1000 MW機組熱工系統故障分析及優化

韓 璞，李 麗，孫 波，孫德波，柯尊明

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.華能上安電廠，河北 石家莊 050310；3.神華國華寧海電廠，浙江 寧波 315612）

浙江國華寧海電廠二期工程2×1000 MW超超臨界燃煤機組于2009年9月正式投入商業運行，采用德國西門子T-3000控制系統。機組自投運以來多次發生熱工故障，可歸納為電磁干擾、電源冗余故障、單通道故障、單點保護、接地不規范、儀表管安裝不符合規定等問題，影響了機組的正常運行。為保障機組安全平穩運行，提高熱工系統的安全性，采取一系列措施提高了熱工控制系統運行的可靠性，本文就處理過程中一些較為普遍的問題進行分析，對優化的基本方法進行探討。

1 熱工典型故障分析和優化

1.1 DO卡件單通道引起的故障

DCS系統曾發生多起DO卡件故障造成的設備誤動或拒動，若機組在運行時發生重要設備對應的DO卡件故障而誤發信號，將可能導致機組非正常停運。

2009年9月28日，5號機組5A循環泵出口液控碟閥開指令在邏輯正在激活的狀態下發出，導致5A循環泵出口液控碟閥自動開，更換SIM卡件后恢復正常。

2010年2月18日，6號機組某DO卡件第9通道指令紊亂，導致6號爐B側2號一級減溫水進口電動門關閉，更換SIM卡件后恢復正常。

2010年1月21日，6號機組某DO卡件第4通道故障，指令無法發出，導致汽輪機潤滑油主油泵B不能自啟動，更換SIM卡件后恢復正常。

通常，對就地設備采取單DO通道控制的方式（見如圖1），當DCS有指令發出時，FUM卡上相應通道的繼電器觸點閉合，進而導通就地控制回路，實現就地設備的啟停。

圖1 單DO通道控制方式

為了避免重要設備因DO卡件的原因導致誤動，建議對重要設備采取雙路DO通道串聯控制方式。可先通過組態將重要設備的指令分配到2個位于不同SIM卡件的通道上，然后將2個通道輸出繼電器串聯起來，共同實現對就地設備的控制（見圖 2）。

圖2 雙DO通道控制方式

但設備的拒動和誤動是相對而言的，在避免設備誤動的同時也增加了設備拒動的可能性，在就地設備的啟停過程中，誤動造成的危害更大，因此要重點關注設備誤動。通過DO通道串聯的方式減少了設備誤動的可能，即使其中1個通道因為故障誤發指令，也不會導致就地設備動作。寧海電廠將主給水電動門、高加進出口門等重要設備改為該方式，減少了誤動的可能。

1.2 動力電纜與通信電纜混敷引起的故障

《火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》明確要求：合理布置動力電纜和測量信號電纜的走向，允許直角交叉，但應避免平行走線，如無法避免，除非采取了屏蔽措施，否則兩者間距應大于1 m。

FGD現場總線有部分電纜與其它電纜敷設于同一電纜槽內，如L0CRN01.AB03PA現場總線電纜與日粉倉給料機變頻器電纜敷設于同一電纜槽內，造成信號相互干擾，調試期間曾發生儀表信號紊亂，將現場總線電纜重新單獨敷設后，該故障消除。

電除塵控制系統的動力電纜與PLC控制信號線也敷設在同一電纜橋架內，且沒有任何屏蔽和隔離措施，兩者間距小于1 m，機組啟停階段曾出現控制信號波動、開關量信號紊亂現象。

1.3 電源冗余引起的故障

2010年9月21日，在輔控網公用系統服務器電源切換時，由于切換時間過長使輔控網服務器斷電，導致灰、渣、水等控制系統在主機集控室內無法監視和操作，輔網控制系統癱瘓。經過對切換系統的檢查，發現2路電源電壓偏差較大，冗余裝置內部電阻過小，無法實現冗余。經過改造，使冗余電源恢復正常切換。

2011年12月2日，脫硫廢水系統全部癱瘓，經檢查發現主電源二次側隨意接入負載（加裝圍欄時接入了大功率電氣工具），主電源過載，空氣開關跳閘，因PLC電源沒有冗余配置，導致電源失電，造成脫硫廢水系統癱瘓。

MFT繼電器柜電源兩路耦合，正極通過二極管耦合，負極直接通過端子排連接在一起。為了提高電源的可靠性，對負極也進行耦合處理。

經過對二期電源的全面檢查，發現存在電源冗余切換時間過長、單電源供電、電源冗余不完善等情況，對有問題的電源進行改造后，提高了供電電源的可靠性。

1.4 系統接地情況分析

根據控制系統的不同，接地方式也有所不同。現場總線系統（FCS）要求多點接地，DCS控制系統要求單點接地，PLC系統則根據信號頻率不同而采用不同的接地方式。

現場總線采用了Profibus-DP和Profibus-AP兩種方式。由于Profibus-DP的通信頻率較高，干擾所產生的噪聲電流只在屏蔽層外表流過（集膚效應），屏蔽層通常采用多點接地，一般在電纜屏蔽層兩端接地。若一端接地，僅僅有利于消除低頻干擾。

Profibus-DP網絡正常運行時，偶爾出現站點通信故障。檢查發現屏蔽層有單端接地的情況，不能有效消除高頻干擾，對通信造成影響。基建時期對總線接地情況進行了全面檢查，以消除單端接地造成的干擾。采用雙端接地的屏蔽電纜，可以將暫態感應電壓抑制在原值的10%以下，是降低干擾電壓的有效措施。

投產前期對5號、6號機組電子設備間的電纜屏蔽線接地情況進行檢查，發現多個機柜的信號線是多點接地，同時有部分屏蔽線沒有接到接地點上，經過整改將熱控信號電纜以及控制電纜改為單點接地（一般在機柜內接地），減少兩點或多點接地造成的差模干擾，屏蔽現場的干擾信號，提高了熱控信號的穩定性及準確性。

1.5 熱工氣源及儀表管路取樣情況分析

脫硫增壓風機入口壓力參與增壓風機動葉調節及旁路擋板的保護，在機組運行時經常出現壓力點波動、延遲較大等問題。經過對儀表管路敷設情況和取樣點的研究，發現儀表管路過長過細、入口煙氣殘存雜質等問題是壓力測量數據出現遲延和波動的主要原因。將壓力變送器移位，減少取樣管路長度并加粗取樣管，經過長時間運行后，取樣管路再未出現堵塞情況，靈敏度也有所提高，減少了維護工作量。

機組保護邏輯中有1條設計為“火檢冷卻風喪失延遲90 s，鍋爐發生MFT”，火檢冷卻風原取自2臺火檢冷卻風機，后對氣源進行改造，增加1路冷一次風作為火檢冷卻風備用氣，提高了氣源的可靠性。

6號爐投產后，爐前油系統中油角閥閥芯經常出現堵塞，經過分析和檢查，發現油角閥氣源中含有雜質，堵塞了電磁閥的閥芯。利用6號爐小修時機為油角閥氣源加裝過濾減壓閥，提高氣源質量，避免了油角閥堵塞。

1.6 繼電器輸出可靠性的分析

撈渣機控制系統中，撈渣機運行指令由除渣系統PLC保持，一旦PLC故障或邏輯丟失，撈渣機將跳閘。通過大修將撈渣機運行指令改為就地繼電器保持，減少了撈渣機停運的危險，提高撈渣系統的可靠性。

MFT保持繼電器初期設計為由單個繼電器進行保持，當保持繼電器故障，1和3號觸點接觸不良時，鍋爐將發生MFT。為防止繼電器誤動，增加了保持繼電器2，提高了MFT控制系統的可靠性。

1.7 熱工單點保護信號的優化

熱工單點保護是指由1個輸入信號就可以觸發動作的熱工保護回路。熱工單點保護容易產生保護系統的誤動和拒動，是熱工控制系統隱患。

寧海電廠在投產初期對熱工單點保護信號進行了梳理，將報警后能夠通過人員操作處理、保證安全的保護改為報警信號，如將“磨煤機前后軸承溫度單點保護大于95℃磨煤機跳閘”改為報警。并針對進入保護聯鎖系統的模擬量信號，合理設置變化速率保護、延時時間和縮小量程等故障診斷功能，設置保護聯鎖信號壞質量切除及報警邏輯，減少了因接線松動、干擾信號或設備故障引起的信號突變而導致保護動作的情況。

1.8 電焊、對講機或電話引起的故障

總線信號很容易受動力電纜、電焊、對講機和電話的干擾。2010年8月7日18時至次日凌晨6時，5號機組FGD吸收塔漿液密度、pH值等數據頻繁跳變，并連續3天晚上出現相同情況。

分析認為照明動力電纜是疑似干擾源，于8月10日15時做總線干擾試驗。就地模擬實際光線，使所在區域照明燈打開。15時36分，密度計等數據均出現瞬間跳變。據此判斷PA總線數據異常為照明燈動力電纜干擾所致。

2 提高熱工可靠性的措施和建議

由于技術水平和施工環境等因素的影響，機組控制系統誤動和拒動情況仍然經常發生。結合實際情況及工作經驗，提出以下熱工保護系統的可靠性建議。

（1）現場總線系統電纜與設備相連的部分非常容易松動和斷裂，機組運行時已經屢次出現此類故障，建議對電動門分體安裝。

（2）弱電信號電纜應避免和強電導線平行敷設，更不能捆扎在同一束電纜中，或兩種信號使用同一根電纜。

（3）工作頻率低于1MHz時，為了防止靜電干擾，電纜屏蔽層應采用單端接地。工作頻率在10MHz以上、接地線較長，或外部有電擊、雷雨及強電流干擾的情況下，應采用多點接地，以防止接地線阻抗太大，干擾噪聲電壓太高。

（4）建議對重要設備或信號采取雙路DO通道串聯方式進行控制，對設備的重要保護信號應更多地考慮防止拒動。

（5）控制系統的電源應進行冗余配置：UPS及DCS電源冗余切換時間要求小于5 ms；為保證硬接線回路在電源切換過程中不失電，對提供硬接線回路電源的電源繼電器，其切換時間應不大于60 ms；UPS的二次側未經批準不能隨意接入新的負載；在發生冗余電源喪失、電源超壓、兩路電源偏差大、風扇故障等異常時，控制室內電源故障聲光報警信號要能夠正常顯示。

（6）盡量避免單點保護，在新建機組邏輯設計或運行機組檢修時，應采用容錯邏輯設計方法，對運行中容易出現故障的設備、部件和原件，從控制邏輯上進行優化和完善。

（7）機組運行時，易受干擾的測量元件、儀表、傳感器處應放置警示牌，嚴禁磁性物體接近；控制系統的電子間內嚴禁使用對講機、手機等通信設備；參與保護聯鎖的現場設備和機柜，在實驗確定的距離內，不宜進行電焊作業，不宜使用手提機械轉動、切割工具作業。

3 結語

提高火電廠熱工控制的可靠性已成為系統工程，涉及基建、調試、生產維護、檢修和整改等多個過程。只有在整個過程中不斷認真總結事故教訓，做好熱工設備隱患排查，發現問題及時進行整改，才能提高熱工保護的可靠性。

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