指導(dǎo)火電廠中熱工自動化安全技術(shù)配置若干思想

呂琦巖

摘要：文章闡述了火電廠熱工自動化安全技術(shù)配置和安全技術(shù)指導(dǎo)思想，討論了火電廠熱工保護(hù)設(shè)計、分散控制系統(tǒng)(DCS)及其后備監(jiān)控設(shè)備配置和以“開放”的思想引進(jìn)電控安全技術(shù)等三個方面的具體安全技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：熱工自動化；電控安全技術(shù)；熱工保護(hù)設(shè)計；分散控制系統(tǒng)；后備監(jiān)控設(shè)備

中圖分類號：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009－2374(2009)12－0057－02

最近幾年，國際上過程工業(yè)領(lǐng)域的安全問題引起了高度關(guān)注，以國際電工委員會(IEC)為首的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織分別于1998、2003年發(fā)布了國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61508《電氣／電子／可編程安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》和IEC61511《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》，同時，安全儀表系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品也得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。

我國火電廠隨著以DCS為中心的先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用及控制和保護(hù)技術(shù)的完善，大型火電機(jī)組的安全狀況有了很大改善。但應(yīng)看到，近年來，汽輪機(jī)超速、爐膛(煙道)爆炸、汽包滿缺水導(dǎo)致鍋爐爆管和汽輪機(jī)帶水、大軸彎曲，甚至造成人身傷害的重大事故仍時有發(fā)生，熱工自動化系統(tǒng)造成的機(jī)組甚至全廠非計劃停運(yùn)事故也頻頻發(fā)生。因此，仍應(yīng)對火電廠的安全問題給予高度關(guān)注。

目前，我國火電廠熱工自動化安全技術(shù)雖然有了長足進(jìn)步，也積累了較豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，但是，要使這些技術(shù)成為共識、形成規(guī)范，需要從安全指導(dǎo)思想層面對它進(jìn)行討論，統(tǒng)一認(rèn)識。因此，本文不重點(diǎn)討論安全技術(shù)的具體問題，而著重探討熱工自動化安全技術(shù)配置的指導(dǎo)思想。

一、熱工保護(hù)設(shè)計指導(dǎo)思想

如何處理“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”和“保發(fā)電”的關(guān)系，以及如何對待事故處理中依靠人還是依靠熱工保護(hù)，決定了火電廠熱工保護(hù)設(shè)計的指導(dǎo)思想，而不同的指導(dǎo)思想又決定了各個歷史階段具體熱工保護(hù)系統(tǒng)的配置。我國火電廠熱工保護(hù)發(fā)展經(jīng)歷了不同指導(dǎo)思想的三個發(fā)展階段。

(一)低級階段

20世紀(jì)80年代，我國火電廠熱工保護(hù)處于發(fā)展的低級階段，其特征是以報警為主，跳閘保護(hù)項目很少；事故處理時強(qiáng)調(diào)人的作用，依靠運(yùn)行人員處理；處理事故的原則是盡量不跳機(jī)、保發(fā)電。這在當(dāng)時熱工自動化技術(shù)落后、可靠性低，機(jī)組容量小、參數(shù)變化慢以及電網(wǎng)容量小、比較脆弱的情況下，這種指導(dǎo)思想是完全正確的。

(二)適應(yīng)大機(jī)組的發(fā)展階段

20世紀(jì)90年代，我國電力行業(yè)逐步進(jìn)入大電網(wǎng)、大機(jī)組時期，熱工自動化技術(shù)飛躍發(fā)展，這種背景下，產(chǎn)生了一種全新的熱工保護(hù)設(shè)計理念，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1堅持“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”第一的安全指導(dǎo)思想，在大電網(wǎng)條件下，決不可將不跳機(jī)、保發(fā)電等同于保電網(wǎng)。

2發(fā)揮人的能動性主要體現(xiàn)在精心設(shè)計和選型、精心調(diào)試上，事故處理的緊急情況下應(yīng)首先依靠熱工保護(hù)，運(yùn)行人員則發(fā)揮輔助作用。

根據(jù)新的保護(hù)指導(dǎo)思想，大機(jī)組熱工跳閘保護(hù)項目應(yīng)較完善；事故處理時主要依靠保護(hù)；保護(hù)設(shè)計是保人身、保設(shè)備第一的原則，“寧愿誤動，不應(yīng)拒動”。在新舊兩種保護(hù)理念更替中引起了激烈爭論，有些問題至今仍爭論不斷，其中最典型的是要不要堅持設(shè)置“停爐停機(jī)”保護(hù)問題的爭論。目前有一部分電廠沒有按照設(shè)計規(guī)程執(zhí)行，而是停爐不停機(jī)，理由是：停爐后不停機(jī)，運(yùn)行人員可通過手動操作把負(fù)荷降下來，利用鍋爐蓄熱，汽輪機(jī)帶低負(fù)荷運(yùn)行，一旦檢查無較大故障，可立即點(diǎn)爐啟動，省去汽輪機(jī)啟動并網(wǎng)過程。首先，這種做法潛伏著重大人身傷害和設(shè)備損壞事故的危險。實(shí)踐告訴我們，鍋爐事故停爐(MFT)和汽輪機(jī)快速降負(fù)荷需要運(yùn)行人員監(jiān)視大量信息，并執(zhí)行一系列操作，稍有不慎，可能因操作不當(dāng)而擴(kuò)大事故。汽輪機(jī)降低負(fù)荷不及時，汽壓和汽溫急劇下降有可能導(dǎo)致蒸汽帶水，管道和汽輪機(jī)水沖擊。此外，這種降負(fù)荷過程以及突降到低負(fù)荷下運(yùn)行將造成汽包、汽輪機(jī)極大的熱應(yīng)力和汽輪機(jī)脹差，這類事故并不少見。至于帶廠用電的好處，對于大電網(wǎng)和多機(jī)組電廠來說，作用并不明顯，而對于孤網(wǎng)運(yùn)行且由于系統(tǒng)解列導(dǎo)致鍋爐MFT停運(yùn)情況，帶廠用電是有重要意義的，但目前傳統(tǒng)的汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)和自動電壓調(diào)節(jié)器(AVR)系統(tǒng)無法滿足這方面要求，對于這類特殊電廠需作專門設(shè)計。

對于恢復(fù)快和電網(wǎng)考核，這屬于經(jīng)濟(jì)方面的考慮。大型單元機(jī)組解列與否對恢復(fù)時間的影響并不很大。此外，這種考核方法也值得商討，不正確的考核會產(chǎn)生錯誤的導(dǎo)向。對于電網(wǎng)，如果機(jī)組帶不上負(fù)荷，并網(wǎng)與否差別不大(僅差帶無功)，電廠中有多臺機(jī)組，恢復(fù)略慢所差負(fù)荷完全可由其他機(jī)組補(bǔ)上。為了經(jīng)濟(jì)上的這點(diǎn)小利冒如此大的風(fēng)險，并將如此大的責(zé)任壓到運(yùn)行人員身上，顯然是不妥的。

(三)進(jìn)一步完善化的發(fā)展階段

我國大機(jī)組熱工保護(hù)理念及其配置從引進(jìn)到現(xiàn)在的10多年來，人身傷害和設(shè)備損壞等重大事故大幅減少，而保護(hù)誤動造成非計劃停運(yùn)的事故與初期相比雖然有所減少，但是仍高達(dá)平均每臺機(jī)組2～4a發(fā)生1次，由此帶來不小的經(jīng)濟(jì)損失。因此，客觀上要求熱工保護(hù)進(jìn)一步完善化，即在堅持“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”的前提下盡可能減少誤動，以獲取機(jī)組最好的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益?！痘鹆Πl(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)指南》中規(guī)定的一些保護(hù)邏輯修改正是反映了這一發(fā)展階段的部分成果，例如：

1四角噴燃鍋爐的中速磨煤機(jī)跳閘條件應(yīng)修改為：A(B/C/D/E)層相鄰2角或3角火焰喪失，且相鄰層火焰和該層點(diǎn)火能源都喪失。

2對于汽輪機(jī)振動保護(hù)常誤動、可靠性差以致該保護(hù)不能投入的機(jī)組，允許“汽輪機(jī)振動大”跳機(jī)的邏輯修改為：1個軸承振動達(dá)到事故值，且相鄰軸承任一振動達(dá)到報警值，經(jīng)一定延時后應(yīng)立即停機(jī)。邏輯修改后，當(dāng)任一軸承振動達(dá)到事故值時，應(yīng)有明顯的聲光報警，此時，運(yùn)行人員應(yīng)及時進(jìn)行判別，除非明確斷定是振動信號誤發(fā)，否則運(yùn)行人員應(yīng)及時手動停機(jī)。

二、DCS及其后備監(jiān)控設(shè)備配置指導(dǎo)思想

目前DCS不僅覆蓋了熱工自動化方面的所有功能，還包括了電氣監(jiān)控功能，后備監(jiān)控設(shè)備也幾乎全部取消。這在提高儀表與控制(I＆c)水平的同時也使DCS對火電廠安全性的影響日益增大，DCS故障導(dǎo)致機(jī)組安全隱患、機(jī)組非計劃停運(yùn)，甚至全廠(或2臺機(jī)組)停電事故的機(jī)率明顯增加。為進(jìn)一步提高火電機(jī)組運(yùn)行的安全性，需進(jìn)一步發(fā)展DCS的安全技術(shù)。DCS安全技術(shù)包括兩個方面：

1提高DCS可靠性，從源頭上減小DCS故障發(fā)生率，如提高DCS電磁兼容性、開發(fā)安全控制器等。為此，《火力發(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)指南》已進(jìn)一步提出一系列要求。

2合理配置DCS及其后備監(jiān)控設(shè)備，減小DCS故障的影響程度。這是本節(jié)要重點(diǎn)討論的課題。根據(jù)當(dāng)DCS故障時最大限度減小對機(jī)組安全運(yùn)行的影響這一指導(dǎo)思想，《火力發(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)指南》中提出一系列新的DCS配置要

求，例如：(1)對于循環(huán)水泵、空冷機(jī)組的冷卻水泵及儀用空壓機(jī)等重要公用系統(tǒng)(或擴(kuò)大單元系統(tǒng))，應(yīng)按單元或分組納入單元機(jī)組DCS中，以免因公用DCS故障而導(dǎo)致全廠或2臺機(jī)組同時停止運(yùn)行。(2)控制器宜按工藝系統(tǒng)功能區(qū)配置。重要的多臺冗余或組合的輔機(jī)(輔助設(shè)備)應(yīng)按下列原則配置，以確保1對控制器故障不會造成機(jī)組被迫停止運(yùn)行：1)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵等2臺冗余的重要輔機(jī)及A、B段廠用電應(yīng)分別配置在不同的控制器中，但允許送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等縱向組合在1個控制器中；2)給水泵、磨煤機(jī)和油燃燒器等多臺冗余或組合的重要設(shè)備應(yīng)適當(dāng)分組配置到幾個控制器中。(3)為了減少1對控制器故障對模擬量控制系統(tǒng)失靈造成的影響，重要模擬量控制回路應(yīng)適當(dāng)分散配置，影響同一重要參數(shù)的控制回路應(yīng)盡量配置在不同控制器中，如主蒸汽一級和二級減溫控制系統(tǒng)、再熱蒸汽擺動火嘴和噴水控制系統(tǒng)、送風(fēng)和引風(fēng)控制系統(tǒng)等不宜配置在同一對控制器中。(4)控制器(包括汽包水位控制器)的配置必須嚴(yán)格遵循重要保護(hù)和控制分開配置的獨(dú)立性原則。(5)DEll控制器應(yīng)按失電或故障時自動停止機(jī)組運(yùn)行的故障安全原則配置。爐膛安全系統(tǒng)(FSS)和汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)控制器在其繼電器執(zhí)行回路已按故障安全原則配置時，其跳閘輸出可按帶電動作原則配置。(6)除DEH控制器外，當(dāng)任何一對控制器故障時，為確保短時恢復(fù)期間機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷能安全運(yùn)行，除應(yīng)按要求配置硬接線后備監(jiān)控設(shè)備外，至少對下列重要安全參數(shù)應(yīng)在2對控制器中同時予以配置：汽包水位(超臨界壓力機(jī)組除外)、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度、爐膛壓力。

對于DCS后備監(jiān)控設(shè)備，也應(yīng)根據(jù)下述問題對目前的配置方案重新進(jìn)行思考：(1)在DCS局部故障時能否維持短時穩(wěn)定負(fù)荷下運(yùn)行；(2)DCS在發(fā)生全局性或重大故障而緊急停機(jī)過程中能否確保機(jī)組的真正安全。但對以上問題，系統(tǒng)分析和實(shí)踐都無法給出肯定無誤的回答。當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時，目前機(jī)組配置的后備操作設(shè)備提供了發(fā)出停機(jī)、停爐，啟動交、直流潤滑油泵，打開真空破壞門等指令的手段，但停機(jī)、停爐是一個復(fù)雜的過程，需要進(jìn)行一系列操作，這將全部依賴獨(dú)立于DCS的保護(hù)和聯(lián)鎖回路去自動執(zhí)行。熟悉運(yùn)行的人都很清楚，其中有相當(dāng)一部分操作如果沒有被正確執(zhí)行將不能保證停機(jī)過程中機(jī)組的安全，如發(fā)出停爐指令后有任1臺磨煤機(jī)沒有停止運(yùn)行、給水或減溫水閥門沒有關(guān)閉，發(fā)出停機(jī)指令后主汽門或調(diào)速汽門沒有關(guān)閉，抽汽逆止門沒有關(guān)閉，潤滑油泵不能正常供油等都將嚴(yán)重危及機(jī)組安全。事故調(diào)查也證明，保護(hù)和聯(lián)鎖拒動的現(xiàn)象也時有發(fā)生。

當(dāng)DCS發(fā)生局部故障時，若一對冗余的給水控制器、汽溫控制器或爐膛負(fù)壓控制器故障，仍想維持短時運(yùn)行，則目前的DCS控制器配置及后備監(jiān)控設(shè)備配置是否能滿足要求，答案也是否定的。根據(jù)上述配置指導(dǎo)思想，作者認(rèn)為目前的后備監(jiān)控儀表和報警裝置應(yīng)按下列要求修改配置：(1)后備監(jiān)視儀表：鍋爐汽包電接點(diǎn)水位表(必須選用經(jīng)實(shí)踐證明安全可靠，全程測量準(zhǔn)確)；鍋爐爐膛火焰工業(yè)電視；凝汽器真空表；汽輪機(jī)；(2)后備報警裝置：為確保DCS故障時維持機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷下短時運(yùn)行或緊急停機(jī)過程中的安全，必須監(jiān)視一些重要安全參數(shù)是否在安全范圍內(nèi)，主要跳閘或聯(lián)鎖保護(hù)是否正確動作，但裝設(shè)過多后備儀表和后備操作設(shè)備帶來的問題較多。因此，適當(dāng)增加后備報警裝置，用較小代價換取機(jī)組的安全是最好的選擇。

建議單元機(jī)組必須按下列原則配置足夠數(shù)量的報警信號：主要安全參數(shù)達(dá)到二值和三值；主要電源和氣源消失；機(jī)組跳閘和主要保護(hù)聯(lián)鎖動作。

三、“開放”思想引進(jìn)電控安全技術(shù)

目前DCS不但覆蓋機(jī)組熱工自動化功能，而且早已將機(jī)組電控也納入其中，甚至不久將在—個電廠內(nèi)用同型DCS實(shí)現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。但DCS的開發(fā)和應(yīng)用長期以來一直以熱工自動化專業(yè)為主體，因此，為了推動DCS技術(shù)進(jìn)步，開發(fā)和應(yīng)用DCS的熱工自動化公司和技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)“開放”思想，研究電控的需要，引進(jìn)電控的技術(shù)，特別是安全技術(shù)，使DCS的開發(fā)和應(yīng)用全面吸收2個專業(yè)發(fā)展的技術(shù)成果，并使DCS成為充分滿足機(jī)組(或全廠)而不是某個專業(yè)用的自動化系統(tǒng)。舉例說明：在電氣專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，為了確?？煽啃?，規(guī)定繼電保護(hù)裝置電磁兼容性(EMC)試驗(包括靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌(沖擊)抗擾度及磁性抗擾度等試驗)各項指標(biāo)應(yīng)達(dá)到GB/T17626(IEC61000-4)4級要求，測控單元應(yīng)達(dá)到3級要求。但目前國內(nèi)外DCS對EMC等級均無明確要求，僅有個別DCS通過測試正式宣布達(dá)到3級及以上。這種現(xiàn)狀很不適應(yīng)DCS應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展和安全性提高的要求，因此，應(yīng)參考電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制定DCS的EMC要求。考慮到目前實(shí)際情況，《火力發(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)應(yīng)用指南》建議“DCS的EMC等級應(yīng)達(dá)到CB/T176263級及以上要求”，其中個別項目暫時達(dá)到有困難時，“最低也不允許低于2級”，但是應(yīng)盡快改進(jìn)以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)語

我國火電廠熱工自動化安全技術(shù)飛速發(fā)展，并積累了豐富的經(jīng)驗，為了統(tǒng)一認(rèn)識，正確總結(jié)經(jīng)驗，需要有一個適應(yīng)形勢發(fā)展的新的安全技術(shù)配置的指導(dǎo)思想。但是，當(dāng)這些安全技術(shù)還沒有成為行業(yè)規(guī)范或適當(dāng)?shù)男姓噶顣r，設(shè)計單位或電力企業(yè)往往不應(yīng)用。如汽包水位測量和保護(hù)技術(shù)近七八年有了重大突破，并已取得大量成功應(yīng)用經(jīng)驗，但由于沒有一個與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，束縛了這一新技術(shù)的推廣應(yīng)用，使不少電廠仍存在嚴(yán)重隱患；又如10年前已經(jīng)認(rèn)識到許多參數(shù)使用變送器代替開關(guān)量儀表取得保護(hù)信號更可靠，但由于相關(guān)規(guī)程至今沒有修改，設(shè)計依然照舊?？梢?，加強(qiáng)行業(yè)技術(shù)管理，適時制定安全技術(shù)規(guī)范和行政指令非常重要。我國電力行業(yè)技術(shù)管理相對比較落后，特別是國家電力公司解體以來，行業(yè)技術(shù)管理明顯削弱，這涉及深層次體制問題，期盼有關(guān)各方共同努力，盡快推進(jìn)這個問題的解決。

作者簡介：呂綺巖(1981-)，男，遼寧人，供職于湛江電力有限公司，研究方向：熱自動化工程。