660 MW火電機(jī)組單輔機(jī)控制可靠性研究

章佳威，莊義飛，甄 誠

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司 華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230000)

0 引 言

近年來，隨著大容量輔機(jī)制造技術(shù)的愈發(fā)成熟，單列輔機(jī)的設(shè)計(jì)方式在國內(nèi)電廠得以實(shí)施，這種設(shè)計(jì)方案兼顧了降低投資成本、簡(jiǎn)化系統(tǒng)及降低廠用電率等諸多因素。在鍋爐方面的配置為單送風(fēng)機(jī)、單引風(fēng)機(jī)、單一次風(fēng)機(jī)、單回轉(zhuǎn)式空預(yù)器等，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，鍋爐島的廠用電率可降至 1%[1]。相較于國內(nèi)大量投產(chǎn)的火電機(jī)組仍然采用雙輔機(jī)的設(shè)計(jì)方式。

某新建電廠1、2號(hào)機(jī)組采用單列輔機(jī)設(shè)計(jì)，其一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、給水泵采用單臺(tái)100%容量設(shè)計(jì)，引風(fēng)機(jī)采用2臺(tái)50%容量設(shè)計(jì)，分散控制系統(tǒng)(DCS)采用和利時(shí)MACSV6.5.4，全廠總線設(shè)計(jì)。該文將調(diào)試期間針對(duì)單輔機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的優(yōu)化和控制策略進(jìn)行分析研究。

1 設(shè)計(jì)階段

單列輔機(jī)布置的火電機(jī)組與常規(guī)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)有本質(zhì)區(qū)別，因單輔機(jī)的設(shè)計(jì)方式，機(jī)組沒有常規(guī)火電機(jī)組的輔機(jī)故障甩負(fù)荷功能(RB)，所以在一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、給水泵等輔機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需考慮設(shè)備層安全，還需考慮機(jī)組運(yùn)行安全。 單列輔機(jī)設(shè)計(jì)的火電機(jī)組，其單輔機(jī)保護(hù)與機(jī)組主保護(hù)等同，其設(shè)計(jì)原則也與機(jī)組主保護(hù)相同。按照熱工保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，熱工保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)有防止誤動(dòng)和拒動(dòng)的措施。一直以來，關(guān)于保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是應(yīng)側(cè)重防拒動(dòng)還是防誤動(dòng)，因理念差異導(dǎo)致保護(hù)設(shè)計(jì)方案不同。

1.1 總線設(shè)備保護(hù)設(shè)計(jì)

由于該電廠采用全廠總線的設(shè)計(jì)方式，總線的設(shè)計(jì)方案需充分考慮保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)原則。原則上總線信號(hào)不參與主輔機(jī)保護(hù)及重要聯(lián)鎖。但是在基建過程中，總線的設(shè)計(jì)方案一般早于邏輯方案，而總線設(shè)計(jì)方案又決定了設(shè)備的選型。總線設(shè)計(jì)方案需根據(jù)全廠總線設(shè)備覆蓋率的要求，設(shè)計(jì)一般將全廠380 V電機(jī)設(shè)備、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)及部分模擬量測(cè)點(diǎn)歸為總線通訊，其中就包括單輔機(jī)的空預(yù)器電機(jī)、油站電機(jī)、進(jìn)出口電動(dòng)門等重要保護(hù)及連鎖設(shè)備,針對(duì)此類設(shè)備可采用雙冗余指令保護(hù)邏輯，采用硬接線與總線雙冗余指令，在任一指令失效的情況下，另一路指令可有效工作，防止設(shè)備聯(lián)啟失敗導(dǎo)致輔機(jī)跳閘。

1.2 保護(hù)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

熱工保護(hù)邏輯的實(shí)現(xiàn)是基于設(shè)備所提供的監(jiān)視測(cè)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，主體設(shè)備選型對(duì)熱工保護(hù)有重要決定意義。以風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備為例，其系統(tǒng)中參與保護(hù)的測(cè)點(diǎn)在后期是有改造空間的，如管道、風(fēng)道內(nèi)的壓力、風(fēng)速及流量等測(cè)點(diǎn)。但是風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備本體監(jiān)視的測(cè)點(diǎn)是固定的，難以改變的，如軸承溫度、振動(dòng)等。所以此類設(shè)備在選型時(shí)，需考慮其測(cè)點(diǎn)是否滿足保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)程的要求。對(duì)于已定型的設(shè)備，應(yīng)盡量避免單測(cè)點(diǎn)參與保護(hù)，如單溫度測(cè)點(diǎn)可改為雙支溫度計(jì)，或者雙溫度測(cè)點(diǎn)的可采用兩點(diǎn)聯(lián)合判斷(一點(diǎn)報(bào)警與另一點(diǎn)跳閘)的方式[2]，單點(diǎn)振動(dòng)判斷可改為X+Y軸輔助判斷的方式等。

2 調(diào)試優(yōu)化

2.1 輔機(jī)軸承溫度保護(hù)優(yōu)化

發(fā)電廠熱工輔機(jī)保護(hù)邏輯中，常采用軸承和電機(jī)線圈的溫度測(cè)量信號(hào)，當(dāng)測(cè)量信號(hào)超過定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作；但由于溫度測(cè)量回路中的熱電阻很容易發(fā)生接觸不良或斷線的故障，使得保護(hù)誤動(dòng)[3]。在工程應(yīng)用中，采用容錯(cuò)控制技術(shù)與容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)，容錯(cuò)控制技術(shù)是通過故障診斷(故障檢測(cè)、故障隔離、故障識(shí)別)，讓控制系統(tǒng)在故障后進(jìn)行重構(gòu)，使控制系統(tǒng)魯棒性得到提高[4]。圖1為該廠機(jī)組輔機(jī)軸承溫度保護(hù)跳閘的壞信號(hào)剔除邏輯回路，這是應(yīng)用特定的容錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)的典型例子。當(dāng)軸承溫度出現(xiàn)斷線、干擾等情況，軸承溫度突變(變化大于5 ℃/s)，控制回路觸發(fā)器至1，將該保護(hù)回路剔出，當(dāng)軸承溫度正常后，可手動(dòng)或自動(dòng)復(fù)位觸發(fā)器，投入該保護(hù)。考慮輔機(jī)軸承故障時(shí)其溫度快速變化情況，此處溫度速率限制不應(yīng)過小，防止保護(hù)拒動(dòng)損壞設(shè)備。

圖1 軸承溫度保護(hù)跳閘的壞信號(hào)剔除邏輯回路Fig.1 The bad signal elimination logic of bearing temperature protection trip

2.2 輔機(jī)配套設(shè)施保護(hù)設(shè)計(jì)

原送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)油站電機(jī)及空預(yù)器電機(jī)等設(shè)備皆采用總線控方式，且在設(shè)計(jì)過程中將同一風(fēng)機(jī)2臺(tái)油泵電機(jī)指令反饋設(shè)計(jì)在同一網(wǎng)段中。雖然《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》未對(duì)總線設(shè)備做具體要求，但是此種設(shè)計(jì)方式存在明顯的安全隱患，當(dāng)此網(wǎng)段出現(xiàn)通訊故障或是通訊中斷時(shí)，會(huì)造成DCS誤判油泵全停，導(dǎo)致輔機(jī)跳閘事故。在調(diào)試過程中，提出將冗余設(shè)備分散配置的方法，即將冗余的2臺(tái)油泵或電機(jī)布置在不同的2條網(wǎng)段中，還提出雙冗余指令保護(hù)方法，采用硬接線與總線雙冗余指令，在任一指令失效的情況下，另一路指令可有效工作，防止設(shè)備聯(lián)啟失敗導(dǎo)致輔機(jī)跳閘，如圖2所示。

圖2 一次風(fēng)機(jī)潤滑油泵A手操站配置Fig.2 Fan lubricating oil pump A manual operation station configuration

2.3 單輔機(jī)保護(hù)邏輯優(yōu)化

案例1：MFT跳一次風(fēng)機(jī)邏輯中，采用一路硬接線和一路通訊點(diǎn)相“或”的判斷方式，在DO通道、DI通道故障或者控制器通訊故障時(shí)都可能造成一次風(fēng)機(jī)誤動(dòng)跳閘。

修改方案：從MFT控制器DO卡件和跳閘繼電器出口各送出一路硬接線至一次風(fēng)機(jī)，在一次風(fēng)機(jī)控制器內(nèi)2個(gè)硬接線信號(hào)與通訊點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行“3取2”判斷后作為風(fēng)機(jī)的跳閘條件，修改前后組態(tài)如圖3。

圖3 鍋爐MFT動(dòng)作跳閘一次風(fēng)機(jī)邏輯Fig.3 Boiler trip triggers fan action logic

案例2：上汽汽輪機(jī)組在振動(dòng)保護(hù)邏輯配置中，采用定值判斷加測(cè)點(diǎn)質(zhì)量判斷的方式。即任一軸系的任一振動(dòng)值超限觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)，或者同一軸瓦的X、Y項(xiàng)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)同時(shí)壞質(zhì)量，也觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)。這個(gè)方案沒有考慮該機(jī)組為單臺(tái)給水泵汽輪機(jī)且無電泵的配置情況，一旦振動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)將會(huì)造成整臺(tái)機(jī)組停運(yùn)。在調(diào)試過程中，出現(xiàn)多次因接線和干擾原因?qū)е抡駝?dòng)保護(hù)動(dòng)作，可見實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量和設(shè)備可靠性是難以滿足上汽保護(hù)設(shè)計(jì)要求的，有必要對(duì)此保護(hù)增加防誤動(dòng)措施[5]。

修改方案：刪除振動(dòng)測(cè)點(diǎn)壞質(zhì)量跳閘邏輯，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)斷線、虛接、探頭損壞及強(qiáng)電干擾等等因素都有可能導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)壞質(zhì)量條件觸發(fā)。增強(qiáng)振動(dòng)單點(diǎn)保護(hù)容錯(cuò)性，將振動(dòng)測(cè)點(diǎn)質(zhì)量作為保護(hù)的佐證條件。以1號(hào)軸承為例，修改前后組態(tài)邏輯見圖4、圖5。

圖4 METS中軸承振動(dòng)高跳機(jī)保護(hù)邏輯Fig.4 Bearing vibration high trip protection logic

圖5 修改后METS軸承振動(dòng)高保護(hù)邏輯Fig.5 The modified bearing vibration high trip protection logic

案例3：空預(yù)器MFT邏輯設(shè)計(jì)為空預(yù)器主、輔電機(jī)均停，主、輔電機(jī)停運(yùn)信號(hào)均為電氣開關(guān)單點(diǎn)。空預(yù)器運(yùn)行時(shí)，主、輔電機(jī)互為備用，該保護(hù)實(shí)際為單點(diǎn)保護(hù)，如圖6所示。該保護(hù)設(shè)計(jì)具有迷惑性，因主、輔電機(jī)均有工頻、變頻兩種運(yùn)行方式，如邏輯圖中在4個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)才觸發(fā)保護(hù)，實(shí)則有3個(gè)條件是常“1”狀態(tài)。

圖6 空預(yù)器停運(yùn)邏輯Fig.6 Air preheater shutdown logic

修改方案：將空預(yù)器主、輔電機(jī)停運(yùn)由單點(diǎn)判斷改為多點(diǎn)輔助判斷方式，增加電機(jī)電流、空預(yù)器轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)報(bào)警作為輔助判斷信號(hào)，3個(gè)信號(hào)經(jīng)“3取2”判斷空預(yù)器停轉(zhuǎn)，優(yōu)化后如圖7所示。空預(yù)器轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)報(bào)警可以監(jiān)視空預(yù)器軸承狀態(tài)，防止斷軸或是電機(jī)齒輪未嚙合的情況下空預(yù)器停轉(zhuǎn)保護(hù)拒動(dòng)。

圖7 優(yōu)化后空預(yù)器停運(yùn)邏輯Fig.7 Optimized air preheater shutdown logic

2.4 跨區(qū)域保護(hù)配置問題

案例：再熱器保護(hù)MFT觸發(fā)條件為“左側(cè)主汽門全關(guān)且右側(cè)主汽門全關(guān)且旁路未開”，此種設(shè)計(jì)方法忽略了一側(cè)主汽門全關(guān)，另一側(cè)主汽門未關(guān)但調(diào)門全關(guān)的情況，這種情況下，再熱器已失去了蒸汽冷卻作用，但MFT保護(hù)不會(huì)觸發(fā)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故(汽輪機(jī)主汽門關(guān)閉跳發(fā)電機(jī)邏輯也存在同樣問題)。再熱器保護(hù)邏輯修改前后組態(tài)如圖8所示。

圖8 再熱器保護(hù)邏輯圖Fig.8 Reheater protection logic diagram

修改方案：再熱器保護(hù)應(yīng)判斷再熱蒸汽回路是否隔絕，主要是高、中壓主汽門及調(diào)門，高、中壓旁路門的開關(guān)狀態(tài)。在邏輯判斷高(中)壓蒸汽斷流時(shí)可用“左側(cè)主汽門全關(guān)且右側(cè)調(diào)門全關(guān)”或“左側(cè)調(diào)門全關(guān)且右側(cè)主汽門全關(guān)”的方式，可以避免上述邏輯漏洞。

3 結(jié) 語

鍋爐單列配置的機(jī)組在工程造價(jià)、設(shè)備維護(hù)、降低廠用電率等方面的優(yōu)勢(shì)，使其應(yīng)用得到極大推廣。該文提出并實(shí)施了單列配置的超超臨界機(jī)組控制優(yōu)化方案,采用保護(hù)壞質(zhì)量剔除、雙指令冗余等技術(shù)，大幅提升了主、輔機(jī)保護(hù)可靠性。此次保護(hù)優(yōu)化的實(shí)踐，對(duì)后續(xù)新建660 WM超超臨界單列輔機(jī)布置機(jī)組調(diào)試及運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。