火電廠(chǎng)鍋爐跳閘硬回路的可靠性分析

郭 琳，魏 靜

（1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 徐州 250013；2.山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（Furnace Safeguard Supervisory System，F(xiàn)SSS），是火電機(jī)組分散控制系統(tǒng)（DCS）的一個(gè)重要組成部分，起著鍋爐安全監(jiān)控和保護(hù)的重要作用，一旦有危及鍋爐安全運(yùn)行的工況發(fā)生，F(xiàn)SSS能快速輸出跳閘指令，切斷進(jìn)入爐膛的燃料，避免鍋爐發(fā)生爆炸等惡性事故?？?cè)剂咸l（Master Fuel Trip，MFT） 是 FSSS 的核心功能，MFT跳閘回路的設(shè)計(jì)，在FSSS設(shè)計(jì)中極為重要，如果其拒動(dòng)或誤動(dòng)，都會(huì)對(duì)鍋爐及其輔助設(shè)備的安全造成重大影響。

為確保MFT跳閘回路的可靠性，主流FSSS設(shè)計(jì)方案中，均采用軟邏輯跳閘回路與后備跳閘硬回路兩套回路并行工作的設(shè)計(jì)原則。軟回路由DCS中的FSSS控制器邏輯程序判斷后，輸出指令直接動(dòng)作設(shè)備。硬回路跳閘則是指由FSSS輸出控制MFT跳閘繼電器組的跳閘硬回路動(dòng)作設(shè)備，在緊急情況下由后備手動(dòng)按鈕觸發(fā)跳閘硬回路，驅(qū)動(dòng)相關(guān)跳閘對(duì)象實(shí)現(xiàn)停爐。上述MFT軟硬跳閘回路且應(yīng)按互相冗余考慮，當(dāng)其中一個(gè)回路失效時(shí)，另一個(gè)回路能及時(shí)安全地停止機(jī)組運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用中，為進(jìn)一步提高M(jìn)FT跳閘硬回路的可靠性，F(xiàn)SSS一般都設(shè)計(jì)為兩路冗余的MFT跳閘硬回路。這兩路跳閘硬回路的工作原理完全相同，工作回路完全獨(dú)立，任意一路發(fā)生動(dòng)作即導(dǎo)致鍋爐跳閘。

本文針對(duì)典型MFT硬回路的工作原理和故障情況，對(duì)MFT跳閘硬回路可靠性進(jìn)行分析，為機(jī)組跳閘硬回路的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 鍋爐跳閘硬回路的電源配置

1.1 電源類(lèi)型選擇

考慮到MFT軟邏輯跳閘回路與跳閘硬回路的冗余性，這兩套MFT跳閘回路的電源等級(jí)設(shè)計(jì)也是獨(dú)立的，電壓等級(jí)一般是不同的，且每個(gè)回路的電源均采用冗余電源供電，任一路電源喪失或恢復(fù)時(shí)不應(yīng)誤發(fā)動(dòng)作指令。軟邏輯跳閘回路采用220 VAC UPS電源即DCS系統(tǒng)電源，而跳閘硬回路一般采用110 VDC 或 220 VDC 電源［1］。

1.2 電源可靠性配置

MFT跳閘硬回路常采用兩路直流電源經(jīng)二極管并列運(yùn)行的饋電系統(tǒng)，兩路電源的正極分別串接了一個(gè)二極管，負(fù)極也分別串聯(lián)了一個(gè)與正極反向的二極管，經(jīng)二極管自動(dòng)高選后輸出一路，如圖1所示。根據(jù)二極管工作特性，正常情況下，兩路直流電源始終有一路處于饋電工作狀態(tài)，當(dāng)此路電源出現(xiàn)故障，另一路電源經(jīng)二極管迅速導(dǎo)通進(jìn)入工作狀態(tài)。兩路直流電源通過(guò)二極管切換回路耦合實(shí)現(xiàn)互為冗余，保證MFT跳閘硬回路工作電源的不間斷。

圖1 MFT跳閘回路電源配置圖

上述直流電源配置方案中，只要當(dāng)前用電回路發(fā)生直流接地故障，另一路也會(huì)接地，兩路直流系統(tǒng)會(huì)同時(shí)接地，系統(tǒng)電源有全部喪失的風(fēng)險(xiǎn)。顯然，這樣設(shè)計(jì)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩路電源真正的互為備用，易造成整個(gè)跳閘回路直流供電系統(tǒng)癱瘓，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。二極管隔離在電氣上不屬于物理隔離，二極管切換回路耦合的直流電源結(jié)構(gòu)，兩路直流電源沒(méi)有完全獨(dú)立，并未實(shí)現(xiàn)真正隔離和閉鎖。如果二極管發(fā)生故障被擊穿，兩路直流電源將直接并接形成環(huán)路，兩段母線(xiàn)直接并聯(lián)運(yùn)行，有可能導(dǎo)致兩路直流電源同時(shí)被拉垮，甚至有可能會(huì)危及電氣側(cè)直流屏長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行存在極大的安全隱患［2］。

如何使兩路直流電源徹底實(shí)現(xiàn)物理隔離，是提高直流供電可靠性的關(guān)鍵。MFT跳閘回路的直流電源設(shè)計(jì)，應(yīng)取消二極管，把兩路直流電源徹底分開(kāi)。兩套獨(dú)立的110 VDC或220 VDC電源，分別為兩組MFT跳閘繼電器回路獨(dú)立供電，每一路直流電源配置一只電源監(jiān)視繼電器，繼電器接點(diǎn)送DCS進(jìn)行監(jiān)視報(bào)警。采用2路直流電源分別對(duì)2套MFT跳閘硬回路獨(dú)立供電，減少了電源切換裝置這一故障點(diǎn)，避免了電源切換裝置故障造成電源回路故障的隱患，這種設(shè)計(jì)的直流電源系統(tǒng)更具獨(dú)立性、安全性，控制回路的可靠性更高。

2 鍋爐跳閘硬回路工作原理

鍋爐跳閘硬回路主要包括MFT跳閘繼電器、DCS輸出MFT繼電器和跳閘繼電器至被跳設(shè)備3個(gè)動(dòng)作回路［3］。鍋爐跳閘硬回路的設(shè)計(jì)通常有得電跳閘和失電跳閘兩種方案。得電跳閘，即MFT指令使MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈帶電，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)跳閘。失電跳閘，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈處于常帶電狀態(tài)；機(jī)組發(fā)生跳閘時(shí)，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈失電，相關(guān)設(shè)備跳閘動(dòng)作。這兩種方案的可靠性有所差異，下面對(duì)MFT回路的動(dòng)作原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 得電動(dòng)作硬回路

得電跳閘硬回路設(shè)計(jì)，以接通回路電源進(jìn)行跳閘為設(shè)計(jì)思想。MFT跳閘回路得電動(dòng)作回路示意圖如圖2所示?；芈分?，DCS輸出MFT繼電器觸點(diǎn)與手動(dòng)MFT按鈕觸點(diǎn)并聯(lián)。其中，2個(gè)手動(dòng)MFT按鈕觸點(diǎn)串聯(lián)，DCS輸出6個(gè)MFT動(dòng)作的指令信號(hào)至6個(gè)MFT繼電器，這6個(gè)繼電器分別組成兩個(gè)3取2表決回路，DCS輸出MFT繼電器可選擇帶電或失電動(dòng)作［4］。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，MFT跳閘繼電器處于斷電狀態(tài)。

圖2 MFT得電動(dòng)作的硬回路示意圖

DCS輸出MFT繼電器采用帶電跳閘方案時(shí)，上述回路中作3取2的MFT繼電器觸點(diǎn)采用常開(kāi)觸點(diǎn)。機(jī)組有觸發(fā)MFT動(dòng)作的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，MFT繼電器線(xiàn)圈帶電，其對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈帶電動(dòng)作，其接入相關(guān)設(shè)備跳閘回路的常開(kāi)接點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)跳閘。

DCS輸出MFT繼電器采用失電跳閘方案時(shí)，回路中的MFT繼電器觸點(diǎn)采用常閉觸點(diǎn)。當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，DCS側(cè)的3個(gè)MFT繼電器線(xiàn)圈帶電，DCS DO指令表征機(jī)組未發(fā)生MFT，其對(duì)應(yīng)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈處于失電狀態(tài)，相關(guān)設(shè)備跳閘回路不接通，設(shè)備正常運(yùn)行。發(fā)生MFT時(shí)，MFT繼電器線(xiàn)圈失電，其對(duì)應(yīng)的常閉觸點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈得電動(dòng)作，其常開(kāi)接點(diǎn)閉合，驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)跳閘。

2.2 失電動(dòng)作硬回路

失電跳閘硬回路設(shè)計(jì)，以斷開(kāi)回路電源進(jìn)行跳閘為設(shè)計(jì)思想。MFT跳閘回路失電動(dòng)作回路示意圖如圖3所示?；芈分?，DCS輸出MFT繼電器觸點(diǎn)與手動(dòng)MFT按鈕觸點(diǎn)串聯(lián)。其中，2個(gè)手動(dòng)MFT按鈕觸點(diǎn)并聯(lián)，DCS輸出MFT動(dòng)作信號(hào)至6個(gè)MFT動(dòng)作繼電器，將每3個(gè)繼電器一組，觸點(diǎn)分別構(gòu)成3取2動(dòng)作回路，DCS輸出MFT繼電器也可選擇帶電或失電動(dòng)作［4］。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，MFT跳閘繼電器長(zhǎng)期帶電。

圖3 MFT失電動(dòng)作的硬回路示意圖

DCS輸出MFT繼電器采用帶電跳閘方案中，回路中作3取2的MFT繼電器觸點(diǎn)采用常閉觸點(diǎn)。機(jī)組發(fā)生MFT時(shí)，DCS側(cè)的MFT繼電器線(xiàn)圈帶電，其對(duì)應(yīng)的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈失電，其常閉接點(diǎn)驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)跳閘。

DCS輸出MFT繼電器采用失電跳閘方案中，MFT繼電器觸點(diǎn)采用常開(kāi)觸點(diǎn)，DCS DO指令表征未發(fā)生MFT。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，該繼電器線(xiàn)圈帶電，其對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈處于得電狀態(tài)，其常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，相關(guān)設(shè)備跳閘回路不接通，設(shè)備正常運(yùn)行。發(fā)生MFT時(shí)，MFT繼電器線(xiàn)圈失電，其對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈失電，其接入相關(guān)設(shè)備跳閘回路的常閉接點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)跳閘。

3 可靠性分析

MFT跳閘繼電器采用失電動(dòng)作設(shè)計(jì)，且DCS輸出MFT繼電器采用失電動(dòng)作方式，MFT跳閘硬回路電源、DCS電源失去或跳閘回路中任何一點(diǎn)接觸不良均會(huì)導(dǎo)致MFT誤動(dòng)作。因此，對(duì)于MFT跳閘硬回路采用失電跳閘的設(shè)計(jì)，DCS輸出MFT繼電器宜采用帶電動(dòng)作方式，以避免DCS電源失去或DCS側(cè)接線(xiàn)松動(dòng)引起的MFT誤動(dòng)。失電跳閘方案，MFT跳閘繼電器線(xiàn)圈長(zhǎng)期帶電工作，繼電器線(xiàn)圈的壽命和彈簧觸點(diǎn)工作的可靠性、穩(wěn)定性存在不確定因素，實(shí)際應(yīng)用中，不宜采用失電跳閘方案。

由于實(shí)際應(yīng)用中，雙路直流電源分別對(duì)冗余的跳閘硬回路分別獨(dú)立供電非?？煽?。在此前提下，MFT跳閘繼電器采用得電跳閘方式相對(duì)更可靠，但也應(yīng)采取相關(guān)改進(jìn)措施，以避免電源失去造成的拒動(dòng)。MFT跳閘硬回路采用得電跳閘設(shè)計(jì)，可以避免失電跳閘方案中系統(tǒng)失電造成的MFT誤動(dòng)作。若DCS輸出MFT繼電器也采用得電動(dòng)作方式，DCS電源或MFT跳閘硬回路電源失去均不會(huì)導(dǎo)致MFT誤動(dòng)。DCS電源失去時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)按鈕觸發(fā)MFT跳閘硬回路實(shí)現(xiàn)跳閘。對(duì)于MFT跳閘硬回路采用得電跳閘的設(shè)計(jì)，雙按鈕常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)后，除了一副接點(diǎn)送入DCS SOE（事故追憶）之外，必須同時(shí)設(shè)計(jì)一副雙按鈕常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)后的接點(diǎn)送入DCS，通過(guò)軟邏輯觸發(fā)MFT。這樣，當(dāng)MFT跳閘硬回路失電失效時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)按鈕觸發(fā)DCS控制邏輯實(shí)現(xiàn)跳閘。對(duì)于MFT跳閘硬回路采用得電跳閘的設(shè)計(jì)，若用戶(hù)需要DCS控制器故障或DO卡件故障時(shí)，仍希望自動(dòng)觸發(fā)MFT跳閘回路，DCS輸出MFT繼電器應(yīng)采用失電動(dòng)作方式。

另外，MFT跳閘繼電器宜采用具有手動(dòng)跳閘的功能的繼電器，當(dāng)DCS電源與MFT跳閘硬回路電源同時(shí)失去時(shí)，MFT軟硬跳閘回路都將拒動(dòng)，系統(tǒng)處于失控狀態(tài)，運(yùn)行人員可通過(guò)手動(dòng)扳動(dòng)MFT跳閘繼電器把手至跳閘位，實(shí)現(xiàn)跳閘。

4 結(jié)束語(yǔ)

鍋爐MFT跳閘硬回路得電跳閘和失電跳閘兩種方案的可靠性有所差異，合理設(shè)計(jì)MFT跳閘硬回路，能有效降低因保護(hù)回路故障引起拒動(dòng)、誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，保障機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行。對(duì)于追求“拒絕非?！币蟮陌l(fā)電企業(yè)，由于失電跳閘方案中的繼電器長(zhǎng)期帶電工作或回路故障易導(dǎo)致MFT誤動(dòng)。因此，在跳閘回路電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠的前提下，宜采用得電跳閘的方案，并應(yīng)完善相關(guān)設(shè)計(jì)方案，在確保MFT不誤動(dòng)的前提下，盡可能地降低MFT拒動(dòng)的可能性。通過(guò)本文對(duì)鍋爐兩種跳閘硬回路安全可靠性分析，旨在為發(fā)電企業(yè)MFT跳閘硬回路的設(shè)計(jì)或改造提供有益的借鑒。

［1］國(guó)家能源局.火力發(fā)電廠(chǎng)熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL／T 5428—2009［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.

［2］劉永紅.鍋爐MFT硬繼電器回路可靠性分析與改造［J］.陜西電力，2010，38（3）：55-57.

［3］靳允立.大機(jī)組MFT硬跳閘回路設(shè)計(jì)分析［J］.熱力發(fā)電，2010，39（11）：73-76.

［4］劉文豐，尋新，劉紅旭.火電機(jī)組主保護(hù)硬回路典型設(shè)計(jì)及可靠性淺析［J］.熱力發(fā)電，2013，42（10）：16-20.