提高火電廠熱控系統(tǒng)可靠性技術研究

李 銳

（國能錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719319）

近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，社會生產(chǎn)對電力需求越來越大。為了滿足日益增大的電力需求，火電廠不斷增加裝機容量，同時設備運行參數(shù)也不斷增加。在這樣的背景下，熱控系統(tǒng)成為了火電機組的重要組成部分。熱控系統(tǒng)可以在主、輔設備發(fā)生故障時，采取相應的保護措施，防止引發(fā)更大的故障或給機組人員的人身安全帶來傷害，對于提高機組安全運行具有重要的作用。由于火電廠的運行環(huán)境復雜，熱控系統(tǒng)在運行過程中，會受多種因素影響出現(xiàn)故障，從而出現(xiàn)保護誤動或拒動，導致機組設備停機或損壞。因此，提高火電廠熱控系統(tǒng)運行可靠性，減少非停次數(shù)，對于促進火電機組穩(wěn)定運行具有重要的意義。

1 火電廠熱控系統(tǒng)的主要構(gòu)成

當前火電廠的熱控系統(tǒng)主要是利用DCS 系統(tǒng)對汽輪機、各類儀表、鍋爐裝置，以及相關的介質(zhì)管道等進行自動控制。DCS 系統(tǒng)根據(jù)機組實際運行要求，采用分級子系統(tǒng)的形式對火電廠的設備進行自動化控制，確保火電機組安全運行，其主要分為現(xiàn)場控制單元和操作站單元。在現(xiàn)場控制單元中，各個支路和總線的物理連接是通過插板箱來實現(xiàn)的，這樣也就實現(xiàn)了子系統(tǒng)和控制中心的信息通信?，F(xiàn)場控制單元中的微機保護系統(tǒng)根據(jù)火電廠設備運行的實際需求，配置相應的CPU 插件、二次回路電源、I/0 輸入輸出接口插件、通信插件等。操作站單元主要用來提供人機交互操作接口和顯示子系統(tǒng)單元設備的運行狀況，并顯示其運行數(shù)據(jù)。設備運行參數(shù)的調(diào)整、設備工況報表的打印，以及異常工況的預警等都需要利用操作站來完成。

2 火電廠熱控系統(tǒng)主要故障

2.1 熱控元件故障

熱控元件故障除了元件本身的質(zhì)量不達標外，外部環(huán)境干擾也有可能引發(fā)熱控元件故障，導致系統(tǒng)保護誤動，影響設備安全及機組運行。比如，在汽輪機組的控制單元中，為防止汽輪機超速運轉(zhuǎn)，通常用測量儀表來測量汽輪機的轉(zhuǎn)速及壓力數(shù)據(jù)，但如果儀表受到外界信號干擾的話，其感應示數(shù)的靈敏度就會受到影響，回傳的檢測信息就會失真，有可能導致汽輪機組出現(xiàn)拒動或誤動[1]。此外，熱控元件還可能由于安裝不當或者長期運行更換不及時出現(xiàn)老化情況，導致誤動或拒動。某火電廠機組在運行中出現(xiàn)軸承振動保護裝置動作，導致機組跳閘。經(jīng)熱控人員檢查發(fā)現(xiàn)，由于一個高壓調(diào)門反饋裝置安裝不牢，使反饋出現(xiàn)失靈情況，導致該側(cè)的調(diào)門出現(xiàn)突然關閉。這樣的話，汽輪機兩側(cè)的配汽出現(xiàn)不均衡，導致保護誤動。

2.2 電源故障

隨著火電廠熱控系統(tǒng)的發(fā)展，其自動化程度也越來越高，同時系統(tǒng)對電源也提出了更高的要求。熱控系統(tǒng)電源故障主要是由于電源系統(tǒng)設計不當、機組超負荷運行以及UPS 容量不足等導致的，一旦出現(xiàn)電源故障，就有可能導致機組跳閘、設備拒動、執(zhí)行機構(gòu)全開或全關等，嚴重的話可能會導致主、輔設備損壞。某電廠1 號機組在運行中突然出現(xiàn)火檢柜失電報警故障，之后鍋爐MFT，機組的負荷開始由237MW 快速下降到40MW，主汽溫度降幅過大導致汽機跳閘。檢修人員對設備檢查后發(fā)現(xiàn)，機組火檢柜內(nèi)的C 組煤火檢失電，電源開關處于跳閘位，進一步檢查發(fā)現(xiàn)是開關所帶的油火檢變壓器故障。此故障導致開關跳閘，致使機組停運。

2.3 外部環(huán)境導致的故障

由于火電廠運行環(huán)境復雜，在長期運行中，電纜會由于外部環(huán)境影響出現(xiàn)絕緣老化、破損、電纜盒進水等情況，導致電纜斷路或短路，出現(xiàn)信號干擾情況。比如，電纜槽盒進水會導致信號線短接，從而引起設備誤動。接線過程中的連接不牢靠、虛接等也會導致信號干擾、誤動等情況?；痣姀S的軸瓦溫度保護測點通常選用熱電阻，熱電阻虛接或螺栓松動會出現(xiàn)阻值增加的情況，系統(tǒng)的同步輸出也會增加，導致保護誤動[2]。在實際應用中，有的火電廠為了保護重要設備，采用反邏輯的拒動保護。比如，有的火電廠在汽輪機超速保護中，常用“1”作為系統(tǒng)正常的信號，“0”作為保護動作的信號，但如果接線出現(xiàn)松動情況會導致信號出現(xiàn)斷路，造成保護動作停機。

2.4 保護邏輯故障

保護邏輯是熱控系統(tǒng)正常運行的核心基礎，其設計合理與否對于系統(tǒng)的可靠性有重要的影響，邏輯設計不當或控制邏輯不完善時會增加系統(tǒng)的誤動或拒動率。在火電廠中，熱控保護聯(lián)鎖系統(tǒng)的觸發(fā)信號多采用單點測量，缺乏相應的邏輯容錯措施，而這些單點測量的設備元件易受外部環(huán)境（接線松動、開關接觸不良、電磁輻射等）影響，導致單點信號回路誤動。熱控單點信號保護回路誤動很多情況下是由于開關接觸不良、擋板卡澀等原因?qū)е碌摹Ｄ郴痣姀S3 號機組沖管初期，出現(xiàn)送風機C 跳閘故障，通過對報警記錄以及歷史曲線的檢查，發(fā)現(xiàn)風機軸承溫度有大幅度的跳變情況。檢修人員通過進一步檢查，發(fā)現(xiàn)故障的原因是就地接線盒處的電纜屏蔽層有毛刺，和金屬電纜套管接觸后導致出現(xiàn)兩點接地情況，從而引起跳閘。

3 提高火電廠熱控系統(tǒng)可靠性技術措施

3.1 優(yōu)選硬件設備

隨著熱控技術的不斷成熟，其自動化程度越來越高，對硬件設備也提出了更高要求。一些火電廠重視重要設備的采購，而對一些相對不重要的設備不重視。實際上，在熱控系統(tǒng)設備中，尤其是一些現(xiàn)場設備元件，往往是看似不重要的元件最容易出問題，從而引發(fā)更大故障。近年來，熱控系統(tǒng)在火電廠的熱力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，系統(tǒng)設備之間既相互聯(lián)系，又相互影響，系統(tǒng)中的某一個設備元件發(fā)生故障都有可能給機組的安全運行帶來威脅。因此，提高熱控系統(tǒng)的可靠性，需要確保硬件設備質(zhì)量可靠，只有這樣才能滿足機組運行要求，降低系統(tǒng)的故障發(fā)生率。在設備元件的選擇上，要根據(jù)系統(tǒng)對不同設備的可靠性要求，設備元件的提供商售后服務質(zhì)量等選擇相應的設備，一是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，二是減少企業(yè)的成本投入[3]。購置資金充裕的話，要選用以往運行狀況良好的設備元件，提高熱控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)設備元件更換臺賬進行統(tǒng)計分析，對于一些在運行中損耗較大，易出故障的元件，要準備好備件。

3.2 加強軟件設計

在系統(tǒng)軟件設計方面，一是要提高軟件的自診斷能力，二是要采用冗余設計。當機組運行時，某一個控制柜發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠及時報警，并能采取相應的處理措施[4]。對于一些強制過的保護，要確保利用系統(tǒng)軟件能快速查找出來，防止人為疏忽而忘記恢復保護項目，造成設備元件存在安全隱患?；痣姀S要在電源、通信模件等方面采用冗余設計，尤其是電源系統(tǒng)要進行科學冗余設計。熱控系統(tǒng)需要有兩路獨立供電電源，如果一路是UPS，一路是保安電源供電，需要配置一臺穩(wěn)壓器，正常運行采用UPS 供電。在控制裝置的電源配置方面，獨立子系統(tǒng)要配置兩路自動切換且不對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的電源?？刂乒駜?nèi)的冗余電源要安裝監(jiān)視系統(tǒng)，當一路電源出現(xiàn)故障切換到另一路時，熱控人員能及時發(fā)現(xiàn)故障電源，采取相應處理措施。重要的熱工信號也需要采取相應的冗余設計，以便對取樣點信號進行監(jiān)控。重要測點的測量通道要分布在不同的卡件上，采用多點獨立方法取樣，提高取樣可靠性。總之，通過提升軟件自診斷能力，做好冗余設計，可以讓熱控人員快速發(fā)現(xiàn)并排除故障，確保機組安全運行。

3.3 改善運行環(huán)境

外部運行環(huán)境對設備元件的影響較大，相同的設備元件在不同環(huán)境條件下，可靠性也有較大差異。火電廠的運行環(huán)境復雜，溫濕度、灰塵、振動等都易導致設備元件發(fā)生故障。比如，電阻、電容的失效率和外界溫度密切相關。當外界溫度每升高10℃，電阻、電容的失效率就會增加一倍[5]。電子間的溫濕度把控要嚴格按照操作規(guī)程，溫度不高于30℃，過高的話會導致一些元件燒毀，夏季要采用風扇、空調(diào)降溫，濕度建議在45%左右，濕度過大可能會引起元件短路，而運行環(huán)境過于干燥的話會有靜電，元件有可能被擊穿。改善熱控設備的運行環(huán)境，就地設備的接線盒采取防潮、防腐蝕措施，同時要遠離熱源，取樣管和儀表柜要采取散熱、防凍措施。定期對就地設備進行清掃，減少灰塵，提高設備元件的使用壽命。

3.4 優(yōu)化熱控邏輯

為了防止單個設備元件故障或者是控制邏輯設計不當導致的系統(tǒng)拒動或誤動，需要對運行機組進行容錯邏輯設計。針對實際運行過程中易出現(xiàn)故障的元件，采取相應的邏輯容錯設計，降低控制邏輯的誤動作[6]。具體的優(yōu)化需要根據(jù)熱控信號取樣點進行反復論證，對控制系統(tǒng)的硬件、定值進行科學評估，重點對設備安全有較大影響的熱控保護邏輯進行優(yōu)化。對于單點信號保護邏輯，如果條件允許的話，可以優(yōu)化為三取二選擇邏輯，測點發(fā)生故障后要及時退出保護，防止設備誤動。如果單點信號狀態(tài)無法改變，在保證安全的基礎上，可將保護動作改為報警。某電廠送風機采用單點信號，可靠性差，在進行控制邏輯優(yōu)化前，2016 年因測量信號不可靠造成機組跳閘兩次，影響機組安全運行。電廠根據(jù)實際運行情況，將送風機順序側(cè)控制邏輯改為三取二表決風機停狀態(tài)，優(yōu)化后的控制邏輯如圖1所示。送風機控制邏輯優(yōu)化后，從2017 年至2019 年，除一次因元件磨損出現(xiàn)的非停外，運行兩年時間內(nèi)未發(fā)生因控制邏輯不當造成的非停情況。

圖1 某電廠送風機全?？刂七壿婩ig.1 Control logic for full stop of the supply fan in a power plant

3.5 做好檢修維護

做好日常的檢修維護工作能及時消除設備元件的不安全狀態(tài)，做到防患于未然，讓設備元件處于良好的工作狀況，提高熱控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。停機檢修時，重點排查易發(fā)生故障部位，加強對一次元件的檢查，查看接線部位有無松動、虛接等情況，端子有無松動情況等。對于處于運行環(huán)境粉塵較多的設備元件進行清掃，并安裝隔塵罩。檢查熱電偶或熱電阻接線情況，有無松動或斷路。檢查軸承軸向振動值是不是在正常范圍內(nèi)，軸承油封的密封情況是否良好。檢查電纜絕緣是不是良好，有無破損情況，插頭有無松動，重點檢查電纜接頭、公用線環(huán)路連接等情況。檢查電源是否良好，電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度是否達標，及時更換電源。定期對熱控測量儀表進行校驗，可利用在線狀態(tài)核對方式對儀表進行檢查，再對零點和運行點核對不達標的單體儀表進行校準。檢修完成后，在機組啟動前，要對熱控系統(tǒng)進行全面地檢查和試驗，確保各項指標能夠達到運行要求。

3.6 加強日常管理

做好熱控系統(tǒng)與設備的質(zhì)量管理工作。對于新建的機組，要重點對熱控裝置的安裝、調(diào)試、邏輯控制等進行管理，降低因安裝不當、邏輯不當?shù)仍斐傻陌踩[患。在機組運行過程中，要重點評估保護信號的取信方式、設備元件的運行狀態(tài)、檢修維護質(zhì)量等，了解設備元件的變化趨勢，在掌握其微觀變化的基礎上，判斷其安全程度，采取必要的預防措施[7]，制定DCS 故障應急處理預案。目前，國內(nèi)多數(shù)火電廠熱力系統(tǒng)均采用DCS 控制。由于DCS 生產(chǎn)廠家不同，產(chǎn)品的質(zhì)量也有較大差別，加上運行環(huán)境的影響，DCS 故障仍時有發(fā)生，處理不當會引發(fā)更大事故。因此，火電廠應該根據(jù)自己的實際情況，制定DCS 故障應急預案，能夠?qū)CS 常見的故障處理進行指導。在編寫好預案的基礎上，組織相關人員進行演練，提高維護人員的故障處理能力。其次，做好技術培訓工作。熱控系統(tǒng)涉及到的知識廣，而且技術發(fā)展更新比較快，因此只有加強技術培訓才能提高熱控人員的專業(yè)技術能力。開展關于檢修維護規(guī)程、常見故障排除技術等方面的培訓，規(guī)范熱控人員的操作標準，提升其故障處理能力。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)科學技術的發(fā)展，熱控系統(tǒng)越來越趨于自動化、智能化，設備的可靠性越來越高，但由于火電廠環(huán)境復雜，設備不可避免發(fā)生故障。因此，需要從安裝、調(diào)試、運行維護、檢修等環(huán)節(jié)做好質(zhì)量管理，杜絕人的不安全行為，消除設備的不安全狀態(tài)，減少機組非停次數(shù)，提高機組的運行可靠性、穩(wěn)定性。