630MW火電機組橫向聯鎖保護的優化

張兆生 張伶俐

摘 要：根據《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的規定，所有重要的主、輔機保護都應采用“三取二”的邏輯判斷方式，保護信號應遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則，確因系統原因測點數量不夠，應有防保護誤動措施。考慮到某燃煤電廠三期工程機、爐、電橫向保護信號為單點設計，不滿足反措要求，保護信號單一回路異常將引起保護非正常動作，影響機組安全穩定運行，對原控制策略通過采用“三取二”邏輯進行系統優化，并成功通過ETS、DEH、FSSS和橫向聯鎖保護試驗，為同類型機組運行中防設備誤動提供了參考。

關鍵詞：橫向保護;機跳爐;爐跳機;“三取二”;優化方案

中圖分類號：TM621 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0017-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.005

0 ? ?引言

大型單元機組的特點是爐、機、電在生產中組成一個有機整體，加之有大量復雜的控制系統及裝置，其相互間的關系又非常密切，當其中某些環節發生故障后，將會影響整個機組的安全運行，嚴重的故障可能導致機組停機，甚至危及設備和人身安全。為了維持整個生產過程的連續性，保護設備安全，應設計一套比較完善的聯鎖保護裝置。

橫向聯鎖保護的作用就是將爐、機、電聯系起來，無論哪一部分出現故障，其他部分都會做出相應的反應[1]。橫向聯鎖一般包含機跳爐跳電、電跳機跳爐、爐跳機跳電。

1 ? ?機組概述

某燃煤發電廠630 MW機組鍋爐部分為上海鍋爐廠引進美國ALSTOM公司技術制造的超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風;汽輪機為上海汽輪機廠生產的N630-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、反動式、凝汽式汽輪機;發電機由上海電機廠制造。

單元機組控制采用上海FOXBORO公司I/A′S分散控制系統，設計包含DAS、BMS、MCS、SCS系統。汽輪機控制系統采用上海汽輪機有限公司的DEH控制系統。

2 ? ?優化方案實施背景

典型事故案例：某公司#32機組ETS保護動作，首出故障原因是“MFT動作”，但DCS系統檢查不到MFT動作信號，MFT發送到ETS系統的信號回路絕緣完好[2]。

原因分析及整改建議：鍋爐MFT跳閘回路發送到汽輪機保護ETS系統的動斷觸點信號僅有一路，冗余度不足。MFT動作繼電器輔助觸點、硬接線回路、信號輸入I/O通道等均有可能故障或受外界影響誤發信號，引發“爐跳機”保護動作。根據《火力發電廠熱工自動化系統可靠性評估技術導則》（DL/T 261—2012）第6.2.3.4條要求，對原安裝設計設備回路進行檢查，必要時更換繼電器及其信號傳輸回路。MFT繼電器應送出三路動斷觸點至ETS裝置，在ETS內進行“三取二”邏輯判斷后跳閘，三路保護信號從取樣到I/O數據采集，應全程保持獨立性[3]。

根據國家能源局下發的《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全〔2014〕161號）中9.4.3條規定，所有重要的主、輔機保護都應采用“三取二”的邏輯判斷方式，保護信號應遵循從取樣點到輸入模件全程相對獨立的原則，確因系統原因測點數量不夠，應有防保護誤動措施。

該燃煤電廠三期工程機、爐、電橫向保護信號及汽輪機TSI裝置和ETS系統之間的振動、軸向位移等跳閘信號為單點設計，不滿足反措要求，保護信號單一回路異常將引起保護非正常動作，影響機組安全穩定運行。

鑒于電力行業單點保護典型事故案例頻發，同時為適應國家能源局最新要求，使橫向聯鎖保護動作更加可靠和安全，既防誤動又防拒動，需要對機跳爐、爐跳機保護信號進行冗余處理。

3 ? ?策略選擇

對于“三選”的動作保護，一般來說是比較重要的信號采用，不是聯鎖保護就是調節控制，所以會加上一些判斷條件和切除條件，邏輯設計中常常需要可切換的兩組甚至三組保護邏輯。“三取二” ?“三取中” “三取均”等，這些可能在一個保護邏輯中用到。

3.1 ? ?策略概念

3.1.1 ? ?“三取二”信號法

“三取二”是指開關量控制時的投票制，同一信號采用三冗余信號進行表決，兩個滿足即認為條件滿足。“三取二”是為了判斷準確、可靠，防止誤動，常用于保護回路。其邏輯圖如圖1所示。

3.1.2 ? ?“三取中”信號法

“三取中”是指模擬量信號采用三冗余輸入，取其中值為實際使用值，常用于主要調節回路。一般三個同一位置的測量點出現過大偏差時，就要查清楚問題原因，并安全、快速地處理，萬萬不可抱僥幸心理。除了取中，一般功能塊還提供選擇：高選、低選、平均或三個中的一個。

3.1.3 ? ?“三取均”信號法

“三取均”也是針對模擬量，三個數取平均值，能有效克服系統誤差，但儀表故障造成的隨機誤差難以避免。

3.2 ? ?邏輯組態注意事項

3.2.1 ? ?“三取二”策略

“三取二”策略一般用于保護取樣信號的邏輯判斷，為確保信號的可靠性，可以加入質量判斷、切除等邏輯。

3.2.2 ? ?“三取中”策略

正常時取中間值，當出現一個點為壞點或偏差超限時自動剔除壞點變為剩余兩點取平均，一個設計良好的邏輯是能夠做到在指定單點值、中值、平均值間任意指定的。

“三取中”在調節系統中用得最多，可以實現三個信號相互做偏差檢查，剔除其中一個不正確的信號，剩余兩個信號取均值;如果再壞一個，自動取第三個信號;如果全壞，就應該保持正常輸出時的值，同時發出報警。

3.2.3 ? ?“三取均”策略

“三取均”策略下可以加入判斷信號，當三路信號全正常時，取三個平均值;當有一個信號不正常時取兩個數的平均值;當兩個信號不正常時，取另一個正常的數值。這種方法在自動調節中應用最為廣泛。

4 ? ?機跳爐聯鎖保護

4.1 ? ?原控制策略

該電廠三期工程#5機組原機跳爐控制策略為：汽機信號取自安全油壓AST信號“三取二”再取反，送到輸出模塊ASLN，再送到1R11繼電器，表征汽機跳閘，通過電纜硬接線送到鍋爐DCS機柜FC5009卡件U50905第15點，從而實現聯鎖與保護的目的，但實際上為單點保護。

4.2 ? ?優化控制策略

增加兩路“機跳爐”信號，然后在FSSS系統里增加“三取二”邏輯保護。

4.2.1 ? ?電纜布置

從#5機組DEH501機柜到FC5009機柜放兩根2×2×1.5規格電纜。

4.2.2 ? ?DEH系統

原機跳爐單DO點：CP5018下5OA_IO：ASLN.COUT（地址：5D2122-6）。

現增加兩個DO點：CP5018下5OA_IO：ASLN2.COUT（地址：5D2124-15）、CP5019下5ATC_IO：ASLN3.COUT（地址：5D3132-1）。

為了保障安全可靠，增加的兩個DO點分別放到兩個不同的卡件5D2124E-15（1R13）、5D2132E-1（1R14），以上三個點由繼電器板同時輸出至FSSS機柜。

4.2.3 ? ?FSSS系統

原機跳爐單DI點：CP5005下50MFT：MCIN3.CIN_5（地址：U50905-15）。

現增加兩個DI點：CP5005下50DLZ：MCIN1.CIN_15（地址：U50925-15）、CP5005下50DLZ：MCIN4.CIN_15（地址：U50933-15）。

FSSS增加“三取二”邏輯：CP5005下50MFT：038LOG3模塊中，FSSS修改原50MFT：038TTRIP邏輯中BI02取值，由單點（50MFT：MCIN3.CIN5）改為新增“三取二”邏輯的出口（50MFT：038LOG3.BO01）。

修改后邏輯如圖2、圖3所示。

4.2.4 ? ?試驗

全面進行ETS保護試驗、DEH保護試驗、橫向聯鎖保護試驗，經設備運行與管理雙方確認，本次邏輯異動結果達到預期。

5 ? ?爐跳機聯鎖保護

5.1 ? ?原控制策略

該電廠三期工程#5機組原爐跳機控制策略為：MFT信號在RC5009柜通過J1/J2/J3繼電器“三取二”輸出，表征鍋爐跳閘。在DCS系統里（RC5004柜）通過DO點輸出至各個系統及設備，實現聯鎖與保護的目的。其中爐跳機保護，MFT信號通過DO091714單點送到ETS系統Tricon機柜0103卡第15通道。

5.2 ? ?優化控制策略

對MFT輸出到ETS系統的保護信號進行冗余處理，增加兩路爐跳機信號，然后在Tricon系統里面增加“三取二”邏輯保護。

5.2.1 ? ?電纜布置

從#5機組RC5004柜到TRI501柜放兩根2×2×1.5規格電纜。

電纜敷設時應充分考慮到新增電纜的布局、選型及防火防爆性能，正確的電纜選型和合理布局可以有效減少外部環境對信號的干擾以及各種電纜之間的相互干擾，提高DCS系統運行的穩定性。

5.2.2 ? ?MFT系統

原爐跳機單DO點：CP5005下50MFT：MFT5_COUT（地址：U50917-14）。

現增加兩個DO點：CP5005下50MFT：MFT17_COUT（地址：U50926-14）、CP5005下50MFT：MFT18_COUT（地址：U50934-16）。三個MFT信號，分別取自三塊不同的DCS底板，保證設備安全性。

5.2.3 ? ?Tricon系統

DI卡有兩塊——0103和0105。原有的MFT輸入信號為0103卡的第15通道，故取0105卡的第25、26備用通道（接線端子排號U3：50、U3：51）做兩個DI點進行組態。Tricon系統組態實現如圖4所示。

5.2.4 ? ?試驗

全面進行FSSS保護試驗、DEH保護試驗、橫向聯鎖保護試驗，經設備運行與管理雙方確認，本次邏輯異動結果達到預期。

6 ? ?結論

本次改造鑒于事故案例和行業最新反措要求成功開展，不難看出，對于任何系統及設備，它們的高可靠性和可用率是人們所期望的。為了提高一個系統或者設備的可靠性，必須保證組成系統的各個設備及元件的高可用率，并且有相應的冗余，防止個別元件損壞，造成系統或者設備不能運行。因此，“三取二”邏輯作為一種冗余配置原則在不同領域逐步得到了應用。

同時，根據可靠性分析的馬爾科夫過程原理，并考慮不同的保護輸出邏輯，分別計算誤動率和拒動率：假設一套保護故障誤動率和拒動率各為0.01，則兩套相同保護相“與”輸出，誤動率相乘為0.000 1，拒動率相加為0.02;而兩套相同保護相“或”輸出則相反，誤動率相加為0.02，拒動率相乘為0.000 1;三套保護相同輸出“三取二”，則誤動率為0.000 3，拒動率為0.000 008。這充分說明不計保護裝置本身監護功能的作用，兩個相同的保護通道，不論采取什么輸出邏輯，都不能解決誤動與拒動之間的矛盾，而“三取二”方式的誤動率和拒動率都比較低，很好地解決了此矛盾[4]。

因此，采用“三取二”的邏輯判斷方式對機跳爐、爐跳機保護信號進行冗余處理，使橫向聯鎖保護動作更加可靠和安全，既防誤動又防拒動，減少了設備非停事故，極大地提高了機組運行安全性能，充分說明了此次改造選取的方案和改造成果是可靠的。

目前，該電廠三期工程汽輪機TSI裝置和ETS系統之間的振動、軸向位移等跳閘信號尚為單點設計，這些控制保護模塊應盡快采用“三取二”邏輯，進一步提高運行可靠性，防止設備誤動導致的非停事故發生。

[參考文獻]

[1] 邊立秀，周俊霞，趙勁松，等.熱工控制系統[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] 汪祖鑫.超臨界壓力600 MW機組的啟動和運行[M].北京：中國電力出版社，1996.

[3] 華志剛，鄔菲.FSSS系統在600 MW火電機組仿真機的研究與應用[J].江西能源，2007（4）：28-30.

[4] 林松青.提高TXP控制系統穩定運行的措施[J].華東電力，2006（1）：88-90.

收稿日期：2022-02-17

作者簡介：張兆生（1991—），男，江蘇人，工程師，研究方向：電力工程。

通信作者：張伶俐（1991—），女，遼寧人，助教，研究方向：控制理論與控制工程。