幾起發電廠熱工保護系統故障的分析處理

高憲賓，劉 飛

（華電國際十里泉發電廠，山東 棗莊 277103）

隨著大型機組所占比重的增加，機組的安全可靠性對整個電網的穩定性影響逐漸加大。發電機組的正常運行離不開熱工控制系統，保障機組安全離不開保護系統，因此熱工控制和保護系統是否安全可靠成為影響機組及電網安全的重要因素。以下通過熱工故障案例的分析，提出了提高熱工系統可靠性的防范措施。

1 振動信號突變引起的機組跳閘故障

汽輪機軸振保護是汽輪機的一項非常重要的保護，汽輪機運行中由于轉子中心不平衡、軸瓦潤滑油壓低造成油膜破壞、加熱器水位高造成汽輪機水沖擊等極端情況下，會發生軸系振動，當TSI（汽輪機安全監視系統）裝置軸振信號超過危險值時，會發出跳閘信號至ETS（汽輪機跳閘保護系統）停機。近年來，多個發電廠均出現過由于汽輪機振動保護誤動導致機組“非停”事故發生，給發電廠造成了經濟損失。

1.1 事故經過

某發電廠6號機組為哈爾濱汽輪機廠生產的300MW機組，TSI裝置采用的本特利3500系列汽輪機參數監視系統，機組共有8個軸承，1—6號每個軸承上有2個軸振探頭和1個瓦振探頭，7，8號僅有X向軸振信號，瓦振僅作為監視報警，振動保護邏輯采用單點保護，即只要有1路軸振探頭振動值超過危險值（0.254mm），TSI裝置即發出“軸振大”信號至ETS停機。

某日該機組在負荷、主汽壓力、主汽流量等參數沒有變化的情況下，汽輪機1號軸承Y向振動值在4 s內由0.04mm突升至0.38mm，導致軸承振動大保護動作，機組跳閘。

1.2 故障查找與原因分析

汽輪機跳閘的首出原因為軸承振動大，查閱歷史數據：除1Y振動數值存在突增情況外，1X方向軸振及其他軸承振動、1號蓋振及軸瓦溫度、潤滑油壓力等數據均沒有異常變化。

測量1Y振動探頭阻值為8.3Ω正常，就地檢查發現1Y延伸電纜接頭處纏繞的絕緣帶上有水珠并和蛇皮管連接，同時絕緣帶存在松動情況。1號軸振探頭安裝在前箱和高壓缸之間1號軸承蓋上部，安裝位置狹小，且此處軸封漏汽嚴重，用紅外線測溫儀測量該處溫度高達130℃左右，參考本特利振動探頭說明書最高耐受溫度為120℃，實際溫度超過了允許溫度10℃。經分析，認為故障原因為：

（1）振動探頭和延長電纜之間的接頭處理不當，軸封漏汽的凝結水進入接頭處導致接地，串入干擾信號造成軸振值突變；

（2）1號軸承軸封漏汽嚴重，導致探頭溫度過高，使振動探頭高溫老化輸出信號突變；

（3）按照設計原則，熱工保護系統應設計有防止保護誤動和拒動的措施，但該機組振動保護設計為單點保護，沒有防止保護誤動的措施。

1.3 處理措施

1.3.1 改善工作環境

為消除探頭引線和電纜接頭接觸不良、進水等隱患，將軸封漏汽嚴重、探頭溫度較高的振動探頭，更換為9 m長一體化耐高溫鎧裝探頭，取消中間接頭，最高耐溫260℃。同時在汽輪機軸封漏汽嚴重的地方，加裝防護擋板，擋住軸封漏汽，在軸承殼體上部加裝冷卻用壓縮空氣管對該軸承降溫，并加強巡檢測溫。對于其他不漏汽的軸承，振動探頭仍采用1 m探頭+8 m延長電纜的連接方式，探頭與延長電纜的接頭擰緊后，再纏上幾圈生料帶，外面用直徑為8mm的熱縮管縮緊，最后在外部套上蛇皮管防護。

1.3.2 優化單點保護邏輯

為避免單一軸振信號故障，誤發保護信號導致機組“非停”事故的發生，許多發電廠已對汽輪機軸振保護進行了優化。

雖然各個發電廠所采用的策略各有不同，但總體原則是一致的：既要防止振動保護誤動，又要防止振動保護拒動。經過反復論證，將軸振保護修改為：當任一軸承任一方向振動大于機組跳閘值且本軸承另一方向軸振或相鄰軸承任一方向的軸振信號大于報警值時，觸發振動大機組跳閘，還進行了以下優化。

（1）為避免修改后的振動保護拒動，將原TSI組態中報警3 s延時修改為1 s。

（2）TSI裝置的繼電器32卡中邏輯語句表達式的長度有限制，只能寫下60個邏輯操作符，當采用較為復雜的邏輯語句表達式時，會出現寫不下的情況。此時，可以利用32卡的備用通道，將邏輯表達式分開寫在2個DO通道中，如分別將1—4號軸振和5—8號軸振邏輯表達式分別寫在不同的DO通道上，再在端子排上將此2個DO信號并聯后再送至ETS系統。

（3）TSI裝置的繼電器32卡件如果涉及到“與”邏輯，有一個重要選項為“AND VOTING SETUP”。該選項系統默認為“正常與”，如果選擇該模式，則當運行中某個通道故障旁路燈亮起時，該通道的報警和跳閘在“與”運算中都為“1”，與該通道超過跳閘值“相與”的邏輯表達式中只要有1路信號超過報警值，就會觸發機組跳閘，因此這種模式是非常危險的。應選擇“真與”模式，此時情況正好相反，當運行中某個通道故障旁路燈亮起時，該通道的報警和跳閘在“與”運算中都為“0”，與該通道超過報警值“相與”的邏輯表達式將會拒動。因此應嚴格執行TSI裝置巡檢制度，發現通道故障旁路燈亮時，立即檢查處理，防止振動保護拒動。

（4）由于7，8號軸振僅有1個振動探頭，為防止振動保護拒動，8號軸振保護采用8號軸振超過危險值“與”7號軸振或6X與6Y軸振中任一個超過報警值，作為觸發條件，如圖1所示。

圖1 修改后的軸振保護邏輯

2 熱工電源故障造成的保護誤動

汽輪機ETS保護系統多數設計為PLC（可編程邏輯控制器），也有部分發電廠采用DCS系統的專用卡件替代PLC。不論是DCS還是PLC，其I/O模塊的電源設計均采用了雙路冗余設計。根據電工學知識可知：電壓源不能直接并聯。通過以下的案例可知，冗余直流電源設計存在缺陷會造成嚴重的后果。

2.1 事故經過

某發電廠5號機組ETS系統采用的是西門子S7-300雙PLC冗余保護系統，I/O卡件采用24 V外供電方式，DO輸出通過24 V擴展繼電器，控制4個AST（遮斷電磁閥），1與3和2與4號AST電磁閥采用先并聯再串聯的油路結構，采用UPS（不間斷電源）和保安段2路冗余電源供電，正常運行時為常帶電。當PLC接收到跳閘信號時，PLC輸出繼電器動作，AST電磁閥失電打開，卸掉AST油壓，汽輪機所有進汽閥門關閉，機組跳閘。

某日該機組帶供熱系統調試，負荷51.71MW，主汽壓力6.39 MPa，主汽流量209.37 t/h，各項參數正常，無重大操作，ETS系統1—4號AST電磁閥突然動作，甲、乙主汽門關閉，機組跳閘。

2.2 原因查找與分析

ETS首出跳閘原因顯示為發電機主斷路器跳閘，電氣繼電保護裝置記錄電氣跳閘原因為汽輪機跳閘，二者互相矛盾。

調閱送至DCS系統的ETS跳閘條件信號的歷史趨勢及SOE事故追憶記錄，ETS無跳閘原因，最先輸出的是AST電磁閥1，2，3，4動作跳閘。

對AST電磁閥控制接觸器的24 V DC雙路電源進行拆線測量，發現一路24 V DC電源模塊輸出電壓為零。

經分析，故障原因為：由于設計失誤，兩路24 V DC電源的輸出直接并聯后接至24 V電源母排，向下串聯PLC跳閘接點后，控制AST電磁閥的接觸器線圈。機組運行中，其中一路24 V DC電源模塊突然老化損壞輸出電壓為零。由于電源模塊的內阻很小，使另一路24 V DC電源瞬間短路，從而使處于帶電吸合狀態的AST電磁閥接觸器線圈失電，接觸器常閉接點斷開，1—4號AST電磁閥失電，造成機組跳閘。

2.3 處理措施

（1）將24 V電源模塊更換為帶失電報警功能的直流24 V模塊，增加24 V高選模塊，兩路直流24 V分別送至高選模塊的輸入端，經過高選后輸出。當被高選輸出的一路24 V電源模塊故障失電時，其電壓一旦降低到低于另一路24 V電源模塊的輸出電壓，高選模塊立即切換至另一路24 V電源輸出，確保接觸器在電源模塊故障時不失電。

（2）利用機組停機的機會，對所有熱工電源系統增加交流、直流電源失電報警，對直流電源供電回路全面排查，消除直流電源不經高選直接并聯的隱患。

3 熱工一次元件故障造成的保護誤動

汽輪機高壓主汽門關閉信號是機、爐、電大聯鎖的觸發信號之一。某發電廠主汽門關閉信號由現場高壓主汽門關閉行程開關發出，采用二取一設計，甲、乙兩側任一行程開關動作發出主汽門關閉信號，通過DCS系統DO繼電器送至FSSS（鍋爐爐膛安全監控系統）停爐、電氣繼電保護裝置跳閘，由于沒有設計防止保護誤動措施，當任一行程開關老化故障誤發信號時，將必然導致機組“非停”的后果。

3.1 事故經過

某日機組負荷258.5MW，主汽壓力16.14 MPa，主汽流量690.04 t/h，機組運行在AGC（自動發電量控制）方式，各項參數正常，無重大操作，A主汽門關閉信號突然發出，鍋爐MFT（主燃料跳閘），機組跳閘。

3.2 故障查找與原因分析

檢查鍋爐MFT首發原因：機組A側主汽門關閉。現場檢查A側高壓主汽門閥桿處存在很輕微的漏汽現象，用紅外測溫儀測量主汽門行程開關安裝底板溫度高達130℃，測量B側高壓主汽門行程開關的安裝底板溫度分別為70℃。A與B兩側主汽門行程開關采用霍尼韋爾公司LSA6B型產品（最高耐溫120℃），在大修中曾同時更換。對比兩行程開關的老化情況判斷：A側高壓主汽門行程開關因長期超溫工作，內部微動開關觸點受熱老化，引起接點抖動，導致A側主汽門關閉信號誤發。

3.3 處理措施

（1）抬高A與B側高壓主汽門行程開關安裝底板，中間加裝隔熱石棉墊，避開高溫門桿漏汽，阻擋高溫輻射；每次機組停機檢修，要對主汽門行程開關打開檢查，若發現有端子老化、拐臂動作不靈的情況，應及時更換處理。

（2）“高壓主汽門關閉”邏輯由原來的“任一側高壓主汽門關閉”修改為：任意一側的高壓主汽門“開到位”信號“取反”和該側主汽門“關到位”信號“相與”，發出“主汽門關閉”信號，修改后的保護邏輯既防止了保護誤動也避免了拒動。

（3）對處于高溫環境下的保護用一次元件，如大（小）機TSI振動探頭、大（小）機主汽門行程開關等進行全面排查，采取加裝防護擋板、加裝壓縮空氣的方法對測點冷卻，同時對單點保護的邏輯進行合理優化，避免單一保護元件高溫老化而導致保護誤動。

4 電機燒毀引發的機組非停事故

電氣400 V保安電源一般分為A與B兩段，冗余配置的小功率輔機分別掛在兩個不同的電源段，熱工閥門電動裝置的電源取自400 V的某一段，一般沒有按照分段原則進行設計，當該段電源故障時，自動或手動切換至另一段。下面這起案例是某機組由于電氣輔機故障引起400 V電源電壓劇烈波動，使所有給粉機一次風門電動裝置控制電源瞬間失電，一次風門關信號誤發，造成FSSS系統誤發聯鎖停給粉機信號，引發機組MFT。

4.1 事故經過

某日，機組AGC方式運行，負荷263MW，A，B，C，D排粉機及A與B磨煤機運行，A，B，C，D層和E1與E3給粉機運行。啟動D磨煤機，9 s后D磨煤機電機跳閘，“電氣6kV 7B段母線接地”報警，鍋爐MFT，首出原因為“全爐膛無火”。

4.2 檢查情況

現場查閱D磨煤機保護裝置動作記錄：速斷保護動作，A相二次電流64 A，C相二次電流88.47 A（速斷保護動作定值為18 A）。

調閱故障錄波器記錄，發現D磨跳閘時引起機組6kV 7B段、400 V 7B段電壓降低，從電壓開始下降至恢復正常時間約為120 ms，期間6kV 7B段電壓最低降至1.37kV，400 V 7B段電壓最低降至90 V。

調閱DCS報警記錄，發現D磨煤機故障后，機組所有給粉機一次風擋板“已關”報警信號發出。

爐側電動門磁力柜電源設計為2路供電方式，分別接至機組400 V工作7A段和400 V保安7B段，故障時磁力柜電源工作在400 V保安7B段，而400 V保安7B段的工作電源為機組400 V工作7B段。各電動門控制回路電源取自各自動力回路。就地閥門開、關行程信號送至磁力柜控制回路，經繼電器擴展后，通過其常閉接點將信號送至FSSS系統顯示閥門狀態和參與聯鎖。

4.3 原因分析

（1）磨煤機電機大修時檢查不細致，沒有及時發現電機線圈端部引線存在碰觸的隱患并采取相應措施。

（2）由于磨煤機電機為重載、頻繁啟動的電機，線圈端部引線在巨大的電動力作用下碰觸、摩擦，加之運行中振動作用，最終導致電機引線間絕緣磨損，引起電機A與C相端部引線相間短路，電機保護裝置速斷保護動作，磨煤機電機跳閘。

D磨煤機電機故障時導致400 V 7B段母線電壓最低降至90 V，造成所有給粉機一次風擋板控制回路電源由220 V降至50 V左右。擴展繼電器線圈釋放，其常閉接點閉合，所有給粉機一次風擋板“已關”信號誤發。FSSS系統接收到一次風擋板關閉信號，聯鎖動作跳閘給粉機，造成運行中的給粉機全部跳閘，燃料喪失，觸發鍋爐MFT。

4.4 處理及防范措施

（1）電機大修時，對電機端部引線進行仔細檢查，重點檢查端部引線間有無碰觸部位、引線固定是否牢固等。對于重載、頻繁啟動的磨煤機、排粉機電機等，應根據電機實際運行情況，合理安排其檢修周期。

（2）完善FSSS系統給粉機跳閘邏輯：采用一次風門開到位信號“取非”和關到位信號“相與”聯鎖跳閘給粉機，避免由于一次風門電源故障誤跳給粉機。

（3）利用機組檢修機會，增加電動門磁力柜電源自動切換裝置。

5 結語

熱工保護的設計原則是“寧可誤動、不可拒動”，然而，近年來熱工保護誤動引發的機組“非停”事故越來越頻繁，如何在不違背熱工保護設計原則的基礎上，讓熱工保護既能防止拒動又能防止誤動，這是擺在熱工維護人員面前不得不面對的一道難題。通過對4個典型熱工事故案例進行逐一剖析，提出相應的整改措施，有利于提高熱工保護的可靠性。

[1]王志祥，黃偉.熱工保護與順序控制[M].北京：中國電力出版社，2009.