1000 MW機(jī)組熱工系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化

韓 璞，李 麗，孫 波，孫德波，柯尊明

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

浙江國(guó)華寧海電廠二期工程2×1000 MW超超臨界燃煤機(jī)組于2009年9月正式投入商業(yè)運(yùn)行，采用德國(guó)西門(mén)子T-3000控制系統(tǒng)。機(jī)組自投運(yùn)以來(lái)多次發(fā)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(diǎn)保護(hù)、接地不規(guī)范、儀表管安裝不符合規(guī)定等問(wèn)題，影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。為保障機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，提高熱工系統(tǒng)的安全性，采取一系列措施提高了熱工控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，本文就處理過(guò)程中一些較為普遍的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)優(yōu)化的基本方法進(jìn)行探討。

1 熱工典型故障分析和優(yōu)化

1.1 DO卡件單通道引起的故障

DCS系統(tǒng)曾發(fā)生多起DO卡件故障造成的設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)，若機(jī)組在運(yùn)行時(shí)發(fā)生重要設(shè)備對(duì)應(yīng)的DO卡件故障而誤發(fā)信號(hào)，將可能導(dǎo)致機(jī)組非正常停運(yùn)。

2009年9月28日，5號(hào)機(jī)組5A循環(huán)泵出口液控碟閥開(kāi)指令在邏輯正在激活的狀態(tài)下發(fā)出，導(dǎo)致5A循環(huán)泵出口液控碟閥自動(dòng)開(kāi)，更換SIM卡件后恢復(fù)正常。

2010年2月18日，6號(hào)機(jī)組某DO卡件第9通道指令紊亂，導(dǎo)致6號(hào)爐B側(cè)2號(hào)一級(jí)減溫水進(jìn)口電動(dòng)門(mén)關(guān)閉，更換SIM卡件后恢復(fù)正常。

2010年1月21日，6號(hào)機(jī)組某DO卡件第4通道故障，指令無(wú)法發(fā)出，導(dǎo)致汽輪機(jī)潤(rùn)滑油主油泵B不能自啟動(dòng)，更換SIM卡件后恢復(fù)正常。

通常，對(duì)就地設(shè)備采取單DO通道控制的方式（見(jiàn)如圖1），當(dāng)DCS有指令發(fā)出時(shí)，F(xiàn)UM卡上相應(yīng)通道的繼電器觸點(diǎn)閉合，進(jìn)而導(dǎo)通就地控制回路，實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備的啟停。

圖1 單DO通道控制方式

為了避免重要設(shè)備因DO卡件的原因?qū)е抡`動(dòng)，建議對(duì)重要設(shè)備采取雙路DO通道串聯(lián)控制方式。可先通過(guò)組態(tài)將重要設(shè)備的指令分配到2個(gè)位于不同SIM卡件的通道上，然后將2個(gè)通道輸出繼電器串聯(lián)起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)就地設(shè)備的控制（見(jiàn)圖 2）。

圖2 雙DO通道控制方式

但設(shè)備的拒動(dòng)和誤動(dòng)是相對(duì)而言的，在避免設(shè)備誤動(dòng)的同時(shí)也增加了設(shè)備拒動(dòng)的可能性，在就地設(shè)備的啟停過(guò)程中，誤動(dòng)造成的危害更大，因此要重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備誤動(dòng)。通過(guò)DO通道串聯(lián)的方式減少了設(shè)備誤動(dòng)的可能，即使其中1個(gè)通道因?yàn)楣收险`發(fā)指令，也不會(huì)導(dǎo)致就地設(shè)備動(dòng)作。寧海電廠將主給水電動(dòng)門(mén)、高加進(jìn)出口門(mén)等重要設(shè)備改為該方式，減少了誤動(dòng)的可能。

1.2 動(dòng)力電纜與通信電纜混敷引起的故障

《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》明確要求：合理布置動(dòng)力電纜和測(cè)量信號(hào)電纜的走向，允許直角交叉，但應(yīng)避免平行走線，如無(wú)法避免，除非采取了屏蔽措施，否則兩者間距應(yīng)大于1 m。

FGD現(xiàn)場(chǎng)總線有部分電纜與其它電纜敷設(shè)于同一電纜槽內(nèi)，如L0CRN01.AB03PA現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與日粉倉(cāng)給料機(jī)變頻器電纜敷設(shè)于同一電纜槽內(nèi)，造成信號(hào)相互干擾，調(diào)試期間曾發(fā)生儀表信號(hào)紊亂，將現(xiàn)場(chǎng)總線電纜重新單獨(dú)敷設(shè)后，該故障消除。

電除塵控制系統(tǒng)的動(dòng)力電纜與PLC控制信號(hào)線也敷設(shè)在同一電纜橋架內(nèi)，且沒(méi)有任何屏蔽和隔離措施，兩者間距小于1 m，機(jī)組啟停階段曾出現(xiàn)控制信號(hào)波動(dòng)、開(kāi)關(guān)量信號(hào)紊亂現(xiàn)象。

1.3 電源冗余引起的故障

2010年9月21日，在輔控網(wǎng)公用系統(tǒng)服務(wù)器電源切換時(shí)，由于切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使輔控網(wǎng)服務(wù)器斷電，導(dǎo)致灰、渣、水等控制系統(tǒng)在主機(jī)集控室內(nèi)無(wú)法監(jiān)視和操作，輔網(wǎng)控制系統(tǒng)癱瘓。經(jīng)過(guò)對(duì)切換系統(tǒng)的檢查，發(fā)現(xiàn)2路電源電壓偏差較大，冗余裝置內(nèi)部電阻過(guò)小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)冗余。經(jīng)過(guò)改造，使冗余電源恢復(fù)正常切換。

2011年12月2日，脫硫廢水系統(tǒng)全部癱瘓，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主電源二次側(cè)隨意接入負(fù)載（加裝圍欄時(shí)接入了大功率電氣工具），主電源過(guò)載，空氣開(kāi)關(guān)跳閘，因PLC電源沒(méi)有冗余配置，導(dǎo)致電源失電，造成脫硫廢水系統(tǒng)癱瘓。

MFT繼電器柜電源兩路耦合，正極通過(guò)二極管耦合，負(fù)極直接通過(guò)端子排連接在一起。為了提高電源的可靠性，對(duì)負(fù)極也進(jìn)行耦合處理。

經(jīng)過(guò)對(duì)二期電源的全面檢查，發(fā)現(xiàn)存在電源冗余切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、單電源供電、電源冗余不完善等情況，對(duì)有問(wèn)題的電源進(jìn)行改造后，提高了供電電源的可靠性。

1.4 系統(tǒng)接地情況分析

根據(jù)控制系統(tǒng)的不同，接地方式也有所不同。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)（FCS）要求多點(diǎn)接地，DCS控制系統(tǒng)要求單點(diǎn)接地，PLC系統(tǒng)則根據(jù)信號(hào)頻率不同而采用不同的接地方式。

現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)生的噪聲電流只在屏蔽層外表流過(guò)（集膚效應(yīng)），屏蔽層通常采用多點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，偶爾出現(xiàn)站點(diǎn)通信故障。檢查發(fā)現(xiàn)屏蔽層有單端接地的情況，不能有效消除高頻干擾，對(duì)通信造成影響。基建時(shí)期對(duì)總線接地情況進(jìn)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(tài)感應(yīng)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(chǎn)前期對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)組電子設(shè)備間的電纜屏蔽線接地情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)多個(gè)機(jī)柜的信號(hào)線是多點(diǎn)接地，同時(shí)有部分屏蔽線沒(méi)有接到接地點(diǎn)上，經(jīng)過(guò)整改將熱控信號(hào)電纜以及控制電纜改為單點(diǎn)接地（一般在機(jī)柜內(nèi)接地），減少兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地造成的差模干擾，屏蔽現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)，提高了熱控信號(hào)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

1.5 熱工氣源及儀表管路取樣情況分析

脫硫增壓風(fēng)機(jī)入口壓力參與增壓風(fēng)機(jī)動(dòng)葉調(diào)節(jié)及旁路擋板的保護(hù)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)壓力點(diǎn)波動(dòng)、延遲較大等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)儀表管路敷設(shè)情況和取樣點(diǎn)的研究，發(fā)現(xiàn)儀表管路過(guò)長(zhǎng)過(guò)細(xì)、入口煙氣殘存雜質(zhì)等問(wèn)題是壓力測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)遲延和波動(dòng)的主要原因。將壓力變送器移位，減少取樣管路長(zhǎng)度并加粗取樣管，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，取樣管路再未出現(xiàn)堵塞情況，靈敏度也有所提高，減少了維護(hù)工作量。

機(jī)組保護(hù)邏輯中有1條設(shè)計(jì)為“火檢冷卻風(fēng)喪失延遲90 s，鍋爐發(fā)生MFT”，火檢冷卻風(fēng)原取自2臺(tái)火檢冷卻風(fēng)機(jī)，后對(duì)氣源進(jìn)行改造，增加1路冷一次風(fēng)作為火檢冷卻風(fēng)備用氣，提高了氣源的可靠性。

6號(hào)爐投產(chǎn)后，爐前油系統(tǒng)中油角閥閥芯經(jīng)常出現(xiàn)堵塞，經(jīng)過(guò)分析和檢查，發(fā)現(xiàn)油角閥氣源中含有雜質(zhì)，堵塞了電磁閥的閥芯。利用6號(hào)爐小修時(shí)機(jī)為油角閥氣源加裝過(guò)濾減壓閥，提高氣源質(zhì)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(jī)控制系統(tǒng)中，撈渣機(jī)運(yùn)行指令由除渣系統(tǒng)PLC保持，一旦PLC故障或邏輯丟失，撈渣機(jī)將跳閘。通過(guò)大修將撈渣機(jī)運(yùn)行指令改為就地繼電器保持，減少了撈渣機(jī)停運(yùn)的危險(xiǎn)，提高撈渣系統(tǒng)的可靠性。

MFT保持繼電器初期設(shè)計(jì)為由單個(gè)繼電器進(jìn)行保持，當(dāng)保持繼電器故障，1和3號(hào)觸點(diǎn)接觸不良時(shí)，鍋爐將發(fā)生MFT。為防止繼電器誤動(dòng)，增加了保持繼電器2，提高了MFT控制系統(tǒng)的可靠性。

1.7 熱工單點(diǎn)保護(hù)信號(hào)的優(yōu)化

熱工單點(diǎn)保護(hù)是指由1個(gè)輸入信號(hào)就可以觸發(fā)動(dòng)作的熱工保護(hù)回路。熱工單點(diǎn)保護(hù)容易產(chǎn)生保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)和拒動(dòng)，是熱工控制系統(tǒng)隱患。

寧海電廠在投產(chǎn)初期對(duì)熱工單點(diǎn)保護(hù)信號(hào)進(jìn)行了梳理，將報(bào)警后能夠通過(guò)人員操作處理、保證安全的保護(hù)改為報(bào)警信號(hào)，如將“磨煤機(jī)前后軸承溫度單點(diǎn)保護(hù)大于95℃磨煤機(jī)跳閘”改為報(bào)警。并針對(duì)進(jìn)入保護(hù)聯(lián)鎖系統(tǒng)的模擬量信號(hào)，合理設(shè)置變化速率保護(hù)、延時(shí)時(shí)間和縮小量程等故障診斷功能，設(shè)置保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)壞質(zhì)量切除及報(bào)警邏輯，減少了因接線松動(dòng)、干擾信號(hào)或設(shè)備故障引起的信號(hào)突變而導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的情況。

1.8 電焊、對(duì)講機(jī)或電話引起的故障

總線信號(hào)很容易受動(dòng)力電纜、電焊、對(duì)講機(jī)和電話的干擾。2010年8月7日18時(shí)至次日凌晨6時(shí)，5號(hào)機(jī)組FGD吸收塔漿液密度、pH值等數(shù)據(jù)頻繁跳變，并連續(xù)3天晚上出現(xiàn)相同情況。

分析認(rèn)為照明動(dòng)力電纜是疑似干擾源，于8月10日15時(shí)做總線干擾試驗(yàn)。就地模擬實(shí)際光線，使所在區(qū)域照明燈打開(kāi)。15時(shí)36分，密度計(jì)等數(shù)據(jù)均出現(xiàn)瞬間跳變。據(jù)此判斷PA總線數(shù)據(jù)異常為照明燈動(dòng)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(shù)水平和施工環(huán)境等因素的影響，機(jī)組控制系統(tǒng)誤動(dòng)和拒動(dòng)情況仍然經(jīng)常發(fā)生。結(jié)合實(shí)際情況及工作經(jīng)驗(yàn)，提出以下熱工保護(hù)系統(tǒng)的可靠性建議。

（1）現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)電纜與設(shè)備相連的部分非常容易松動(dòng)和斷裂，機(jī)組運(yùn)行時(shí)已經(jīng)屢次出現(xiàn)此類故障，建議對(duì)電動(dòng)門(mén)分體安裝。

（2）弱電信號(hào)電纜應(yīng)避免和強(qiáng)電導(dǎo)線平行敷設(shè)，更不能捆扎在同一束電纜中，或兩種信號(hào)使用同一根電纜。

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

（4）建議對(duì)重要設(shè)備或信號(hào)采取雙路DO通道串聯(lián)方式進(jìn)行控制，對(duì)設(shè)備的重要保護(hù)信號(hào)應(yīng)更多地考慮防止拒動(dòng)。

（5）控制系統(tǒng)的電源應(yīng)進(jìn)行冗余配置：UPS及DCS電源冗余切換時(shí)間要求小于5 ms；為保證硬接線回路在電源切換過(guò)程中不失電，對(duì)提供硬接線回路電源的電源繼電器，其切換時(shí)間應(yīng)不大于60 ms；UPS的二次側(cè)未經(jīng)批準(zhǔn)不能隨意接入新的負(fù)載；在發(fā)生冗余電源喪失、電源超壓、兩路電源偏差大、風(fēng)扇故障等異常時(shí)，控制室內(nèi)電源故障聲光報(bào)警信號(hào)要能夠正常顯示。

（6）盡量避免單點(diǎn)保護(hù)，在新建機(jī)組邏輯設(shè)計(jì)或運(yùn)行機(jī)組檢修時(shí)，應(yīng)采用容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)方法，對(duì)運(yùn)行中容易出現(xiàn)故障的設(shè)備、部件和原件，從控制邏輯上進(jìn)行優(yōu)化和完善。

（7）機(jī)組運(yùn)行時(shí)，易受干擾的測(cè)量元件、儀表、傳感器處應(yīng)放置警示牌，嚴(yán)禁磁性物體接近；控制系統(tǒng)的電子間內(nèi)嚴(yán)禁使用對(duì)講機(jī)、手機(jī)等通信設(shè)備；參與保護(hù)聯(lián)鎖的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和機(jī)柜，在實(shí)驗(yàn)確定的距離內(nèi)，不宜進(jìn)行電焊作業(yè)，不宜使用手提機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、切割工具作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

提高火電廠熱工控制的可靠性已成為系統(tǒng)工程，涉及基建、調(diào)試、生產(chǎn)維護(hù)、檢修和整改等多個(gè)過(guò)程。只有在整個(gè)過(guò)程中不斷認(rèn)真總結(jié)事故教訓(xùn)，做好熱工設(shè)備隱患排查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行整改，才能提高熱工保護(hù)的可靠性。

[1]孫長(zhǎng)生.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控[M].北京，中國(guó)電力出版社，2010.

[2]朱北恒.火電廠熱控系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)[J].浙江電力，2007，26（5）∶1-5.

[3]劉宇穗，陳勇，李軍.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的屏蔽/接地分析[J].熱力發(fā)電，2009，38（6）∶88-91.

[4]楊志佳，劉磊，段朝偉.火電廠DCS系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的應(yīng)用[J].科研與技術(shù)，2010，50（12）∶68-70.