詢DCS報警記錄和相關歷史趨勢，結合轉速異常曲線（如圖3所示），發現給水泵汽機2B跳閘前機組運行穩定，出力為1 150 t/h，轉速穩定在4 970 r/min 左右，系統無異常，運行人員無相關操作；16:34:45 起，給水泵汽機2B 1-5 轉速信號出現異常；6:34:45.168，轉速2、轉速5 變為”B”點，轉速值仍在4 970 r/min；16:34:45.578，轉速1，4，3 也變為B 點，其中和轉速3 在同一轉速卡件FM350上的備用轉速通道輸出值也變為B 點；16:34:46.750，轉速2，5，3 突變到2 147480r/min（轉速替代值）；16:34:47.113，給水泵汽機2B因超速保護動作跳閘，0.5 s 后轉速恢復正常并緩慢下降。

給水泵汽機2B跳閘后的運行過程顯示，跳閘是由于給水泵汽機轉速信號異常造成的，而導致轉速信號異常的原因可能有轉速測量探頭故障、超速保護卡D521 故障或其電源異常、信號干擾、DCS 系統數據采集異常等。隨后開展事故調查和試驗，排查可能引起轉速信號跳變的因素。

（1）轉速測量探頭故障。

就地轉速探頭、汽機電子間檢查給水泵汽機2B 轉速探頭、2 號機汽機電子間轉速模塊D521均未發現異常。5 路轉速測量裝置在短時間內同時故障的可能性幾乎不存在，且給水泵汽機2B重新啟動后轉速信號測量正常，因此可以排除轉速測量探頭故障導致轉速信號異常的可能。

（2）超速保護卡D521 故障。

對超速保護卡D521進行電源中斷試驗，DCS系統顯示給水泵汽機轉速直接下降到0，沒有出現轉速信號增大的情況，現場超速保護卡D521電源回路接線緊固，且和轉速3 在同一轉速卡件FM350上的備用轉速通道輸出值也變為B 點，因此判斷不是超速保護卡D521 異常導致給水泵汽機轉速突增。

（3）干擾信號串入測量回路。

詢問運行人員得知，故障發生時給水泵汽機2B 附近及汽機電子間無人員在工作，也無設備啟停操作。通過在就地轉速探頭處及DCS 機柜處用對講機做射頻干擾試驗，給水泵汽機轉速信號輸出正常無變化，且當時運行人員未進行大的電氣設備操作，現場無電焊等作業，未在就地探頭及電子間使用對講機等無線通信裝置，因此干擾信號串入引起轉速突增的可能也可排除。

（4）DCS系統數據采集異常。

至此，基本可以判斷DCS 系統數據采集異常是導致此次給水泵汽機2B 跳閘的直接原因。通過對相應控制器的診斷信息檢查發現：08:34:43.497（控制器和操作員站時鐘均取自控制系統主時鐘模塊，即格林威治時間，控制器中時鐘未調整，操作員站中時鐘已調整到北京時間，因此存在8個小時的時差，上述控制器時間對應北京時間16:34:43.497），AP218 控制器報”Module problem or maintenancenecessary”；08:34:45.071，控制器發出”Module/InterfaceModule removed/cannot be addressed”，對應子站地址為6，隨后控制器發”I/O access error when updating the process image in-put tableentering state”報警。從報警信息看出，控制器CPU 在和子站進行數據讀取時無法訪問轉速輸入模塊FM350，在進行多次訪問失敗后，用默認值2 147 480 r/min代替給水泵汽機實際轉速，當對3 個轉速輸入模塊FM350 進行讀取都出現上述故障時，造成轉速信號采集異常，引起給水泵汽機2B 超速保護動作。南京西門子公司技術人員通過現場檢查，發現DCS控制器固件版本較低，存在一定的安全隱患，在極少數情況下會造成控制器與下層模件數據讀寫異常，建議對DCS 控制器固件版本進行升級。

4 采取的優化措施

在確認轉速卡與控制系統CPU 之間的通信故障引發給水泵汽輪機轉速信號跳變后，為了避免類似的保護誤動再次發生，除了對DCS 控制系統的固件版本進行升級外，還對給水泵汽輪機超速保護回路中的轉速信號進行優化組合，并將超速卡中的轉速信號以4～20 mA 方式送至DCS。

具體的優化措施如下：

（1）為了從根本上解決DCS 控制器和下層模塊數據讀寫存在的隱患，安排在機組檢修期間對機組DCS 控制器固件版本進行升級，提高DCS系統可靠性。

（2）對給水泵汽機超速保護回路進行完善，避免因給水泵汽機轉速信號采樣異常導致超速保護誤動。具體措施為：在給水泵汽機超速保護卡D521 中對轉速信號進行判斷，當轉速大于6 300r/min 時，輸出給水泵汽機超速保護動作開關量信號到DCS，在DCS 中和該路轉速模擬量判斷后的超速跳閘信號相與，再經過三取二保護邏輯觸發給水泵汽機超速保護動作，給水泵超速保護跳閘原理如圖4 所示。

（3）優化給水泵汽機轉速控制回路，防止因給水泵汽機轉速信號采樣異常導致轉速信號突變，引起機組給水調節異常波動，即當給水泵汽機三取中轉速信號大于6 000 r/min 時退出轉速自動調節，切換到給水泵汽機調門閥位開環控制，維持機組給水正常。

5 結論

經采取上述防范措施后，有效避免了因DCS轉速采集值跳變引起給水泵汽機跳閘或自動調節異常的情況，但并沒有從根本上解決送至DCS的給水泵汽機轉速信號突變的問題。2015 年6月10 日，2 號機給水泵汽機2B 測量轉速突變到2 147 480 r/min（轉速替代值），過程和現象與第一次給水泵汽機RB 時一致，由于采取了相應防范措施，未對給水泵汽機運行造成影響。現已經聯系西門子廠家協助分析，以便徹底解決給水泵汽機轉速采集異常問題。

從目前情況來看，控制器固件版本升級并沒有徹底解決給水泵轉速采集異常的問題，同時考慮該廠1 號機組及2 號機組給水泵A 也采用了相同的軟硬件配置，并未出現類似問題，2 號機組給水泵B 出現異常為偶發性異常，因此懷疑為控制器長時間運行后寄存器存儲異常造成，計劃在機組檢修時更換DCS 控制器寄存器，同時對寄存器進行初始化并重新裝載。

參考文獻

【1】張華磊，羅志浩.基于熱工控制優化的電泵電流波動問題解決辦法[J].浙江電力，2012（10）:45-47.

注：原文發表于《浙江電力》2016年第4期，原文標題：給水泵汽機轉速信號跳變的分析及處理

與君共勉：山林是勝地，一營戀變成市朝；書畫是雅事，一貪癡便成商賈。蓋心無染著，欲境是仙都；心有系戀，樂境成苦海矣。