提高樂清發電廠熱控系統可靠性的技術措施

李建國，陳統錢，丁俊宏，樊健剛，章衛軍，葉國滿，張鵬

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

0 引言

隨著發電機組容量和規模的成倍增長，分散控制系統的可靠性水平成為確保發電機組安全、穩定、高效運行和滿足國家節能環保要求的關鍵。浙能樂清電廠2×600 MW超臨界機組和2×660 MW超超臨界機組的分散控制系統(distribute control system，DCS)采用Symphony控制系統，其數字式電氣液壓控制(digital electric hydraulic control，DEH)系統采用T3000控制系統。

機組投產后，由于設計、安裝、調試和維修中存在不足，導致數起機組跳閘事件，影響了機組的安全穩定運行。本文參照《火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》［1］要求，對引起故障的原因進行分析研究，提出故障預控措施。

1 熱控系統故障原因分析

1.1 雷擊與干擾故障分析

雷擊與干擾，輕則引起信號畸變，使參數顯示不準、誤發報警信號、控制設備出現誤擾動、自動投入品質變差，降低系統可靠性;重則導致設備不能正常運行，甚至損壞DCS部件或引起機組跳閘，影響機組安全經濟運行。

(1)雷擊損壞設備。機組投產后，曾發生2號機組煙氣脫硫(flue gas desulphurization，FGD)旁路擋板和密封風擋板執行機構同時出現故障。2天后，1號機組FGD旁路擋板電動執行機構送電后也出現類似故障，8個變送器故障損壞。當時都是雷雨天氣，經對現場損壞的設備解體檢查，都發現了強電直接竄入造成設備內部控制電路板損壞的痕跡。進一步檢查發現，損壞的設備基本在以煙囪為中心、半徑為8 m的范圍內。煙囪底部為巖石基礎，雷擊散流特性較差。煙囪雖然已設計安裝了獨立、集中防雷接地裝置，但實際未能與電氣主接地網真正獨立，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，引發了熱控設備遭雷擊損壞。事后，在變送器上加裝防雷裝置，旁路擋板門執行機構增加位置反饋輸出隔離器，類似損壞事件未再發生。

(2)干擾引起空氣預熱器油泵自啟。由于熱控系統設備工作在嚴重的電場和磁場干擾源環境中，控制回路自身、電磁耦合、靜電感應、接地線電位波動等將對其產生干擾。機組投產以來，多次發生干擾引起測量信號和系統工作異常。2011年7月8日，發現2號機組爐側100多點熱電阻信號同時跳變，跳變信號分布在不同的分組控制單元柜(package control unit，PCU)及柜內不同的橋路控制處理器(harmony bridge controller，BRC)控制卡件，鍋爐系統空氣預熱器支持油箱油溫跳變，引起油泵自啟。干擾產生的源頭未能查明，但在信號輸入端子處加裝電容后，信號波動消除。

1.2 安裝、檢修、維護不當

根據熱工自動化故障統計［2］，安裝、檢修、維護不當導致熱工系統運行異常或故障的隱患包含:接線錯誤或松動、插頭連接不良、防護措施不到位、設備安裝位置不合理、電纜設備措施防護安裝不當、電纜敷設未避開高溫區或未使用高溫電纜、管路安裝不規范導致積水聚氣等。樂清電廠投產后也發生多次類似隱患引起控制系統運行異常。

(1)電纜走向未避開高溫區。2011年8月1日，4號機組跳閘，故障原因為4B中壓主汽門閥位反饋信號電纜未按設計要求敷設耐高溫電纜且敷設走向不合理，中主門閥體上部保溫不嚴密，閥體輻射熱量直接傳遞至電纜保護管，使其內的電纜被高溫燙傷短路，造成4A、4B共用的電源開關跳開，4A、4B中壓主汽門開啟信號同時失去，導致保護動作跳機［3］。

(2)航空接頭的接觸不良信號顯示異常。外循泵振動延伸電纜接頭采用的是航空式接頭，由于長期處于高振動的環境，接頭時常發生松動或接觸不良現象，導致循泵振動顯示值變大或壞值。此外，1、2號機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跳變情況。此問題的解決辦法是對航空接頭連接處進行包扎或用環氧樹脂密封。

(3)防護措施不到位引起RB動作。2011年9月30日，4A空預器跳閘引起RB動作，機組負荷由510 MW下降至330 MW，一次調頻及遠控均退出，但4A一次風機未聯跳。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接線柱掛水短接，導致4A空預器因空預器齒輪油壓力低保護動作而跳閘［4］。2010年10月6日，1、2號循泵分別跳閘，通過查歷史記錄，發現軸承溫度信號上下晃動20℃左右。經查事件的原因是現場有人利用檢修箱電源對電瓶車充電。

1.3 系統邏輯可靠性

設備導致機組跳閘事件，除了涉及設備質量、安裝位置、運行環境等因素外，往往還與單點信號、冗余信號公用模件、控制邏輯不完善等有關［5］。

(1)單點信號。干擾、接線不規范、元件損壞等多種原因影響，帶來單點信號作為保護條件的不可靠性。2011年4月11日，3B汽泵出口電動門開單點反饋信號跳變，導致汽泵運行狀態丟失觸發RB，引起機組負荷跳變(最低至350 MW)。對機組的單點保護信號、是否設置速率限制、延時時間定值等進行梳理統計，由機務和熱力系統專業人員一起進行可靠性論證，影響機組設備安全運行的單點信號和邏輯通過機組檢修期間增加測點的方式進行優化，無法增加測點的溫度信號，增加溫度變化率保護，設置為5℃/s。

(2)冗余信號公用模件。1～4號鍋爐每臺磨煤機設置1套一次風量測量裝置，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(modulating control system，MCS)中，磨煤機A/B/C通過輸出模件1、磨煤機D/E/F通過輸出模件2分別引至順序控制系統(sequence control system，SCS)中。運行中若有1塊模件損壞，將至少有3臺磨煤機由于風量低而跳閘。為了避免此情況發生，將模擬量信號在MCS系統中直接轉化為開關量信號再送入SCS系統中，以防止磨煤機跳閘。

(3)風機單側運行控制邏輯不完善。2010年9月22日，機組減負荷至340 MW進行4A一次風機動葉消缺，當投入4B一次風機動葉自動時，4B一次風機動葉指令下滑，雖立即撤出自動，但動葉開度已降至50%以下，引起一次風壓急跌而總燃料跳閘(master fuel trip，MFT)，首出為“爐膛壓力低低”。故障原因是4A一次風機停運斷電時，動葉在全開位置，4B一次風機投入自動時，因一次風機動葉偏置回路控制邏輯處理不當而使4B一次風機動葉快速關至50%以下。

2 可靠性綜合治理與預控措施

2.1 防雷與抗干擾預控措施

(1)現場排查。對機組主廠房內外接地匯入點走向和具體位置、控制系統電源和信號電纜的接地、動力電纜與控制信號電纜的間距及走向、全廠電纜橋架和電纜槽的接地、全廠控制系統加裝隔離器情況等進行全面排查。根據現場實際，進行防雷接地與抗干擾技術的專題研究，包括現場干擾信號的各種抑制方法與干擾信號類型的關系、屏蔽電纜單端接地與二端接地對熱控系統抗干擾能力的影響、總屏加分屏電纜在提高抗干擾能力上的應用，屏蔽電纜接地新方法研究開發等。

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

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

2.2 TSI可靠性治理

(1)保護邏輯優化。對全廠輔機振動測量及主機、小機汽輪機監視儀表(turbine supervisory instruments，TSI)測量進行排查，發現機組的高、低差脹保護為單點跳機，低差測量有一接線松動，即可能誤發低壓缸差脹保護動作。對TSI邏輯優化，單點信號采取保護信號和報警信號相與邏輯。

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

(3)完善回路。安裝發電機側軸振和瓦振時，其底座加絕緣墊固定。TSI安裝前置放大器的接線盒均應配置金屬接線盒(原配置塑料接線盒全部更換)。前置器輸出信號電纜采用三芯屏蔽電纜，屏蔽層在汽機現場側絕緣浮空，電纜屏蔽層直接延伸到機架的接線端子旁，屏蔽線直接接在機架的COM上，對采用四芯屏蔽電纜的多余芯線進行接地。TSI機柜內輸出信號屏蔽應浮空，由DCS接收側統一接地。機組檢修中，斷開前置器地(COM端)至卡件的接線，測量前置器地(COM端)與鎧裝電纜之間的電阻符合要求［8］。

2.3 邏輯可靠性優化

(1)單點信號優化。對機組的單點保護信號、速率限制設置、延時定值和運行中易出現故障的設備、部件和元件等進行梳理統計，與機務專業人員一起進行可靠性論證，機組檢修期間采用容錯邏輯進行優化，通過預先設置的邏輯容錯措施來降低或避免控制邏輯的誤動作。如在可以增加測點的前提下，將影響機組設備安全運行的單點信號改為“三取二”選擇邏輯，或根據單點信號間的因果關系，加入證實信號，改為“二取二”邏輯;無法改變取信方式的單點信號，在保證安全性的前提下可改為報警。對進入保護聯鎖系統的溫度模擬量信號設置5℃/s的速率保護限止，設置保護聯鎖信號壞值切除與報警邏輯，減少或消除因接線松動、干擾或元件故障引起信號突變導致系統故障。此外，報警后設置了閉鎖功能的保護信號，在其恢復正常后的閉鎖功能應設置為自動解除，并在大屏上設置信號牌，用于次重要類保護信號的共用報警。

(2)完善邏輯。結合機組運行過程中暴露出來的缺陷，對控制邏輯進行完善和優化，如一期和二期的保護邏輯因鍋爐爐型和制造廠不同而有差別，為防止檢修維護時疏忽帶來隱患，對系統進行核查比對，列出不同點。4臺機組的電源故障中斷(power failure interrupt，PFI)保護的功能均采用電阻短接。為避免一次風機單側檢修未送電情況下一次風機動葉偏置回路控制邏輯設計缺陷，修改一次風機運行信號邏輯，當收到一次風機運行信號時，選擇風機動葉指令進入動葉偏置計算回路，當一次風機運行信號為0時，選擇0作為風機動葉指令進入動葉偏置計算回路。當一次風機未送電情況下，因風機運行信號為0，保證了回路的正常作用。

2.4 接線與管路可靠性預控

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

(2)預控措施。進入保護的溫度信號元件連接處彈簧片完整，手輕拉接線檢查緊固;冗余信號全程冗余(分電纜、分電源、分模件);所有電纜的備用芯無裸露現象。機柜內重要控制、保護電纜的備用芯可靠接地;用于高溫高壓管道和容器上的測量元件溫包、壓力取樣部件的材質，確認與管道同種材料且安裝前進行金相檢驗。取樣一次閥為2個工藝閥門串聯連接，安裝于取樣點附近且便于運行檢修操作的場所;測量高溫高壓蒸汽介質的儀表安裝于測點上方的移位于測點下方。

2.5 技術與監督管理

(1)編寫控制系統典型故障應急處理預案。為確保機組在運行過程中發生控制系統故障時，運行和維護人員能夠迅速、準確地組織故障處理，最大限度地降低故障造成的影響，在總結、研究控制系統故障時的應急處理方法基礎上，編制適合機組運行的分散控制系統故障應急處理預案，機組檢修中進行驗證和完善，并定期進行反事故學習，提高運行、維護人員在控制系統故障時的應急處理能力［9-10］。

(2)完善管理制度。從完善技術與監督管理制度入手展開工作，對廠內現有熱控管理制度中缺少的進行補缺，不完善的進行修訂;廠管理部門明確計量儀表的分類、統計要求，儀控部門對管轄的測量設備進行分類統計，為以后儀表測量的數據有效性提供依據和可靠性管理提供基礎數據。

(3)可靠性評估。隨機組運行時間的增加，機組及重要輔機中的一些尚未發現的隱患還會相繼暴露，因此應利用機組檢修機會，開展熱控系統可靠性技術評估工作，對設計、組態、安裝、接線、保險、屏蔽、接地、報警、首出故障信號等進行完善，同時在生產過程中將系統的各種異常情況進行詳細記錄、匯總分析，提前發現不符合要求的控制邏輯、回路并進行優化。

(4)專業人員培訓。加強人員素質培訓，減少運行、檢修、維護和人為原因引起的熱控系統故障。更多地開展專業人員間的學習、交流，收集其他電廠案例和經驗。

3 結語

通過樂清電廠一、二期機組開展的提高熱控系統可靠性研究，進一步驗證了可靠的設計與設備是保證熱控系統的安全、經濟運行的先決條件，正確的檢修和維護是基礎，有效的技術管理是保證。提高熱控系統可靠性研究是一個長期過程，只有對熱控系統和設備進行檢修、運行、維護全過程管理，對所有涉及環境進行全方位監督，并確保控制系統各種故障下的應急處理措施切實可行，才能保證熱控系統為機組的安全穩定運行保駕護航。

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

［2］鄭鳳苓.熱工系統安裝中的典型問題分析與處理［J］.電力建設，2010，31(7):98-100.

［3］樊健剛，章衛軍，葉國滿，等.樂清電廠熱控系統故障原因技術分析與預控措施［J］.浙江電力，2012，31(5):50-55.

［4］屠士鳳，丁明利.樂清電廠二期協調控制系統的故障分析與改進措施［J］.浙江電力，2012，31(5)，31-33.

［5］孫長生，王建強.浙江省電廠分散控制系統故障原因、處理與建議［J］.電力建設，2006，27(2):66－69.

［6］DL/T 774—2004火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［7］丁俊宏，蘇燁，章衛軍，等.提高樂清電廠熱控系統可靠性專題報告［R］.杭州:浙江省電力試驗研究院，2011.

［8］孫長生，王建強，項謹.汽輪機監視儀表可靠性分析與改進措施［J］.中國電力，2007，40(11):85-88.

［9］李建國，尹峰，劉武林，等.分散控制系統故障應急處理預案［J］.中國電力，2012，45(2):26-30.

［10］孫長生，朱北恒，尹峰，等.提高電廠熱控系統可靠性技術研究［J］.中國電力，2009，42(2):56-59.

(編輯:蔣毅恒)