提高樂清發(fā)電廠熱控系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施

李建國，陳統(tǒng)錢，丁俊宏，樊健剛，章衛(wèi)軍，葉國滿，張鵬

(1.浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省樂清市 325609;2.浙江省電力試驗研究院，杭州市 310014)

0 引言

隨著發(fā)電機組容量和規(guī)模的成倍增長，分散控制系統(tǒng)的可靠性水平成為確保發(fā)電機組安全、穩(wěn)定、高效運行和滿足國家節(jié)能環(huán)保要求的關(guān)鍵。浙能樂清電廠2×600 MW超臨界機組和2×660 MW超超臨界機組的分散控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)采用Symphony控制系統(tǒng)，其數(shù)字式電氣液壓控制(digital electric hydraulic control，DEH)系統(tǒng)采用T3000控制系統(tǒng)。

機組投產(chǎn)后，由于設(shè)計、安裝、調(diào)試和維修中存在不足，導(dǎo)致數(shù)起機組跳閘事件，影響了機組的安全穩(wěn)定運行。本文參照《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》［1］要求，對引起故障的原因進行分析研究，提出故障預(yù)控措施。

1 熱控系統(tǒng)故障原因分析

1.1 雷擊與干擾故障分析

雷擊與干擾，輕則引起信號畸變，使參數(shù)顯示不準(zhǔn)、誤發(fā)報警信號、控制設(shè)備出現(xiàn)誤擾動、自動投入品質(zhì)變差，降低系統(tǒng)可靠性;重則導(dǎo)致設(shè)備不能正常運行，甚至損壞DCS部件或引起機組跳閘，影響機組安全經(jīng)濟運行。

(1)雷擊損壞設(shè)備。機組投產(chǎn)后，曾發(fā)生2號機組煙氣脫硫(flue gas desulphurization，F(xiàn)GD)旁路擋板和密封風(fēng)擋板執(zhí)行機構(gòu)同時出現(xiàn)故障。2天后，1號機組FGD旁路擋板電動執(zhí)行機構(gòu)送電后也出現(xiàn)類似故障，8個變送器故障損壞。當(dāng)時都是雷雨天氣，經(jīng)對現(xiàn)場損壞的設(shè)備解體檢查，都發(fā)現(xiàn)了強電直接竄入造成設(shè)備內(nèi)部控制電路板損壞的痕跡。進一步檢查發(fā)現(xiàn)，損壞的設(shè)備基本在以煙囪為中心、半徑為8 m的范圍內(nèi)。煙囪底部為巖石基礎(chǔ)，雷擊散流特性較差。煙囪雖然已設(shè)計安裝了獨立、集中防雷接地裝置，但實際未能與電氣主接地網(wǎng)真正獨立，且引雷體與煙囪主筋相連，煙道和煙囪又相互連接，造成煙道變成引雷釋放體，引發(fā)了熱控設(shè)備遭雷擊損壞。事后，在變送器上加裝防雷裝置，旁路擋板門執(zhí)行機構(gòu)增加位置反饋輸出隔離器，類似損壞事件未再發(fā)生。

(2)干擾引起空氣預(yù)熱器油泵自啟。由于熱控系統(tǒng)設(shè)備工作在嚴(yán)重的電場和磁場干擾源環(huán)境中，控制回路自身、電磁耦合、靜電感應(yīng)、接地線電位波動等將對其產(chǎn)生干擾。機組投產(chǎn)以來，多次發(fā)生干擾引起測量信號和系統(tǒng)工作異常。2011年7月8日，發(fā)現(xiàn)2號機組爐側(cè)100多點熱電阻信號同時跳變，跳變信號分布在不同的分組控制單元柜(package control unit，PCU)及柜內(nèi)不同的橋路控制處理器(harmony bridge controller，BRC)控制卡件，鍋爐系統(tǒng)空氣預(yù)熱器支持油箱油溫跳變，引起油泵自啟。干擾產(chǎn)生的源頭未能查明，但在信號輸入端子處加裝電容后，信號波動消除。

1.2 安裝、檢修、維護不當(dāng)

根據(jù)熱工自動化故障統(tǒng)計［2］，安裝、檢修、維護不當(dāng)導(dǎo)致熱工系統(tǒng)運行異常或故障的隱患包含:接線錯誤或松動、插頭連接不良、防護措施不到位、設(shè)備安裝位置不合理、電纜設(shè)備措施防護安裝不當(dāng)、電纜敷設(shè)未避開高溫區(qū)或未使用高溫電纜、管路安裝不規(guī)范導(dǎo)致積水聚氣等。樂清電廠投產(chǎn)后也發(fā)生多次類似隱患引起控制系統(tǒng)運行異常。

(1)電纜走向未避開高溫區(qū)。2011年8月1日，4號機組跳閘，故障原因為4B中壓主汽門閥位反饋信號電纜未按設(shè)計要求敷設(shè)耐高溫電纜且敷設(shè)走向不合理，中主門閥體上部保溫不嚴(yán)密，閥體輻射熱量直接傳遞至電纜保護管，使其內(nèi)的電纜被高溫燙傷短路，造成4A、4B共用的電源開關(guān)跳開，4A、4B中壓主汽門開啟信號同時失去，導(dǎo)致保護動作跳機［3］。

(2)航空接頭的接觸不良信號顯示異常。外循泵振動延伸電纜接頭采用的是航空式接頭，由于長期處于高振動的環(huán)境，接頭時常發(fā)生松動或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致循泵振動顯示值變大或壞值。此外，1、2號機部分軸振是由于傳感器末端LEMO接頭與前置器上的插座也存在接觸不良引起振動跳變情況。此問題的解決辦法是對航空接頭連接處進行包扎或用環(huán)氧樹脂密封。

(3)防護措施不到位引起RB動作。2011年9月30日，4A空預(yù)器跳閘引起RB動作，機組負(fù)荷由510 MW下降至330 MW，一次調(diào)頻及遠(yuǎn)控均退出，但4A一次風(fēng)機未聯(lián)跳。故障原因是安裝與檢修未做好防雨工作，雷雨天氣使壓力開關(guān)接線柱掛水短接，導(dǎo)致4A空預(yù)器因空預(yù)器齒輪油壓力低保護動作而跳閘［4］。2010年10月6日，1、2號循泵分別跳閘，通過查歷史記錄，發(fā)現(xiàn)軸承溫度信號上下晃動20℃左右。經(jīng)查事件的原因是現(xiàn)場有人利用檢修箱電源對電瓶車充電。

1.3 系統(tǒng)邏輯可靠性

設(shè)備導(dǎo)致機組跳閘事件，除了涉及設(shè)備質(zhì)量、安裝位置、運行環(huán)境等因素外，往往還與單點信號、冗余信號公用模件、控制邏輯不完善等有關(guān)［5］。

(1)單點信號。干擾、接線不規(guī)范、元件損壞等多種原因影響，帶來單點信號作為保護條件的不可靠性。2011年4月11日，3B汽泵出口電動門開單點反饋信號跳變，導(dǎo)致汽泵運行狀態(tài)丟失觸發(fā)RB，引起機組負(fù)荷跳變(最低至350 MW)。對機組的單點保護信號、是否設(shè)置速率限制、延時時間定值等進行梳理統(tǒng)計，由機務(wù)和熱力系統(tǒng)專業(yè)人員一起進行可靠性論證，影響機組設(shè)備安全運行的單點信號和邏輯通過機組檢修期間增加測點的方式進行優(yōu)化，無法增加測點的溫度信號，增加溫度變化率保護，設(shè)置為5℃/s。

(2)冗余信號公用模件。1～4號鍋爐每臺磨煤機設(shè)置1套一次風(fēng)量測量裝置，各自引入2只差壓變送器，通過2塊模擬量模件輸入模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)中，磨煤機A/B/C通過輸出模件1、磨煤機D/E/F通過輸出模件2分別引至順序控制系統(tǒng)(sequence control system，SCS)中。運行中若有1塊模件損壞，將至少有3臺磨煤機由于風(fēng)量低而跳閘。為了避免此情況發(fā)生，將模擬量信號在MCS系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號再送入SCS系統(tǒng)中，以防止磨煤機跳閘。

(3)風(fēng)機單側(cè)運行控制邏輯不完善。2010年9月22日，機組減負(fù)荷至340 MW進行4A一次風(fēng)機動葉消缺，當(dāng)投入4B一次風(fēng)機動葉自動時，4B一次風(fēng)機動葉指令下滑，雖立即撤出自動，但動葉開度已降至50%以下，引起一次風(fēng)壓急跌而總?cè)剂咸l(master fuel trip，MFT)，首出為“爐膛壓力低低”。故障原因是4A一次風(fēng)機停運斷電時，動葉在全開位置，4B一次風(fēng)機投入自動時，因一次風(fēng)機動葉偏置回路控制邏輯處理不當(dāng)而使4B一次風(fēng)機動葉快速關(guān)至50%以下。

2 可靠性綜合治理與預(yù)控措施

2.1 防雷與抗干擾預(yù)控措施

(1)現(xiàn)場排查。對機組主廠房內(nèi)外接地匯入點走向和具體位置、控制系統(tǒng)電源和信號電纜的接地、動力電纜與控制信號電纜的間距及走向、全廠電纜橋架和電纜槽的接地、全廠控制系統(tǒng)加裝隔離器情況等進行全面排查。根據(jù)現(xiàn)場實際，進行防雷接地與抗干擾技術(shù)的專題研究，包括現(xiàn)場干擾信號的各種抑制方法與干擾信號類型的關(guān)系、屏蔽電纜單端接地與二端接地對熱控系統(tǒng)抗干擾能力的影響、總屏加分屏電纜在提高抗干擾能力上的應(yīng)用，屏蔽電纜接地新方法研究開發(fā)等。

(2)抑制干擾方法。對可能引入現(xiàn)場干擾的儀表(變送器、執(zhí)行器等)加裝的金屬防護罩保證可靠接地;安裝于煙囪附近的儀表及防護罩接地連接到脫硫系統(tǒng)，而不連接煙囪接地系統(tǒng);共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾和電磁感應(yīng)造成的串模干擾，采用信號回路間加濾波電容的方法抑制干擾;對于電磁干擾信號，在電纜控制系統(tǒng)側(cè)加裝合適的磁環(huán);采用齊納二極管和電容組合接入DCS卡件通道輸入端，將一些輸入信號的負(fù)端接地，也起到防雷保護作用。當(dāng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)的輸入端或輸出端連接有感性負(fù)載時，直流感性元件2端并聯(lián)續(xù)流二極管，交流感性元件2端并聯(lián)阻容吸收電路(浪涌抑制器)，以抑制電路斷開時電弧對PLC的干擾，減少因干擾原因引起系統(tǒng)誤動和機組跳閘事件。

(3)研發(fā)光纖傳感器與抵制干擾保護器。研發(fā)光纖溫度、液位和振動等信號傳感器，利用其很好的抗干擾性能和響應(yīng)靈敏度高的特點，從根本上消除干擾影響的同時提高測量精度與可靠性。開發(fā)抵制干擾保護器和多功能抗干擾接線端子，用于現(xiàn)場設(shè)備的防雷擊、電纜防電磁干擾、用電設(shè)備防諧波，提高控制系統(tǒng)輸入信號的抵制干擾性能［6-7］。

2.2 TSI可靠性治理

(1)保護邏輯優(yōu)化。對全廠輔機振動測量及主機、小機汽輪機監(jiān)視儀表(turbine supervisory instruments，TSI)測量進行排查，發(fā)現(xiàn)機組的高、低差脹保護為單點跳機，低差測量有一接線松動，即可能誤發(fā)低壓缸差脹保護動作。對TSI邏輯優(yōu)化，單點信號采取保護信號和報警信號相與邏輯。

(2)連接頭可靠防護。TSI電纜鎧裝或金屬管很容易與缸體等現(xiàn)場的導(dǎo)體接觸，如果探頭延伸電纜連接頭的外殼與金屬管接觸，就可能發(fā)生前置器的COM端與現(xiàn)場導(dǎo)體短接，而前置器的COM端是與機柜內(nèi)卡件的信號地連接，從而造成雙端接地引入干擾信號。此外，探頭延伸電纜通過連接頭和航空接頭連接處容易發(fā)生接觸不良現(xiàn)象，在無法改變這種連接方式的情況下，可采用熱塑管或環(huán)氧樹脂密封方式，保證接頭與金屬管及電纜鎧裝完全絕緣，同時可減少接觸不良現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)完善回路。安裝發(fā)電機側(cè)軸振和瓦振時，其底座加絕緣墊固定。TSI安裝前置放大器的接線盒均應(yīng)配置金屬接線盒(原配置塑料接線盒全部更換)。前置器輸出信號電纜采用三芯屏蔽電纜，屏蔽層在汽機現(xiàn)場側(cè)絕緣浮空，電纜屏蔽層直接延伸到機架的接線端子旁，屏蔽線直接接在機架的COM上，對采用四芯屏蔽電纜的多余芯線進行接地。TSI機柜內(nèi)輸出信號屏蔽應(yīng)浮空，由DCS接收側(cè)統(tǒng)一接地。機組檢修中，斷開前置器地(COM端)至卡件的接線，測量前置器地(COM端)與鎧裝電纜之間的電阻符合要求［8］。

2.3 邏輯可靠性優(yōu)化

(1)單點信號優(yōu)化。對機組的單點保護信號、速率限制設(shè)置、延時定值和運行中易出現(xiàn)故障的設(shè)備、部件和元件等進行梳理統(tǒng)計，與機務(wù)專業(yè)人員一起進行可靠性論證，機組檢修期間采用容錯邏輯進行優(yōu)化，通過預(yù)先設(shè)置的邏輯容錯措施來降低或避免控制邏輯的誤動作。如在可以增加測點的前提下，將影響機組設(shè)備安全運行的單點信號改為“三取二”選擇邏輯，或根據(jù)單點信號間的因果關(guān)系，加入證實信號，改為“二取二”邏輯;無法改變?nèi)⌒欧绞降膯吸c信號，在保證安全性的前提下可改為報警。對進入保護聯(lián)鎖系統(tǒng)的溫度模擬量信號設(shè)置5℃/s的速率保護限止，設(shè)置保護聯(lián)鎖信號壞值切除與報警邏輯，減少或消除因接線松動、干擾或元件故障引起信號突變導(dǎo)致系統(tǒng)故障。此外，報警后設(shè)置了閉鎖功能的保護信號，在其恢復(fù)正常后的閉鎖功能應(yīng)設(shè)置為自動解除，并在大屏上設(shè)置信號牌，用于次重要類保護信號的共用報警。

(2)完善邏輯。結(jié)合機組運行過程中暴露出來的缺陷，對控制邏輯進行完善和優(yōu)化，如一期和二期的保護邏輯因鍋爐爐型和制造廠不同而有差別，為防止檢修維護時疏忽帶來隱患，對系統(tǒng)進行核查比對，列出不同點。4臺機組的電源故障中斷(power failure interrupt，PFI)保護的功能均采用電阻短接。為避免一次風(fēng)機單側(cè)檢修未送電情況下一次風(fēng)機動葉偏置回路控制邏輯設(shè)計缺陷，修改一次風(fēng)機運行信號邏輯，當(dāng)收到一次風(fēng)機運行信號時，選擇風(fēng)機動葉指令進入動葉偏置計算回路，當(dāng)一次風(fēng)機運行信號為0時，選擇0作為風(fēng)機動葉指令進入動葉偏置計算回路。當(dāng)一次風(fēng)機未送電情況下，因風(fēng)機運行信號為0，保證了回路的正常作用。

2.4 接線與管路可靠性預(yù)控

(1)隱患排查。為提高接線與管路連接的可靠性，檢查進入保護的溫度信號元件連接處彈簧片的完整性、接線的緊固性、冗余信號的全程冗余性、屏蔽電纜單點接地的可靠性、管路的坡度和伴熱帶的完好性、柜盒的封堵與密封性等。

(2)預(yù)控措施。進入保護的溫度信號元件連接處彈簧片完整，手輕拉接線檢查緊固;冗余信號全程冗余(分電纜、分電源、分模件);所有電纜的備用芯無裸露現(xiàn)象。機柜內(nèi)重要控制、保護電纜的備用芯可靠接地;用于高溫高壓管道和容器上的測量元件溫包、壓力取樣部件的材質(zhì)，確認(rèn)與管道同種材料且安裝前進行金相檢驗。取樣一次閥為2個工藝閥門串聯(lián)連接，安裝于取樣點附近且便于運行檢修操作的場所;測量高溫高壓蒸汽介質(zhì)的儀表安裝于測點上方的移位于測點下方。

2.5 技術(shù)與監(jiān)督管理

(1)編寫控制系統(tǒng)典型故障應(yīng)急處理預(yù)案。為確保機組在運行過程中發(fā)生控制系統(tǒng)故障時，運行和維護人員能夠迅速、準(zhǔn)確地組織故障處理，最大限度地降低故障造成的影響，在總結(jié)、研究控制系統(tǒng)故障時的應(yīng)急處理方法基礎(chǔ)上，編制適合機組運行的分散控制系統(tǒng)故障應(yīng)急處理預(yù)案，機組檢修中進行驗證和完善，并定期進行反事故學(xué)習(xí)，提高運行、維護人員在控制系統(tǒng)故障時的應(yīng)急處理能力［9-10］。

(2)完善管理制度。從完善技術(shù)與監(jiān)督管理制度入手展開工作，對廠內(nèi)現(xiàn)有熱控管理制度中缺少的進行補缺，不完善的進行修訂;廠管理部門明確計量儀表的分類、統(tǒng)計要求，儀控部門對管轄的測量設(shè)備進行分類統(tǒng)計，為以后儀表測量的數(shù)據(jù)有效性提供依據(jù)和可靠性管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)可靠性評估。隨機組運行時間的增加，機組及重要輔機中的一些尚未發(fā)現(xiàn)的隱患還會相繼暴露，因此應(yīng)利用機組檢修機會，開展熱控系統(tǒng)可靠性技術(shù)評估工作，對設(shè)計、組態(tài)、安裝、接線、保險、屏蔽、接地、報警、首出故障信號等進行完善，同時在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)的各種異常情況進行詳細(xì)記錄、匯總分析，提前發(fā)現(xiàn)不符合要求的控制邏輯、回路并進行優(yōu)化。

(4)專業(yè)人員培訓(xùn)。加強人員素質(zhì)培訓(xùn)，減少運行、檢修、維護和人為原因引起的熱控系統(tǒng)故障。更多地開展專業(yè)人員間的學(xué)習(xí)、交流，收集其他電廠案例和經(jīng)驗。

3 結(jié)語

通過樂清電廠一、二期機組開展的提高熱控系統(tǒng)可靠性研究，進一步驗證了可靠的設(shè)計與設(shè)備是保證熱控系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行的先決條件，正確的檢修和維護是基礎(chǔ)，有效的技術(shù)管理是保證。提高熱控系統(tǒng)可靠性研究是一個長期過程，只有對熱控系統(tǒng)和設(shè)備進行檢修、運行、維護全過程管理，對所有涉及環(huán)境進行全方位監(jiān)督，并確保控制系統(tǒng)各種故障下的應(yīng)急處理措施切實可行，才能保證熱控系統(tǒng)為機組的安全穩(wěn)定運行保駕護航。

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(編輯:蔣毅恒)