火電廠給煤機控制系統電源隱患分析及改進措施

韓 峰，戴敏敏

（1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

目前大型火力發電廠給煤機的控制系統多是由控制器、變頻器、稱重傳感器、就地硬回路等組成，給煤機控制系統電源主要給控制器、稱重傳感器、硬回路等部分供電，變頻器等由動力電源供給。

近年來，部分機組為了防止電網發生低電壓穿越，給煤機配置了防低電壓穿越裝置或通過優化控制邏輯等方式［1-3］，給煤機動力電源在防低電壓穿越上得到了解決。在很多防低電壓穿越改造中未重視控制電源在低電壓擾動時的影響，部分機組將控制電源簡單改為大型UPS 供電或者單臺給煤機獨立配置小型UPS 供電［4］，未考慮UPS 電源老化、設備共用等問題，在設計及維護上仍存在很大隱患或缺陷，多次出現因控制電源異常導致多臺給煤機停運的事故。如何提高火電機組給煤機控制系統電源的可靠性有待進一步研究。

1 給煤機電源故障案例及原因分析

某電廠1 號機組給煤機為上海新拓SPERI 電子稱重式給煤機，6臺給煤機動力電源配置有防低電壓穿越裝置，給煤機控制系統電源采用兩路UPS 電源經雙電源切換裝置（GE Entell?Switch250）后為6臺給煤機控制回路同時供電，如圖1所示。

2019年12月11日05：40：00，2號機組負荷515 MW，磨煤機A、B、C、D、E 運行，總燃料量258 t/h，送、引、一次風機均雙列運行。05：44：18，A、B、C、D、E 給煤機運行信號同時消失，鍋爐主燃料跳閘保護動作（以下簡稱MFT），首出為“失去全部燃料”，機組跳閘。

事后檢查發現2號機UPSA段饋線柜斷路器ZK5故障脫扣，導致2號機組熱控UPS電源柜雙電源切換裝置啟動，切換過程中給煤機控制回路電源瞬時失電，在電源由UPSA切至UPSB過程中，5臺運行給煤機控制器及就地控制回路電源瞬間失去，5臺給煤機運行信號同時消失，鍋爐“失去全部燃料”MFT保護動作。

圖1 給煤機控制電源分配

斷路器ZK5 型號為施耐德C120H C125，將故障斷路器拆除后對此斷路器進行分合試驗，無法再次合上，判斷斷路器內部損壞。給煤機控制回路電源由UPSA 切換至UPSB。按照電源切換要求，一路電源異常時切換至備用電源應能夠避免就地設備異常，對切換裝置進行測試，結果如圖2所示，熱控UPS電源柜雙電源切換裝置切換時間約為70 ms，切換過程中電壓最低跌落至1.2 V。

圖2 雙電源切換時間及壓降測試結果

從切換過程來看，切換時間70 ms一般對一些控制設備應無明顯影響，但是在給煤機控制回路中存在就地繼電器回路，如圖3 給煤機控制回路原理圖所示，DCS 遠程遙控啟動指令存在由繼電器組成的自保持回路，DCS 遠程給煤機啟動指令為脈沖信號，給煤機運行中啟動指令是靠就地繼電器回路實現保持的，當電源發生切換時，存在70 ms失電時間，而回路中繼電器動作、復位時間在20 ms 左右，這時啟動指令繼電器的短時失電促使保持指令的觸點FS 斷開，在電源切換恢復后啟動指令已失去，導致給煤機停運，同時給煤機運行信號失去。

“失去全部燃料”MFT 邏輯判斷為：任一油層投運或者磨煤機運行記憶、鍋爐失去所有油燃料及鍋爐失去所有煤燃料條件同時滿足。失去所有煤燃料條件為6 套制粉系統磨煤機停運或給煤機運行信號消失，當時控制電源切換過程中，運行的5 臺給煤機運行信號同時失去，由于邏輯判斷條件中無延時，導致全燃料喪失保護動作。

圖3 給煤機控制回路

2 改進措施

2.1 常見控制電源配置方式及隱患分析與改進

改進措施之一是取消切換裝置。案例中將給煤機控制電源采用UPSA、UPSB 經切換裝置后供電的方式，雖然可通過UPS 電源避免了低電壓穿越的影響，并且采用雙路UPS 電源切換，看似非?？煽?，但是應注意到切換裝置不是不間斷切換裝置，切換過程存在電源暫降，而UPS 本身已是不間斷切換電源，其完全可以作為給煤機的控制電源；增加切換裝置反而增加中間環節，如案例所示中間共用環節（空氣開關）的故障導致電源切換反而擴大了故障隱患，所以應取消切換裝置。

某集團大型火力發電廠控制電源配置方法統計如表1所示。

表1 給煤機控制電源配置方法統計

對比以上幾種電源配置方法，UPS 作為不間斷電源，它的多種內部電源的切換更為可靠，顯然它比MCC 等動力電源要更為可靠，大型UPS 要比小型UPS、蓄電池等更為可靠。在考慮UPS可能發生老化異常等情況時，可考慮多種電源混合配置方式，如圖4 所示，每種電源故障時只影響1～2 臺給煤機，使故障風險更加分散。但是這種配置方式仍要結合給煤機投運方式考慮，尤其要考慮機組處于深度調峰或低負荷情況下的給煤機投運方式，這時保持正常運行的給煤機只有2～3 臺，如果電源分配不合理，處于運行的多臺給煤機有2 臺位于同一電源母線上，這一電源母線的異常勢必引起機組異常跳機。采用每臺給煤機配備小型UPS 方式的機組，由于小型UPS 質量不可靠，小型UPS 往往一兩年內就會出現故障，因此要采取定期更換方式以避免控制電源異常帶來隱患，如果能夠保證檢修質量、定期維護，從分散配置的角度來看采用小型UPS 配置還是非?？煽康囊环N配置方式。

圖4 給煤機控制電源分散配置

綜上所述，改進措施之二是給煤機控制電源應采用多種電源混合分散配置方式。具有深度調峰功能的機組，通常處于較低負荷投運的給煤機應配置低電壓穿越裝置，同時控制電源應盡可能采用低電壓穿越裝置電源或大型UPS電源方式，其他給煤機應盡可能分散配置，采用小型UPS獨立配置時應定期進行更換。

2.2 控制回路的改進

在采用控制電源分散配置情況下，勢必有部分電源采用MCC等動力電源共用方式，并且這種方式多存在電源切換情況，可利用給煤機短時停運對電廠系統運行無影響［5-6］，通過優化控制回路短時躲避電源切換，使給煤機運行更為可靠。如兩路動力電源經切換后再經隔離變壓器轉換為AC 110 V或AC 220 V電源直接供給就地控制回路，只要考慮如何躲過短時切換對給煤機系統的影響，短時切換后可重新自啟動給煤機。對于給煤機控制系統來說，有兩種方式可以實現。

第一種改進方法為DCS系統發長指令啟動給煤機［1，7］，保證短時間停電或切換后啟動指令仍存在，這種情況容易發生給煤機長期異常停電后再上電給煤機自啟，應設計給煤機故障停運、給煤機電源失電延時一定時間等觸發DCS 發停運指令，但增加停運指令配置方式不利于現場故障的分析與查找，停運指令會復位很多故障信息。有部分電廠實際采用了此種處理方式。

第二種改進方法為優化就地控制回路，使繼電器回路失電情況下繼續保持啟動指令一小段時間。如圖5所示，增加一個時間繼電器KT，時間繼電器設置為具有斷電延時功能，回路斷電短時間內KT 常開觸點仍保持閉合，在這一段時間內如果電源恢復，仍會使啟動指令繼電器FS 帶電，有效保持了就地啟動指令。這種配置方式可避免電源電壓短時間波動對指令回路的影響，同時也能克服短時間內的低電壓穿越作用。其他文章也提到過將繼電器FS 直接更換為時間繼電器的改造方式［7］，容易因時間繼電器故障導致給煤機停運，而增加時間繼電器與普通繼電器并列，主要是為了提高回路的可靠性，但是在實際應用過程中發現電磁回路中繼電器FS 與所加的延時繼電器KT 線圈并列時，在停指令發出繼電器失電后，兩線圈之間會產生反電勢，導致給煤機正常停運后出現自啟動情況，所以在時間繼電器前增加了一副繼電器FS 的觸點，使給煤機接收到停止指令后兩繼電器線圈之間無法形成回路。經鳳臺電廠驗證，此回路能夠正常運行，且可躲避短時失電情況。

圖5 給煤機控制回路改進

第三種改進方法，為修改控制回路。部分類型給煤機控制器就地斷電重新上電后，給煤機控制器會切至就地控制狀態，這樣重新啟動也無法進行遠方控制，需運行人員至就地切至遠方控制。這種控制器應考慮修改就地控制回路，一種方法是將遠方啟動指令設為優先狀態即遠方啟動指令與切換遠方控制采用同一信號，這種方法在檢修期間容易造成危險，不建議采用；另一種方法是將控制遠方就地切換按鈕改為就地旋鈕形式，控制器掉電上電過程，切換旋鈕位置不變重新上電即可投入遠方控制。

2.3 給煤機變頻器控制方式的改進

在動力電源存在切換配置方式時注意防止動力電源切換對變頻器的影響，在動力電源切換時可能會出現變頻器低電壓等故障情況，如果采用邏輯發長指令啟動給煤機，這時的變頻器故障可能會觸發給煤機故障停運指令，這種配置方式應在給煤機變頻器上設置短時掉電自啟功能，在短時掉電自啟的時間內變頻器會保持運行信號狀態，使給煤機控制器不會發生誤判。

2.4 主燃料跳閘保護的邏輯優化

主燃料跳閘MFT保護中全燃料喪失中有關給煤機停運信號的判斷應注意需增加一定的延時時間，延時時間應略大于切換裝置切換的時間或低壓穿越可能產生影響的時間，防止給煤機運行信號短時失去導致機組保護異常動作；由于就地給煤機設有短時自啟動邏輯，在手動MFT 時，如果MFT 硬邏輯中未設置手動MFT 觸發軟邏輯時，應注意手動按下MFT 按鈕時間應大于給煤機短時自啟動時間。

3 結語

改造后，在給煤機自動運行期間采取模擬控制電源快速切換的方式進行試驗，試驗過程給煤機運行正常?；痣姀S給煤機控制電源應采取電源分散、冗余配置、控制回路加裝延時繼電器回路、變頻器設置掉電自啟功能等多方面措施進行優化，才能有效避免系統電源波動等的影響。