提高樂清發(fā)電廠熱控系統(tǒng)可靠性的技術(shù)措施

李建國，陳統(tǒng)錢，丁俊宏，樊健剛，章衛(wèi)軍，葉國滿，張鵬

(1.浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省樂清市 325609;2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州市 310014)

0 引言

隨著發(fā)電機(jī)組容量和規(guī)模的成倍增長，分散控制系統(tǒng)的可靠性水平成為確保發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行和滿足國家節(jié)能環(huán)保要求的關(guān)鍵。浙能樂清電廠2×600 MW超臨界機(jī)組和2×660 MW超超臨界機(jī)組的分散控制系統(tǒng)(distribute control system，DCS)采用Symphony控制系統(tǒng)，其數(shù)字式電氣液壓控制(digital electric hydraulic control，DEH)系統(tǒng)采用T3000控制系統(tǒng)。

機(jī)組投產(chǎn)后，由于設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維修中存在不足，導(dǎo)致數(shù)起機(jī)組跳閘事件，影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文參照《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》［1］要求，對(duì)引起故障的原因進(jìn)行分析研究，提出故障預(yù)控措施。

1 熱控系統(tǒng)故障原因分析

1.1 雷擊與干擾故障分析

雷擊與干擾，輕則引起信號(hào)畸變，使參數(shù)顯示不準(zhǔn)、誤發(fā)報(bào)警信號(hào)、控制設(shè)備出現(xiàn)誤擾動(dòng)、自動(dòng)投入品質(zhì)變差，降低系統(tǒng)可靠性;重則導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至損壞DCS部件或引起機(jī)組跳閘，影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(1)雷擊損壞設(shè)備。機(jī)組投產(chǎn)后，曾發(fā)生2號(hào)機(jī)組煙氣脫硫(flue gas desulphurization，F(xiàn)GD)旁路擋板和密封風(fēng)擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)出現(xiàn)故障。2天后，1號(hào)機(jī)組FGD旁路擋板電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)送電后也出現(xiàn)類似故障，8個(gè)變送器故障損壞。當(dāng)時(shí)都是雷雨天氣，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場損壞的設(shè)備解體檢查，都發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)電直接竄入造成設(shè)備內(nèi)部控制電路板損壞的痕跡。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，損壞的設(shè)備基本在以煙囪為中心、半徑為8 m的范圍內(nèi)。煙囪底部為巖石基礎(chǔ)，雷擊散流特性較差。煙囪雖然已設(shè)計(jì)安裝了獨(dú)立、集中防雷接地裝置，但實(shí)際未能與電氣主接地網(wǎng)真正獨(dú)立，且引雷體與煙囪主筋相連，煙道和煙囪又相互連接，造成煙道變成引雷釋放體，引發(fā)了熱控設(shè)備遭雷擊損壞。事后，在變送器上加裝防雷裝置，旁路擋板門執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加位置反饋輸出隔離器，類似損壞事件未再發(fā)生。

(2)干擾引起空氣預(yù)熱器油泵自啟。由于熱控系統(tǒng)設(shè)備工作在嚴(yán)重的電場和磁場干擾源環(huán)境中，控制回路自身、電磁耦合、靜電感應(yīng)、接地線電位波動(dòng)等將對(duì)其產(chǎn)生干擾。機(jī)組投產(chǎn)以來，多次發(fā)生干擾引起測(cè)量信號(hào)和系統(tǒng)工作異常。2011年7月8日，發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組爐側(cè)100多點(diǎn)熱電阻信號(hào)同時(shí)跳變，跳變信號(hào)分布在不同的分組控制單元柜(package control unit，PCU)及柜內(nèi)不同的橋路控制處理器(harmony bridge controller，BRC)控制卡件，鍋爐系統(tǒng)空氣預(yù)熱器支持油箱油溫跳變，引起油泵自啟。干擾產(chǎn)生的源頭未能查明，但在信號(hào)輸入端子處加裝電容后，信號(hào)波動(dòng)消除。

1.2 安裝、檢修、維護(hù)不當(dāng)

根據(jù)熱工自動(dòng)化故障統(tǒng)計(jì)［2］，安裝、檢修、維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致熱工系統(tǒng)運(yùn)行異?；蚬收系碾[患包含:接線錯(cuò)誤或松動(dòng)、插頭連接不良、防護(hù)措施不到位、設(shè)備安裝位置不合理、電纜設(shè)備措施防護(hù)安裝不當(dāng)、電纜敷設(shè)未避開高溫區(qū)或未使用高溫電纜、管路安裝不規(guī)范導(dǎo)致積水聚氣等。樂清電廠投產(chǎn)后也發(fā)生多次類似隱患引起控制系統(tǒng)運(yùn)行異常。

(1)電纜走向未避開高溫區(qū)。2011年8月1日，4號(hào)機(jī)組跳閘，故障原因?yàn)?B中壓主汽門閥位反饋信號(hào)電纜未按設(shè)計(jì)要求敷設(shè)耐高溫電纜且敷設(shè)走向不合理，中主門閥體上部保溫不嚴(yán)密，閥體輻射熱量直接傳遞至電纜保護(hù)管，使其內(nèi)的電纜被高溫燙傷短路，造成4A、4B共用的電源開關(guān)跳開，4A、4B中壓主汽門開啟信號(hào)同時(shí)失去，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)［3］。

(2)航空接頭的接觸不良信號(hào)顯示異常。外循泵振動(dòng)延伸電纜接頭采用的是航空式接頭，由于長期處于高振動(dòng)的環(huán)境，接頭時(shí)常發(fā)生松動(dòng)或接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致循泵振動(dòng)顯示值變大或壞值。此外，1、2號(hào)機(jī)部分軸振是由于傳感器末端LEMO接頭與前置器上的插座也存在接觸不良引起振動(dòng)跳變情況。此問題的解決辦法是對(duì)航空接頭連接處進(jìn)行包扎或用環(huán)氧樹脂密封。

(3)防護(hù)措施不到位引起RB動(dòng)作。2011年9月30日，4A空預(yù)器跳閘引起RB動(dòng)作，機(jī)組負(fù)荷由510 MW下降至330 MW，一次調(diào)頻及遠(yuǎn)控均退出，但4A一次風(fēng)機(jī)未聯(lián)跳。故障原因是安裝與檢修未做好防雨工作，雷雨天氣使壓力開關(guān)接線柱掛水短接，導(dǎo)致4A空預(yù)器因空預(yù)器齒輪油壓力低保護(hù)動(dòng)作而跳閘［4］。2010年10月6日，1、2號(hào)循泵分別跳閘，通過查歷史記錄，發(fā)現(xiàn)軸承溫度信號(hào)上下晃動(dòng)20℃左右。經(jīng)查事件的原因是現(xiàn)場有人利用檢修箱電源對(duì)電瓶車充電。

1.3 系統(tǒng)邏輯可靠性

設(shè)備導(dǎo)致機(jī)組跳閘事件，除了涉及設(shè)備質(zhì)量、安裝位置、運(yùn)行環(huán)境等因素外，往往還與單點(diǎn)信號(hào)、冗余信號(hào)公用模件、控制邏輯不完善等有關(guān)［5］。

(1)單點(diǎn)信號(hào)。干擾、接線不規(guī)范、元件損壞等多種原因影響，帶來單點(diǎn)信號(hào)作為保護(hù)條件的不可靠性。2011年4月11日，3B汽泵出口電動(dòng)門開單點(diǎn)反饋信號(hào)跳變，導(dǎo)致汽泵運(yùn)行狀態(tài)丟失觸發(fā)RB，引起機(jī)組負(fù)荷跳變(最低至350 MW)。對(duì)機(jī)組的單點(diǎn)保護(hù)信號(hào)、是否設(shè)置速率限制、延時(shí)時(shí)間定值等進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)，由機(jī)務(wù)和熱力系統(tǒng)專業(yè)人員一起進(jìn)行可靠性論證，影響機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行的單點(diǎn)信號(hào)和邏輯通過機(jī)組檢修期間增加測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行優(yōu)化，無法增加測(cè)點(diǎn)的溫度信號(hào)，增加溫度變化率保護(hù)，設(shè)置為5℃/s。

(2)冗余信號(hào)公用模件。1～4號(hào)鍋爐每臺(tái)磨煤機(jī)設(shè)置1套一次風(fēng)量測(cè)量裝置，各自引入2只差壓變送器，通過2塊模擬量模件輸入模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)中，磨煤機(jī)A/B/C通過輸出模件1、磨煤機(jī)D/E/F通過輸出模件2分別引至順序控制系統(tǒng)(sequence control system，SCS)中。運(yùn)行中若有1塊模件損壞，將至少有3臺(tái)磨煤機(jī)由于風(fēng)量低而跳閘。為了避免此情況發(fā)生，將模擬量信號(hào)在MCS系統(tǒng)中直接轉(zhuǎn)化為開關(guān)量信號(hào)再送入SCS系統(tǒng)中，以防止磨煤機(jī)跳閘。

(3)風(fēng)機(jī)單側(cè)運(yùn)行控制邏輯不完善。2010年9月22日，機(jī)組減負(fù)荷至340 MW進(jìn)行4A一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉消缺，當(dāng)投入4B一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉自動(dòng)時(shí)，4B一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令下滑，雖立即撤出自動(dòng)，但動(dòng)葉開度已降至50%以下，引起一次風(fēng)壓急跌而總?cè)剂咸l(master fuel trip，MFT)，首出為“爐膛壓力低低”。故障原因是4A一次風(fēng)機(jī)停運(yùn)斷電時(shí)，動(dòng)葉在全開位置，4B一次風(fēng)機(jī)投入自動(dòng)時(shí)，因一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉偏置回路控制邏輯處理不當(dāng)而使4B一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉快速關(guān)至50%以下。

2 可靠性綜合治理與預(yù)控措施

2.1 防雷與抗干擾預(yù)控措施

(1)現(xiàn)場排查。對(duì)機(jī)組主廠房內(nèi)外接地匯入點(diǎn)走向和具體位置、控制系統(tǒng)電源和信號(hào)電纜的接地、動(dòng)力電纜與控制信號(hào)電纜的間距及走向、全廠電纜橋架和電纜槽的接地、全廠控制系統(tǒng)加裝隔離器情況等進(jìn)行全面排查。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，進(jìn)行防雷接地與抗干擾技術(shù)的專題研究，包括現(xiàn)場干擾信號(hào)的各種抑制方法與干擾信號(hào)類型的關(guān)系、屏蔽電纜單端接地與二端接地對(duì)熱控系統(tǒng)抗干擾能力的影響、總屏加分屏電纜在提高抗干擾能力上的應(yīng)用，屏蔽電纜接地新方法研究開發(fā)等。

(2)抑制干擾方法。對(duì)可能引入現(xiàn)場干擾的儀表(變送器、執(zhí)行器等)加裝的金屬防護(hù)罩保證可靠接地;安裝于煙囪附近的儀表及防護(hù)罩接地連接到脫硫系統(tǒng)，而不連接煙囪接地系統(tǒng);共模轉(zhuǎn)串模造成的干擾和電磁感應(yīng)造成的串模干擾，采用信號(hào)回路間加濾波電容的方法抑制干擾;對(duì)于電磁干擾信號(hào)，在電纜控制系統(tǒng)側(cè)加裝合適的磁環(huán);采用齊納二極管和電容組合接入DCS卡件通道輸入端，將一些輸入信號(hào)的負(fù)端接地，也起到防雷保護(hù)作用。當(dāng)可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)的輸入端或輸出端連接有感性負(fù)載時(shí)，直流感性元件2端并聯(lián)續(xù)流二極管，交流感性元件2端并聯(lián)阻容吸收電路(浪涌抑制器)，以抑制電路斷開時(shí)電弧對(duì)PLC的干擾，減少因干擾原因引起系統(tǒng)誤動(dòng)和機(jī)組跳閘事件。

(3)研發(fā)光纖傳感器與抵制干擾保護(hù)器。研發(fā)光纖溫度、液位和振動(dòng)等信號(hào)傳感器，利用其很好的抗干擾性能和響應(yīng)靈敏度高的特點(diǎn)，從根本上消除干擾影響的同時(shí)提高測(cè)量精度與可靠性。開發(fā)抵制干擾保護(hù)器和多功能抗干擾接線端子，用于現(xiàn)場設(shè)備的防雷擊、電纜防電磁干擾、用電設(shè)備防諧波，提高控制系統(tǒng)輸入信號(hào)的抵制干擾性能［6-7］。

2.2 TSI可靠性治理

(1)保護(hù)邏輯優(yōu)化。對(duì)全廠輔機(jī)振動(dòng)測(cè)量及主機(jī)、小機(jī)汽輪機(jī)監(jiān)視儀表(turbine supervisory instruments，TSI)測(cè)量進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的高、低差脹保護(hù)為單點(diǎn)跳機(jī)，低差測(cè)量有一接線松動(dòng)，即可能誤發(fā)低壓缸差脹保護(hù)動(dòng)作。對(duì)TSI邏輯優(yōu)化，單點(diǎn)信號(hào)采取保護(hù)信號(hào)和報(bào)警信號(hào)相與邏輯。

(2)連接頭可靠防護(hù)。TSI電纜鎧裝或金屬管很容易與缸體等現(xiàn)場的導(dǎo)體接觸，如果探頭延伸電纜連接頭的外殼與金屬管接觸，就可能發(fā)生前置器的COM端與現(xiàn)場導(dǎo)體短接，而前置器的COM端是與機(jī)柜內(nèi)卡件的信號(hào)地連接，從而造成雙端接地引入干擾信號(hào)。此外，探頭延伸電纜通過連接頭和航空接頭連接處容易發(fā)生接觸不良現(xiàn)象，在無法改變這種連接方式的情況下，可采用熱塑管或環(huán)氧樹脂密封方式，保證接頭與金屬管及電纜鎧裝完全絕緣，同時(shí)可減少接觸不良現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)完善回路。安裝發(fā)電機(jī)側(cè)軸振和瓦振時(shí)，其底座加絕緣墊固定。TSI安裝前置放大器的接線盒均應(yīng)配置金屬接線盒(原配置塑料接線盒全部更換)。前置器輸出信號(hào)電纜采用三芯屏蔽電纜，屏蔽層在汽機(jī)現(xiàn)場側(cè)絕緣浮空，電纜屏蔽層直接延伸到機(jī)架的接線端子旁，屏蔽線直接接在機(jī)架的COM上，對(duì)采用四芯屏蔽電纜的多余芯線進(jìn)行接地。TSI機(jī)柜內(nèi)輸出信號(hào)屏蔽應(yīng)浮空，由DCS接收側(cè)統(tǒng)一接地。機(jī)組檢修中，斷開前置器地(COM端)至卡件的接線，測(cè)量前置器地(COM端)與鎧裝電纜之間的電阻符合要求［8］。

2.3 邏輯可靠性優(yōu)化

(1)單點(diǎn)信號(hào)優(yōu)化。對(duì)機(jī)組的單點(diǎn)保護(hù)信號(hào)、速率限制設(shè)置、延時(shí)定值和運(yùn)行中易出現(xiàn)故障的設(shè)備、部件和元件等進(jìn)行梳理統(tǒng)計(jì)，與機(jī)務(wù)專業(yè)人員一起進(jìn)行可靠性論證，機(jī)組檢修期間采用容錯(cuò)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，通過預(yù)先設(shè)置的邏輯容錯(cuò)措施來降低或避免控制邏輯的誤動(dòng)作。如在可以增加測(cè)點(diǎn)的前提下，將影響機(jī)組設(shè)備安全運(yùn)行的單點(diǎn)信號(hào)改為“三取二”選擇邏輯，或根據(jù)單點(diǎn)信號(hào)間的因果關(guān)系，加入證實(shí)信號(hào)，改為“二取二”邏輯;無法改變?nèi)⌒欧绞降膯吸c(diǎn)信號(hào)，在保證安全性的前提下可改為報(bào)警。對(duì)進(jìn)入保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的溫度模擬量信號(hào)設(shè)置5℃/s的速率保護(hù)限止，設(shè)置保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)壞值切除與報(bào)警邏輯，減少或消除因接線松動(dòng)、干擾或元件故障引起信號(hào)突變導(dǎo)致系統(tǒng)故障。此外，報(bào)警后設(shè)置了閉鎖功能的保護(hù)信號(hào)，在其恢復(fù)正常后的閉鎖功能應(yīng)設(shè)置為自動(dòng)解除，并在大屏上設(shè)置信號(hào)牌，用于次重要類保護(hù)信號(hào)的共用報(bào)警。

(2)完善邏輯。結(jié)合機(jī)組運(yùn)行過程中暴露出來的缺陷，對(duì)控制邏輯進(jìn)行完善和優(yōu)化，如一期和二期的保護(hù)邏輯因鍋爐爐型和制造廠不同而有差別，為防止檢修維護(hù)時(shí)疏忽帶來隱患，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行核查比對(duì)，列出不同點(diǎn)。4臺(tái)機(jī)組的電源故障中斷(power failure interrupt，PFI)保護(hù)的功能均采用電阻短接。為避免一次風(fēng)機(jī)單側(cè)檢修未送電情況下一次風(fēng)機(jī)動(dòng)葉偏置回路控制邏輯設(shè)計(jì)缺陷，修改一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)邏輯，當(dāng)收到一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)時(shí)，選擇風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令進(jìn)入動(dòng)葉偏置計(jì)算回路，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)為0時(shí)，選擇0作為風(fēng)機(jī)動(dòng)葉指令進(jìn)入動(dòng)葉偏置計(jì)算回路。當(dāng)一次風(fēng)機(jī)未送電情況下，因風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)為0，保證了回路的正常作用。

2.4 接線與管路可靠性預(yù)控

(1)隱患排查。為提高接線與管路連接的可靠性，檢查進(jìn)入保護(hù)的溫度信號(hào)元件連接處彈簧片的完整性、接線的緊固性、冗余信號(hào)的全程冗余性、屏蔽電纜單點(diǎn)接地的可靠性、管路的坡度和伴熱帶的完好性、柜盒的封堵與密封性等。

(2)預(yù)控措施。進(jìn)入保護(hù)的溫度信號(hào)元件連接處彈簧片完整，手輕拉接線檢查緊固;冗余信號(hào)全程冗余(分電纜、分電源、分模件);所有電纜的備用芯無裸露現(xiàn)象。機(jī)柜內(nèi)重要控制、保護(hù)電纜的備用芯可靠接地;用于高溫高壓管道和容器上的測(cè)量元件溫包、壓力取樣部件的材質(zhì)，確認(rèn)與管道同種材料且安裝前進(jìn)行金相檢驗(yàn)。取樣一次閥為2個(gè)工藝閥門串聯(lián)連接，安裝于取樣點(diǎn)附近且便于運(yùn)行檢修操作的場所;測(cè)量高溫高壓蒸汽介質(zhì)的儀表安裝于測(cè)點(diǎn)上方的移位于測(cè)點(diǎn)下方。

2.5 技術(shù)與監(jiān)督管理

(1)編寫控制系統(tǒng)典型故障應(yīng)急處理預(yù)案。為確保機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生控制系統(tǒng)故障時(shí)，運(yùn)行和維護(hù)人員能夠迅速、準(zhǔn)確地組織故障處理，最大限度地降低故障造成的影響，在總結(jié)、研究控制系統(tǒng)故障時(shí)的應(yīng)急處理方法基礎(chǔ)上，編制適合機(jī)組運(yùn)行的分散控制系統(tǒng)故障應(yīng)急處理預(yù)案，機(jī)組檢修中進(jìn)行驗(yàn)證和完善，并定期進(jìn)行反事故學(xué)習(xí)，提高運(yùn)行、維護(hù)人員在控制系統(tǒng)故障時(shí)的應(yīng)急處理能力［9-10］。

(2)完善管理制度。從完善技術(shù)與監(jiān)督管理制度入手展開工作，對(duì)廠內(nèi)現(xiàn)有熱控管理制度中缺少的進(jìn)行補(bǔ)缺，不完善的進(jìn)行修訂;廠管理部門明確計(jì)量儀表的分類、統(tǒng)計(jì)要求，儀控部門對(duì)管轄的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，為以后儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)有效性提供依據(jù)和可靠性管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)可靠性評(píng)估。隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)組及重要輔機(jī)中的一些尚未發(fā)現(xiàn)的隱患還會(huì)相繼暴露，因此應(yīng)利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，開展熱控系統(tǒng)可靠性技術(shù)評(píng)估工作，對(duì)設(shè)計(jì)、組態(tài)、安裝、接線、保險(xiǎn)、屏蔽、接地、報(bào)警、首出故障信號(hào)等進(jìn)行完善，同時(shí)在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)的各種異常情況進(jìn)行詳細(xì)記錄、匯總分析，提前發(fā)現(xiàn)不符合要求的控制邏輯、回路并進(jìn)行優(yōu)化。

(4)專業(yè)人員培訓(xùn)。加強(qiáng)人員素質(zhì)培訓(xùn)，減少運(yùn)行、檢修、維護(hù)和人為原因引起的熱控系統(tǒng)故障。更多地開展專業(yè)人員間的學(xué)習(xí)、交流，收集其他電廠案例和經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)語

通過樂清電廠一、二期機(jī)組開展的提高熱控系統(tǒng)可靠性研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了可靠的設(shè)計(jì)與設(shè)備是保證熱控系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的先決條件，正確的檢修和維護(hù)是基礎(chǔ)，有效的技術(shù)管理是保證。提高熱控系統(tǒng)可靠性研究是一個(gè)長期過程，只有對(duì)熱控系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行檢修、運(yùn)行、維護(hù)全過程管理，對(duì)所有涉及環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)督，并確?？刂葡到y(tǒng)各種故障下的應(yīng)急處理措施切實(shí)可行，才能保證熱控系統(tǒng)為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

［1］孫長生，朱北恒，尹峰，等.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控［M］.北京:中國電力出版社，2010:15-50.

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(編輯:蔣毅恒)