熱工保護系統常見故障及處理方法

孫立剛

[摘? ? 要]發電機組在啟停、運行期間，如果出現可能危及設備及人員的異常工況或突發故障，可由熱工保護系統對這些情況進行分析、判斷，并根據系統預設指令做出實時預警或自動處理，從而最大程度上保障機組運行安全。文章首先介紹了熱工保護系統運行時常見的一些故障，如熱控元件故障、電源或接線故障等。基于工作經驗，分別從嚴選熱工設備、優化保護邏輯、改善運行環境等方面，提出了一些實用性的故障預防和處理方法。最后結合實例，按照故障表現、原因分析、處理對策的基本流程，對振動信號突變、熱工電源故障導致的兩例機組跳閘情況進行了簡要分析。

[關鍵詞]熱工保護系統;冗余設計;保護誤動;振動信號突變

[中圖分類號]TM74 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]During the start， stop， and operation of the generator set， if there are abnormal working conditions or sudden failures that may endanger the equipment and personnel， the thermal protection system can analyze and judge these conditions， and make real-time warnings based on the system preset instructions Or automatic processing， so as to ensure the safe operation of the unit to the greatest extent. This article first introduces some common faults in the operation of thermal protection systems， such as thermal control element faults， power supply or wiring faults， etc. Subsequently， based on work experience， some practical fault prevention and handling methods were proposed from the aspects of strict selection of thermal equipment， optimization of protection logic， and improvement of the operating environment. Finally， combined with examples， in accordance with the basic process of fault performance， cause analysis， and countermeasures， two cases of unit trips caused by sudden changes in vibration signals and thermal power supply failures are briefly analyzed.

[Keywords]thermal protection system; redundant design; protection malfunction; sudden change of vibration signal

現階段發電機組的熱工保護系統逐漸向自動化、信息化方向發展，預防性保護的應用效果也得到了進一步凸顯。與此同時，熱工保護系統的結構組成也更加復雜化，一旦自身發生故障很有可能出現誤動、拒動的現象，進而影響到發電機組的運行安全。因此，除了做好日常的檢修、維護外，技術人員還應對熱工保護系統常見故障的外在表現、內部原因，以及相應的處理措施等做到了如指掌。這樣才能在故障發生后第一時間予以處理，使熱工保護系統盡快恢復正常，達到保護機組運行安全的效果。

1 熱工保護系統常見故障

1.1 控制系統硬件故障

熱工保護系統中包含了種類多樣的熱工元件，這些硬件設備相互之間以線路相連，如果某個硬件出現故障，很有可能對相連的其他硬件設備產生連鎖影響。隨著使用時間的增加，設備因老化、磨損引起的故障頻率也會不斷增加。如果因為自身故障問題發出錯誤信號，也會導致熱工保護系統作出錯誤判斷，進而出現誤動或拒動情況。

1.2 電源或接線故障

電源插件設計不合理，或者因為污染、磨損等原因，導致接觸不良都會引發熱工保護系統的電源故障，在機組出現異常工況時因為拒動而無法正常發揮保護功能，嚴重影響機組的運行安全。此外，電纜接線不合理，或者是電線的絕緣層因為高溫、老化等原因出現破裂，導致絕緣失效，也有可能因為潮濕、生銹，出現短路或發熱等情況，造成熱工保護系統的誤動。

1.3 其他故障

除了上述常見故障外，人為因素也是導致熱工保護系統發生異常運行和故障問題的一項重要原因。在熱工保護系統的設計、安裝，以及后期運行維護等環節，都需要由相關人員進行操作。如果經驗不夠豐富、技能不夠扎實，很有可能因為設計不當、安裝失誤，導致熱工保護系統的功能難以順利實現，運行時也有較大概率發生故障。例如，機組ETS保護系統的I/O模塊的電源部分，采用雙路冗余設計以保障其運行安全。但是設計或安裝時將雙路電源并聯，就會導致ETS無故障跳閘。

2 熱工保護系統常見故障的預防和處理方法

2.1 嚴格選擇控制系統與熱工設備

熱工保護系統的組成復雜，各類設備如果本身存在質量缺陷，或者安裝不當、無法兼容，都是系統運行時發生故障的主要原因。鑒于此，在熱工保護系統的安裝階段，要對各類組件的質量進行嚴格把關，并且核對其型號、規格等是否符合安裝標準。此外，還可以針對該系統中的核心設備（如CPU、交換機等），采取多重布置的方式提高其容錯率。而那些由PLC發出的重要指令，或前端反饋的故障信號，則使用SOE卡件分別接入，有助于進一步提高對指令或信號的判斷效率，也是確保熱工保護系統能夠正常發揮各項功能的關鍵措施。另外，對于熱工設備，應定期開展維護，對達到設計壽命的盡快更換，降低安全隱患。

2.2 優化保護邏輯，采用冗余設計

保護邏輯是熱工保護系統執行保護動作時的主要依據，針對現行熱工控制系統的運行原理，可從以下兩方面進行邏輯優化：①面向一些重要的保護信號，例如定子溫度過熱保護信號、汽包液位超限信號等，從原來的單一保護判定條件，調整為“六取二”或“三取二”的邏輯組態，從而有效防止因為某個設備出現故障，進而導致整個熱工保護系統完全停止的情況。②引進溫度保護速率限制功能。若某一監測點出現溫度突然升高，并且溫升速率超過了20 ℃/s，則判斷為信號故障，此時執行閉鎖動作，同時發出預警提醒技術人員，降低熱工保護系統誤動、拒動的概率。

2.3 改善運行環境，做好工作記錄

熱工保護系統中包含繼電器、電磁閥等若干電氣設備，如果長時間處于潮濕、高溫、振動等惡劣環境下，將會加速設備的老化，增加故障的發生率。因此。在熱工保護系統的日常維護中，應注意優化該系統的運行環境，延長設備壽命，減少故障的發生。設置儀表柜，將各類儀表、儀器統一布置在儀表柜內，并采用防水、防潮、放灰措施。做好設備運行工況記錄，在數據庫中劃分出專門的單元，用于存儲熱控設備日常運行產生的各類數據。通過數據跟蹤，掌握每個時間段的運行工況，這就為故障的分析與處理提供了數據參考。

2.4 堅持規范作業，提高操作水平

現階段大型機組中使用的熱工保護系統，雖然有著較高的自動化程度，但是發生運行故障，特別是硬件部分出現損壞后，還是依賴于經驗豐富、技能扎實的維修人員進行處理。因此，發電廠培育一支業務能力過硬、職業素養優良的熱控維修隊伍十分必要。一方面，要制定并執行熱工保護系統常規操作的作業標準、制度規范，并且通過開展學習、培訓，保證相關人員能夠在熱工保護系統的日常檢修、維護中做到規范作業，杜絕因為個人誤操作而引發的系統故障。另一方面，還要注意經驗交流，定期開展業務教育，不斷提高操作水平，保證對各類故障作出靈活處理。

3 熱工保護系統典型故障分析

熱工保護系統發生故障將會失去對機組的工況監測和自動保護功能，因此對于該系統出現的各類故障，必須在最短時間內完成處理。在處理流程上，首先要根據故障發生后熱工保護系統的外在表現鎖定故障位置，然后進一步查明問題原因，在此基礎上利用技術、經驗予以解決。現以發電機組運行中比較典型的2例故障為例展開分析。

3.1 振動信號突變導致的機組跳閘故障

3.1.1 故障表現

軸振保護是汽輪機穩定運行的關鍵技術之一。但是一些使用年限較長的汽輪機，由于轉子磨損嚴重、軸瓦油膜失效等原因，導致軸振保護系統發生故障，而TSI（安全監視系統）監測到這一故障后，會啟動跳閘保護，使得汽輪機強制停機。某發電廠投入使用的1臺300 MW機組，包含8個軸承。其中1#～4#軸承安裝軸振傳感器，5#～8#軸承安裝瓦振傳感器。其中瓦振只用于監視報警，而軸振超出閾值后引起跳閘、停機。某日，該機組2#軸承的y向振動值在2 s時間內從0.05 mm激增到0.41 mm，因為超出了安全閾值（0.25 mm）引起跳閘。

3.1.2 原因分析

在機組跳閘后，調查機組運行歷史數據，發現除了2#軸承的y向振動值激增外，2#軸承的x向振動值，以及瓦軸溫度、潤滑油壓力等都處于正常情況。繼續檢查2#軸承的電纜，發現在接頭處有絕緣破損情況，并且在軸承蓋處檢測到軸封漏氣情況。使用紅外測溫設備，測得該處溫度為128 ℃，超出正常溫度18 ℃。結合上述故障表現，分析故障原因有：①軸封材料老化導致密封不嚴、發生漏氣。而外界凝結水進入后導致接觸不良，引起軸振值突變;②軸封漏氣導致溫度異常升高，而高溫加速了探頭老化，導致輸出信號突變。

3.1.3 處理措施

在剖析故障成因后，技術人員采取了針對性的處理措施：

①改良設備運行環境。將老化的軸封拆除，并重新使用耐高溫、耐腐蝕的軸封。在軸封外側加裝防護板，起到隔熱作用，防止軸封過熱老化。對于1#、3#～8#未出現故障的探頭，也采取了預防性保護措施，降低同類故障的發生率;②優化單點保護邏輯。原來熱工保護系統的保護條件為：只要任意軸承任意方向上的實時振動值超過了安全閾值，即執行保護程序。經優化處理后，判定條件為：當任意軸承任意方向上的實時振動值超過了安全閾值，并且該軸承上的其他方向，或相鄰軸承上的相同方向上，振動值也超過了預警值，則觸發保護跳閘。若只滿足其中一項條件，則只報警，不跳閘。

3.2 熱工電源故障導致的保護誤動故障

3.2.1 故障表現

為保證系統出現局部故障時，其他部分仍然能夠維持正常運行，通常會用到冗余設計。汽輪機的ETS（跳閘保護系統）就采用了基于DCS和PLC的雙路冗余設計。在電路設計中，要求電壓源不得直接并聯。如果在冗余電源設計方面存在缺陷，就會引起保護誤動故障。某發電廠的3#機組用s7-300型雙PLC作為冗余保護系統的控制終端，當PLC收到跳閘信號后，AST（遮斷電磁閥）斷電打開，完成卸壓，此時機組進氣閥門關閉，機組跳閘。某日該機組在正常運行期間，ETS系統1#、3#的AST突然動作，隨后主汽門關閉，機組出現跳閘故障。

3.2.2 原因分析

第一步仍然是調查DCS系統在發生跳閘前的歷史信息，發現AST電磁閥的1#、3#處，在跳閘前有明顯的電壓波動。將電磁閥外殼拆開后，使用萬用表測量24 V雙路電源，顯示電壓為0。分析故障推測其原因是：電源設計方面存在缺陷。由于該系統采用了雙路冗余設計，將兩路24 V電源直接并聯，然后兩股輸出線合并為一股后，與下游的PLC串聯。在機組運行一段時間后，其中一路電源因為老化導致無法正常進行電壓輸出，同時由于電源模塊的內阻趨近于0，另一股正常運行的電源模塊相當于被短路，使得正常運行的AST電磁閥瞬間失電、常閉接點斷開。

3.2.3 處理措施

為了驗證上述原因分析結果的正確性，采取了以下處理措施：①將兩路電源中的24 V直流電源模塊替換下來，重新安裝帶有失電報警功能的24 V高選電源模塊。這樣即便是其中一路電源模塊因為故障停運、失電，可立即投切到另一路電源，維持正常的電壓輸出，而不會因為完全斷電而導致電磁閥失電;②在機組正常停電維護時，選擇機組內所有熱工電源系統，均安裝電源失電報警裝置。同時，組織專人對直流電源的供電回路開展一次徹底的檢查。若存在電源不經高選直接并聯的情況，需要盡快替換，預防此類故障的再次發生。

4 結束語

熱工保護系統的穩定運行對保障機組安全有至關重要的作用，由于機組的結構組成復雜，加上熱工保護系統的運行環境復雜，在投入運行一段時間后發生故障在所難免。機組管理人員在熟悉熱工保護系統運行原理和結構組成的前提下，還要基于以往的故障診斷與維修經驗，做到對常見故障的精準識別，在明確故障原因、位置的前提下，采取針對性的處理方法。在處理完畢后，重新運行機組，觀察故障是否得到解決，切實保障機組運行的穩定性和安全性。

參考文獻

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