丁 强
中石化安庆石化分公司 安徽省安庆市 246000
摘要：简要介绍了安庆石化新建的一台透平膨胀机异步发电机组的控制方式，通过机组试运行时因PLC掉电导致膨胀机超速“飞车”的一起故障现象，结合PLC梯形图详细分析了故障原因，提出了解决方案。
关键词：发电机组 功率保护 PLC梯形图 原因分析 处理措施
1 概述
为开展“能效倍增”活动，安庆石化在二联合区域新建了一台透平膨胀机异步发电机组，该机组采用有机朗肯循环发电技术，利用酸性水汽提装置的净化水余热进行发电，有机工质异丁烷在蒸发器中与净化水进行换热并被蒸发，异丁烷蒸汽进入膨胀机膨胀做功，带动三相异步发电机发电。三相异步发电机功率1200kW，额定电压6kV，额定转速3000r/min，发电并网至SS604变电所6kV系统。
2 发电机组控制方式
2.1 采用西门子S7-300 PLC控制机组正常开停机、正常运行及异常工况下的紧急停机。PLC采集到的信号不仅在PLC触摸屏上实现现场监视，还通过RS485通讯远传至中控室DCS 以满足远程监视、实时数据归档和历史数据查询的功能。PLC电源模块所需交流220V电源由UPS提供。
2.2 机组起动
开启PLC 触摸屏操作界面，使系统处于手动控制状态。工艺做好启动膨胀机前的准备操作后，手动打开膨胀机入口调节切断阀XV3302，关闭旁通切断阀XV3303，有机工质蒸汽进入到透平膨胀机进行冲转，从而带动异步发电机旋转。机组起动前入口阀XV3302关闭（常闭型），旁通阀XV3303打开（常开型）。
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2.3 发电机并网
膨胀机带动发电机运转后，通过调节入口调节切断阀XV3302的开度，膨胀机转速慢慢升高，当两个膨胀机转速传感器A和B同时测得转速在2950～3050rpm之间时，PLC输出允许并网信号通过硬接点送至发电机断路器合闸控制回路，此时手动按并网合闸按钮，发电机断路器合闸，发电机并网，随后通过调节XV3302的开度逐步调整输出功率大小。
2.4 联锁保护停机
a. 机组转速超过规定限值3150rpm；
b. 机组振动增大，振幅达到或超过规定的限值；
c. 轴位移偏离规定限值；
d. 润滑油系统供油压力低于规定限值；
e. 发电机输出功率超过规定限值1320kW；
f. 运行过程中突然脱网。
机组运行时出现上述任一信号将触发联锁保护信号（PLC内部M0.5中间继电器）紧急停机，紧急停机原则是PLC指令迅速关闭膨胀机入口切断阀XV3302、快速打开旁通切断阀XV3303，此时发电功率立即减小，当发电功率减至3kW及以下时，PLC发出脱网指令，并网柜断路器跳闸，发电机自动脱网。
2.5 功率保护设置
发电机是向电网输出电能，功率方向由发电机流向母线（正功率），如果出现从电网吸收电能，发电机变成电动机运行，功率的方向由母线流向发电机，这就是逆功率。本机组设置有两种功率保护：程序正向低功率跳闸和电气逆功率跳闸，程序正向低功率跳闸启动于发电机输出正向低功率，发电机处于发电状态，并且发电机处于零功率、逆功率状态也会动作；电气逆功率跳闸启动于发电机逆功率，发电机处于电动机状态 [1]。
2.5.1 程序正向低功率跳闸
当发电机异常跳闸时，若入口阀门误打开，此时有蒸汽通过膨胀机，膨胀机和发电机将超速运转从而导致转子飞车，所以采取程序跳闸方式。程序跳闸正向低功率保护严格来说是一种停机方式，由PLC程序实现。所谓程序是先关闭膨胀机入口切断阀XV3302，余汽做功，造成发电机正向低功率，待正向功率低于设定值3kW时才能跳开发电机断路器。
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2.5.2 电气逆功率保护
发电机在正常运行时如果失去了原动机动力，发电机将变为电动机运行，从电网吸收电能驱动膨胀机运转，这种情况会因无蒸汽运行导致膨胀机叶片过热，所以只有在发电机开始吸收系统有功功率时才能短延时跳开发电机断路器【2】。逆功率保护通过西门子7SJ686-A微机综保装置实现，当综保检测到逆功率降到整定值60kW时，延时5S发电机断路器跳闸。
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3 机组超速故障经过、原因分析及处理措施
3.1 故障经过
2020年4月23日下午13:53分左右，膨胀机异步发电机组试运行时， PLC突然掉电，PLC输入输出中断，膨胀机入口切断阀XV3302关闭，旁路切断阀XV3303打开，膨胀机转速下降至2950转/分钟左右时，发电机电气逆功率保护动作，延时5S后发电机断路器跳闸。脱网后PLC又突然恢复供电并重启，机组联锁保护未能动作，导致XV3302自动打开，XV3303自动关闭，膨胀机恢复进汽，造成膨胀机超速运行冒烟，随后操作人员按下现场紧急停车按钮，机组停车。PLC触摸屏画面显示膨胀机转速A和B高高报，转速为3256rpm。
3.2 原因分析
3.2.1 PLC掉电和自动恢复供电的原因本文不作说明。
3.2.2 PLC掉电后电气逆功率动作原因
PLC掉电后，膨胀机入口切断阀XV3302电磁线圈和旁路切断阀XV3303电磁线圈同时失电，XV3302阀关闭，XV3303阀打开，膨胀机转速下降，当发电机转速降低于3000转/分时，异步发电机工作在电动状态，从电网吸收有功，逆功率达到整定值60kW时，电气逆功率保护动作，延时整定值5S后，发电机断路器跳闸。
3.2.3 PLC来电重启后机组超速和发电机脱网联锁未动作原因
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图中M0.5、M260.1、M200.1、M200.2为PLC内部的通用型辅助继电器，不具备断电保持功能。M0.5为联锁停车输出继电器，当联锁停车信号条件满足时，M0.5继电器得电，机组停车，M260.1（发电机突然脱网）、M200.1（转速A高高报）和M200.2（转速B高高报）为相应保护联锁投入（或解除）中间继电器，联锁投入或解除需要在触摸屏上手动操作，联锁投用时，M260.1、M200.1、M200.2继电器线圈得电，常开接点闭合；联锁解除时，M260.1、M200.1、M200.2继电器线圈失电，常开接点断开。因此当PLC重启后，因M0.5、M260.1、M200.1、M200.2继电器都处于失电状态，导致发电机脱网和超高速联锁保护失去作用。
3.2.4 发电机脱网后膨胀机超速原因。
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图中Q10.3为膨胀机入口切断阀XV3302电磁线圈输出继电器，Q10.4为膨胀机旁通切断阀XV3303电磁线圈输出继电器。图中DB1.DBX377.4和DB1.DBX377.5为PLC内部的DB共享数据块，块内的数据存储在MMC卡中，具有掉电保持功能，即使PLC掉电，重启后也会保留上一次的值，所以当PLC恢复供电重启后， Q10.3和Q10.4继电器得电，从而XV3302阀打开，XV3303阀关闭，但此时发电机断路器已跳闸，从而造成了膨胀机超速飞车，这是因编程人员未考虑到PLC可能掉电，程序中误使用了DB数据块，是这起飞车故障的主要原因。
3.3 处理措施
3.3.1 修改PLC程序，将不具备掉电保持的通用辅助继电器M16.2和M16.4代替共享数据块DB1.DBX377.4和DB1.DBX377.5来控制入口切断阀XV3302和旁通切断阀XV3303的打开和关闭，确保故障和PLC失电时， XV-3302阀能及时关闭、XV-3302能及时打开。
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机组联锁启动时，M0.5常开接点闭合，M16.2继电器得电，M16.2常闭接点断开，Q10.3继电器失电，入口切断阀XV3302关闭，当PLC掉电时，Q10.3失电，恢复供电后，XV3302不会自动打开。旁通切断阀XV3303工作同理。
3.3.2 修改PLC程序，将图中M260.1、M200.1、M200.2原常开接点改为常闭接点，当联锁投用时，继电器M260.1、M200.1、M200.2失电，其常闭接点闭合，当联锁解除时，继电器线圈M260.1、M200.1、M200.2得电，其常闭接点断开，从而确保故障和停电时M0.5停车联锁动作。
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3.3.3 优化电源配置，增加一路PLC输入输出外供直流电源
本机组PLC外部输入设备（开关、传感器）、输出设备（中间继电器）及外部负载（电磁阀线圈）供电电压均为直流24V，全部由PLC 电源模块提供，未使用外部电源，缺点是若外部线路发生短路，PLC电压将会骤降，造成PLC掉电，为避免此情况，在PLC控制柜内增加一只输出直流24V的开关电源。因大部分外部输出继电器都是在PLC控制柜中，相对不易发生短路，此部分仍由PLC电源模块供电，而将易发生短路的外部输入设备的开关量和外部电磁阀线圈的供电采用新增的直流开关电源提供。
4 结束语
通过对本发电机组“飞车”故障原因的分析，表明PLC程序模块的正确使用和电气控制回路的完善关系到机组联锁保护的正确动作和机组的安全停车，对机组的正常运行和电网稳定有重要意义。
参考文献：
[1] 李毅?张小宏?何信林?王智高. 正向低功率和程序跳闸逆功率保护在火电机组中的应用比较. 《华电技术》2015年 第11期
[2] ?西门子.SIPROTEC多功能保护装置7SD686 V4.0用户手册
姓名：丁强（1972年10月） 男，汉族，安徽省安庆市，工程师，本科
单位：中国石化安庆石化分公司电仪中心；研究方向：从事炼化企业电气设备管理工作；单位所在城市：安徽省安庆市 246000