火電機組熱控保護系統(tǒng)可靠性探討

宋毓楠

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司， 安徽　合肥　232088)

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火電機組熱控保護系統(tǒng)可靠性探討

宋毓楠

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司， 安徽合肥232088)

摘要：本文從人和物兩方面分析了影響熱控保護系統(tǒng)的相關因素，詳細解釋了提到的每種因素。對不合理的內容提出相應的改進辦法和途徑，并對熱控保護系統(tǒng)可靠性改進和優(yōu)化設計進行了探討。

關鍵詞：熱控保護系統(tǒng)； 可靠性； 改進

0引言

隨著DCS控制系統(tǒng)的廣為普及，即便是小容量機組也配備了DCS控制系統(tǒng)，其控制的設備范圍也越來越廣。鍋爐和汽機系統(tǒng)設備實行一體化控制，將電氣設備的控制也納入DCS系統(tǒng)，這些配置成為新建機組的標配和DCS改造的首選。隨著技術的發(fā)展，DCS控制系統(tǒng)的兼容性逐漸增強，新建機組中現場總線設備的覆蓋范圍逐漸擴大，熱控保護系統(tǒng)的可靠性越來越受到大家的重視。本文主要對影響熱控保護系統(tǒng)的因素和常見的故障問題進行討論，尋求完善熱控保護系統(tǒng)可靠性問題的方向和辦法。

1熱控保護系統(tǒng)可靠性的相關因素分解

海因里希的工業(yè)安全理論認為：人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)是事故的直接原因，企業(yè)事故預防工作的中心就是消除人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)。因此熱控保護系統(tǒng)的可靠性也可以按此理論分解為人員因素(電廠員工操作的正確性)和設備因素(熱控保護系統(tǒng)設備的穩(wěn)定性、完整性、冗余度設計合理性)。

2人員因素

火電廠熱控保護工作對象是既復雜又縝密的系統(tǒng)，人員因素的作用尤為重要，但人員工作過程中有很多不確定性，與人員的精神狀態(tài)、技術素養(yǎng)和安全意識等相關，可以通過以下幾種措施來控制和降低人為因素的發(fā)生：

(1)定期組織專業(yè)技能培訓，通過培訓改善員工的知識結構，提高人員的技術素養(yǎng)和對設備的認知水平。結合工作中容易犯錯誤的環(huán)節(jié)與工作人員易麻痹的思想，做特別的強化性訓練，使他們最終可以達到處理事情時臨危不亂，綜合提升他們的管理技術和水平；

(2)制定和完善DCS系統(tǒng)相關操作和管理的措施、制度，規(guī)范員工的作業(yè)行為，從制度上避免人為因素的影響。

3設備因素

可以通過產品升級、技術改進和優(yōu)化設計等手段使系統(tǒng)更加完善，從而降低設備因素。借鑒當前熱控保護系統(tǒng)運行過程中出現過的案例以及整改后運行經驗，加強熱工設備維護和技術管理，打造出實用、安全和可靠的熱控保護系統(tǒng)。我們從以下幾個方面來探討增強熱控保護系統(tǒng)的的本質可靠性。

3.1一次元件(信號)的選擇、安裝及可靠性處理

選擇合適的一次元件或合適的信號可以有效減少熱控保護的誤動和拒動，為此需要每個測量信號從現場到控制系統(tǒng)各引用點之間的每個環(huán)節(jié)安全、可靠，舉幾個例子說明：

1)在振動較大，粉塵較多的環(huán)境下檢測設備的機械位置，如果選擇一體化封裝漸進式開關會很大程度上提高檢測的準確性和穩(wěn)定性；

2)容易出現引壓管堵的風煙系統(tǒng)測點，安裝防堵取樣裝置；

3)選擇電氣開關的接點信號和電流信號判斷后相 “與”作為判斷泵或風機的運行狀態(tài)會很大程度上避免信號的誤判[1]；

4)控制電纜與動力電纜分開敷設，并遠離熱源或有良好的隔熱措施；

5)冗余測點的取樣管要獨立設置；

6)用于保護的信號盡量避免使用通訊點，應采用硬接線方式；

7)運行中關注測點的變化，及時發(fā)現和提前預測測點的非正常隱患；

8)對容易引入噪聲的測量信號進行濾波處理；

9)定期對現場一次元件進行檢查、端子復緊和校驗。

3.1.1壓力控制器和壓力變送器

在上世紀90年代初，壓力控制器在電廠處于試用、推廣階段，由于在可靠性上明顯優(yōu)于電接點壓力表，因而得到逐步推廣和普及。目前壓力控制器廣泛應用于各大主要保護控制系統(tǒng)中，包括爐膛負壓、安全油壓等保護。但隨著壓力變送器精度和穩(wěn)定性的提高以及價格逐漸趨于合理，因此電廠開始嘗試用壓力變送器取代壓力控制器。首先通過表1比較兩者的性能[2]。

表1　壓力控制器與壓力變送器的性能比較

通過比較可以發(fā)現，在不考慮取樣管堵塞、精度等級、信號漸變過程、多用途及穩(wěn)定性情況下，壓力控制器有一定的性價比優(yōu)勢，然而取樣管堵塞、精度等級、信號漸變過程、多用途及穩(wěn)定性恰恰是電廠熱控專業(yè)最為關心的問題，因此壓力控制器的優(yōu)勢會隨著壓力變送器技術的發(fā)展和壓力變送器的普及越來越弱化。

隨著壓力變送器技術逐漸成熟，越來越多的電廠開始對壓力控制器的實用性產生懷疑，用壓力變送器取代壓力控制器的做法會逐漸流行。上世紀末，歐洲設計中就大量使用壓力變送器作為保護測量設備。例如2001年投產的安徽合肥二電廠2×350MW機組，汽機側為德國ABB公司設計，大量采用變送器信號做保護。每次機組檢修時，壓力變送器的校前合格率明顯高于壓力控制器，證明這種做法是可取的。

3.1.2熱電偶與熱電阻

一般情況下電廠主機的軸瓦溫度保護和輔機軸承溫度保護測點均選擇熱電阻，而熱電阻在接線松動或斷路情況下，阻值瞬時增加，系統(tǒng)輸出同步增加，導致保護誤動。

常見解決方法是設置成冗余點，或將保護降為報警顯示，或利用信號變化率來判斷是否接線松動或斷路[3]。

另一種方法是用熱電偶取代熱電阻，在接線松動或斷路情況下，雖然顯示會嚴重偏低，但不會引起保護誤動。特別適合不便于安裝冗余測點的工藝設備。

另外電機軸承溫度元件端部加裝絕緣套，目的是消除通過電機轉子和DE、NDE兩端溫度元件及金屬保護套管對地回路的軸電流引起的干擾。

3.2熱工電源

熱工電源在熱控系統(tǒng)中的地位非常重要，因為熱工電源的故障對系統(tǒng)影響范圍最廣、后果最嚴重，會導致控制失靈、機組跳閘，甚至會因為電源問題致設備拒動而造成主、重要設備損壞的事故。正因為熱工電源的重要性，在設計和維護過程中應考慮以下幾種情況：

圖1　DCS電源系統(tǒng)設計圖

1)DCS系統(tǒng)電源設計應采用2路來源不同的可靠電源[4]，通過電源切換裝置提供可靠的冗余電源，切換裝置應滿足電源切換時不會引起設備初始化。這里提供一種優(yōu)化的熱工電源設計圖(見圖1)[5]。

2)按照電源負荷的重要性分類設計，避免重要性等級不同的負荷分配在一起。

3)分路電源配置合理的過流保護裝置，防止電源越級跳閘。

4)檢修定期做切換試驗的同時，必須檢查并記錄所有電源單獨帶負荷時的電壓。通過記錄數據的比較分析，可以先期發(fā)現電源模塊的故障，將電源模塊的故障控制在萌芽階段。

3.3現場總線

現場總線設備(FCS)是新技術、新裝備，目前還處在發(fā)展和完善過程中。近幾年現場總線技術和現場總線設備正逐步應用到新建機組中，適用范圍從外圍輔助系統(tǒng)向主輔機系統(tǒng)擴散，甚至在主機系統(tǒng)中也開始大量應用，華能南京金陵電廠2×1000MW機組總線覆蓋率達到40%。在設計方面需注意以下幾點：

1)現場總線設備按工藝系統(tǒng)功能區(qū)劃分，保持區(qū)域自治的原則，使控制器間的通信量最小，以減少主控網的通信負荷；

2)凡涉及保護和重要聯鎖的4-20mA信號采用具有HART協(xié)議的常規(guī)I/0模件；

3)相對集中的主/輔機的溫度測點，采用遠程I/O、智能前端或帶有PA總線接口的溫度測量智能裝置；

4)系統(tǒng)中檢測同一工藝參數的2個或3個測點，應分別接入不同的現場總線分支；

5)現場總線就地柜的環(huán)境要有保障，主要是溫度和灰塵要在受控范圍內；

6)根據現場總線使用的范圍及設計原則，設計了現場總線網絡拓撲結構，畫出網絡拓撲圖。從拓撲畫面可以直觀地了解現場總線網段的劃分、各網段的連接方式及網段所聯接的設備。運行人員可以通過拓撲畫面查看設備的運行狀況，也方便維護人員維護現場總線設備。

3.4保護邏輯

保護系統(tǒng)邏輯是保護系統(tǒng)的核心內容之一，保護邏輯設計的合理性和完整性直接關系保護系統(tǒng)的可靠性。當現場測量系統(tǒng)不能保證動作正確性時可以通過優(yōu)化保護邏輯達到同等效果。保護邏輯設計時需考慮以下幾個方面因素：

1)各設備制造廠提供的設計書；

2)各種相關國家標準和行業(yè)標準的規(guī)定；

3)工藝流程和工藝系統(tǒng)的要求；

4)保護信號容錯設計：冗余配置的信號通過不同的I/O模件引入；防止信號干擾的延時動作邏輯要滿足工藝設備要求；增加信號品質判斷；單點信號引入其相關性信號判別等。

3.4.1信號品質的判斷

眾所周知，熱電阻斷路是溫度高保護誤動作的主要原因。目前，普遍采用方法是通過溫度信號變化速率來判斷熱電阻是否短路，各DCS也提供了相應的控制模塊。如果溫度變化速率在允許范圍內，該溫度信號就是可信的。2012年夏季，在吉林某電廠就出現汽輪機軸承溫度高保護拒動。通過分析發(fā)現DCS控制的保護系統(tǒng)每100ms計算一次，也就是說，其中的溫度變化速率判斷模塊也是100ms計算一次。如果設定溫度變化率為5℃/s,并不等同于0.5℃/(100ms)，這就是保護拒動根本原因。

測量系統(tǒng)往往會產生嚴重的諧波干擾信號。這些信號頻率高，沖擊強，完全有可能瞬時達到甚至超過判別幅值，而一旦信號變化速率判斷模塊檢測這些干擾信號，就會立刻禁止保護輸出。

所以，只有嚴格按照按定義去編寫的信號速率變化判斷程序，才能正確發(fā)揮其既防保護誤動又防保護拒動功能。

3.4.2控制邏輯之間的相互關聯

控制系統(tǒng)是一個有機的整體，各子系統(tǒng)之間相互關聯、相互影響。比如說調節(jié)系統(tǒng)失調勢必會引起許多控制參數變化、振蕩、達到報警值甚至超過跳閘值直接觸發(fā)保護系統(tǒng)動作。如何有效防止因系統(tǒng)擾動引起工藝系統(tǒng)參數失常，最終觸發(fā)保護系統(tǒng)動作，是熱工邏輯優(yōu)化的一個常態(tài)的工作。下面是幾種常見的容錯邏輯設計，能及時、自動防止事故擴大導致機組跳閘。

1)設定值與實際值偏差大時自動將控制系統(tǒng)切手動控制邏輯，防止系統(tǒng)擾動過大；

2)手/自動無擾切換邏輯，減少手/自動邏輯投切時對系統(tǒng)的擾動；

3)模擬量控制系統(tǒng)中采用的方向性閉鎖、禁開/禁關邏輯的保護措施，防止控制參數越限。

4結束語

火電廠熱控保護系統(tǒng)可靠性是熱控專業(yè)永恒的話題，對其改進和優(yōu)化工作是非常瑣碎，看似微不足道，但對提高機組運行的可靠性卻至關重要。我們可以從避免機組事故、設備損壞、誤操作的角度出發(fā)，研究熱控保護系統(tǒng)的可靠性，通過不斷總結，形成一整套可借鑒的典型優(yōu)化方案，并推廣應用，以指導新建火電廠熱工熱控保護系統(tǒng)設計。本文對火電廠熱控系統(tǒng)可靠性的研究，提出了一些觀點和方法，希望能為控制保護系統(tǒng)的優(yōu)化和設計理清思路?？梢灶A見，隨著火電廠熱控技術的進步，診斷技術、通訊技術和容錯技術的發(fā)展，熱控保護系統(tǒng)將更加完善、可靠。

參考文獻：

[1] DL/ T 261-2012,火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術導則[S].

[2] 趙長林.熱控技術監(jiān)督中的安全問題探討[C]//2014年中國發(fā)電廠熱工自動化技術論壇論文集(下冊).全國發(fā)電廠熱工自動化專業(yè)年會組委會,2014.

[3] 孫長生.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預控[M].北京:中國電力出版社,2010.

[4] GB 50660-2011,大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范[S].

[5] 盧銘慶.熱工控制系統(tǒng)電源設計現狀及改進方案[J].江西電力,2005,29(6):27-29.

[責任編輯：薛寶]

Discussion on Reliability of Thermal Protection System for Thermal Power Units

SONGYu-nan

(DatangEastChinaElectricPowerTest&ResearchInstitute,Hefei232088,China)

Abstract:This paper from two aspects of people and objects, analyzes the related factors influencing the thermal protection system, explains in detail each of these factors. To the unreasonable content, the corresponding improvement measures and ways are put forward, and the thermal protection system reliability improvement and optimization design are discussed in this paper.

Key words:thermal protection system; reliability; improve

中圖分類號：TK39

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0073- 04

作者簡介：宋毓楠(1972-)，男，安徽安慶人，工程碩士，高級工程師，主要從事熱控管理工作。中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東分公司。E-mail：414830667@qq.com

收稿日期：2015- 09-17