熱工技術監督中發現的缺陷問題探討

趙長祥，陳寶林

（國電科學技術研究院，南京 210033）

熱工技術在發電廠的重要性日趨突出，通過不斷進行深層次技術監督，發現在熱工領域存在一些不利于發電廠安全、穩定、高效運行的問題。以下主要就電源、閥門信號、邏輯設計等關鍵的安全問題進行討論，尋求解決的辦法。

1 一次元件的選擇與安裝

1.1 壓力控制器與壓力變送器

1.1.1 兩者之間的比較與選擇

國內諸多發電廠中，超過80%的壓力控制器保護誤動故障跟取樣管堵塞有關。以爐膛壓力控制器為例，取樣管的堵塞不僅與取樣管的管徑、爐膛壓力、取樣點設計位置、煤的灰分、煤的水分相關外，還與外部環境溫度相關。

與電接點壓力表相比，壓力控制器在可靠性方面有十分明顯的優勢，那么，是否比壓力變送器有明顯優勢？性能比較見表1。

通過比較可以發現，在不考慮取樣管堵塞、精度等級、信號漸變過程及信號多用途等情況下，壓力控制器具有一定的性價比優勢。但是，取樣管是否堵塞、精度等級及用途是否滿足要求，恰恰是熱工專業最為關心的問題。因此對于重要的測點應多方面比較后，慎重地選擇壓力控制器還是壓力變送器。

1.1.2 防止壓力控制器堵塞的方法

為了防止爐膛壓力控制器堵塞或減少堵塞的頻率，很多發電廠取樣管采用大口徑光滑不銹鋼管。此外，還有其他有創意的做法，如將同側負壓取樣點與防堵鋼管并聯起來，少部分機組選擇較高的爐膛壓力取樣點。

矩陣密集陣式毛細孔式防堵裝置是國電九江發電廠的一項發明，即在普通防堵裝置鋼管內部加1個內膽與取樣管相連，在光滑內膽表面鉆有密集的毛細孔。由于毛細孔數量眾多，煙氣的流通面積也非常大，可以近似認為內外相通。而外來飛灰卻無法從毛細孔進入內膽內部，最多只能停留在光滑的內膽外表面，輕輕一振或內膽內外壓差一有較大波動，灰塵就自動脫落。當然，定期吹掃還是避免不了的。其結構原理如圖1所示。

表1 壓力控制器與壓力變送器的性能比較

圖1 密集陣毛細孔式防堵裝置的原理示意

某電科院推薦爐膛壓力變送器與壓力控制器公用1根壓力取樣管，這樣就可以通過壓力變送器輸出信號中的諧波成分大小來判斷取樣管是否堵塞。為了便于維護，在相同編號后加不同的后綴來標明同一根取樣管上的壓力變送器與壓力開關控制器之間的關系。但是這樣做違反了DL/T 5182-2004《火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路及電纜設計技術規定》第5.3.2條‘冗余配置的變送器，應有各自的測量管路、閥門及附件’的要求。

究竟該如何選用爐膛壓力保護一次元件，有必要認真進行探討和研究。

1.2 熱電偶與熱電阻

一般情況下，發電廠輔機溫度保護與主機的軸、瓦溫度保護測點都選用熱電阻。而熱電阻在接線松動或斷路的情況下，阻值瞬時增加，系統輸出溫度值同步飆升，導致保護誤動。為了防止意外事件的發生，推薦采用冗余熱電阻測點或將保護降為報警顯示、或利用信號變化速率來監視熱電阻是否接線松動或斷路線等。

還有一種方法是用熱電偶取代熱電阻。熱電偶在接線松動或斷路時，系統測得溫度就嚴重偏低，很容易被發現，卻不會引起保護誤動。由于需要將普通電纜更換成補償導線，會增加一些經濟成本。但是，對于那些不便于安裝冗余熱電阻測點的輔機設備，選用熱電偶是最有效的防誤動措施之一。

2 保護邏輯的優化

盡管采取很多措施，干擾信號還是會頻頻進入熱工控制系統，導致熱工保護誤動，在一些自主創新的控制系統中尤為明顯。而根據傳統的熱工保護理念設計的保護邏輯（見圖2），卻很少發生保護誤動。其中起關鍵作用的有2個環節，即信號品質判斷環節與延時環節。

2.1 信號品質判斷

眾所周知，熱電阻斷路是溫度高保護誤動作的主要原因。目前，普遍采用方法是通過溫度信號變化速率來判斷熱電阻是否斷路，DCS（分散控制系統）也提供了相應的控制模塊。如果溫度變化速率在允許范圍內，該溫度信號就是可信的，但也有可能導致保護拒動。

通過分析，發現DCS控制的保護系統每100 ms計算1次，也就是說，其中的溫度變化速率判斷模塊也是每100 ms計算1次，這就是保護拒動根本原因所在。如果定義溫度變化率為5℃/s，絕不等同于溫度變化率每100 ms為0.5℃，而且，計算的時間周期越短，差異就越大。因為，任何溫度信號都存在諧波干擾信號，只是一般情況下影響較小而已；在設備工作不正常時，如存在嚴重摩擦，往往會產生較嚴重的諧波干擾信號。這些信號頻率高，沖擊強，完全有可能瞬時達到甚至超過0.5℃的幅值，而一旦信號變化速率判斷模塊檢測其為干擾信號，就會立刻禁止保護輸出，保護拒動也就產生了。

所以，只有嚴格按照按定義去編制的信號速率變化判斷程序，才能正確發揮其既防誤動又防拒動的功能。

2.2 延時環節

圖2 傳統熱工保護邏輯設計示意

除轉速、振動外，絕大多數熱工信號是慢變信號，而干擾信號一般是快速變化信號，可以通過增加延時環節來消除干擾。即如果干擾信號持續時間為1 s，那么設定2 s的延時，該干擾信號就可以有效地被過濾掉。

有部份調試人員在保護系統調試過程中，只會機械刻板地按照工藝要求去編制控制程序，不知道如何應用延時環節。如某2×300MW機組，一年內發生大大小小的保護誤動10多起。令人十分驚訝的是，大多數保護系統中的延時環節被遺忘了。當然，這是從抗干擾角度考慮問題，具體設定多少延時時間，還必須滿足不影響設備安全運行的要求。

2.3 閘閥行程開關動作信號與狀態信號

還有一點為大多數人所忽略，就是在控制程序中，將行程開關動作信號等同于閥門狀態信號，釀成了較為嚴重的后果。

某發電廠由于電磁場信號干擾，DCS控制系統接收到開式循環水泵出口閥關閉行程開關動作信號（實際未關閉），導致開式循環水泵跳閘。而后實施了如圖3所示的改進措施，取得了明顯成效。

圖3 防閥門關狀態信號誤發的邏輯改進

盡管處理好了這次事故，有的熱工人員還是將行程開關動作信號等同于閥門狀態信號。但二者絕不是一回事，如表2所示。

表2 閘閥行程開關動作與狀態信號之間的關系

由于接收行程開關動作信號的輸入端名稱與發送閥門狀態信號的輸出端名稱一般是相同的，易相混淆，這是導致誤將行程開關信號等同于閥門狀態的主要原因。

為了預防意外干擾事故發生，有必要嚴格區分行程開關動作信號與閥門狀態信號，并對相應聯鎖保護控制程序進行改進。

3 保護投/切邏輯的設計

投/切邏輯目前一般都可以由計算機維護人員通過預設窗口進行維護，但絕大數發電廠的熱工人員還必須深入保護程序內部去強制信號，或去拆線。由此引起的直接或間接的保護誤動層出不窮。為此設計了保護投/切邏輯，見圖4。

圖4 保護投/切邏輯示意

該設計具備以下4個優點。

（1）熱工人員專用。一般情況下，過程畫面文件夾中的文件只有在工程師站上才可以打開運行或維護。如果與圖4所示對應的保護投/切過程畫面只存放在過程畫面文件夾中，而不鏈接到主過程畫面，那么該設計就成了熱工專用保護系統投/切機制。

對于那些在操作員站上可以打開過程文件夾的DCS系統，通常是在過程畫面上作明顯的標記（如熱工專用），并由專人負責，以免下載到操作員站上去；或刪除保護投/切過程畫面，保留原程序。當然，明確要求操作員不具有打開工程師站的權力，也是比較合適的。

（2）操作簡單、可靠。即使操作失誤也不會立即引起嚴重后果，而且可以立刻被運行人員發現。

該邏輯設計了自鎖功能，非常可靠，即當滿足保護動作條件時，禁止保護投入，避免誤動；另一方面，還向運行人員提供保護運行狀態。運行及管理人員可隨時了解整臺機組所有保護的運行情況，增加了設備運行的安全性，也增加了運行人員對投/切保護的監控功能。

（3）提示“是否允許保護投入”。即使帶自鎖功能投/切的設計，熱工人員也需要及時了解保護投入失敗的原因，便于及時處理問題。

另外，對那些通過硬手操方式實現投/切保護的系統，尤其是ETS（汽輪機跳閘保護系統），更需要“是否允許保護投入”的信息提示。如某發電廠，在機組啟動過程中，熱工人員在電子間投入凝汽器真空低ETS保護，機組跳閘。事后查明凝汽器真空壓力低壓力控制的二次門未打開。現代機組的熱工保護已遠遠超出傳統意義上的范疇。熱工保護設計采用投/切硬手操，是值得肯定的做法。但是，如果不提示“是否允許投運”，風險就會成倍增加。

（4）提供保護運行狀態。把熱工保護的投/退操作由熱工人員全權負責，恢復成原來的由熱工與運行人員共同負責。運行人員對熱工保護的投入必須負有監督責任，這樣大大增強了機組運行的安全性。

4 加強熱工電纜與電源的維護管理

4.1 熱工電纜的維護

有很多因素影響熱工電纜正常工作，諸如踩踏變形、緊貼熱源、進線孔洞敞開、電纜承重等，這些狀況極大地增加了信號電纜絕緣、屏蔽被破壞的幾率，通常的解決辦法是“穿”軟金屬保護管或鋼管、“走”架空橋架、遠離熱源等。

為了給熱工電纜“穿”上軟金屬保護管，有些施工人員把熱工電纜的絕緣層、屏蔽層、保護層切除得干干凈凈，在軟金屬保護管內是毫無保護措施的熱工信號線。更為嚴重的是，鋒利的軟金屬保護管裂口，在振動中不斷切割著已經老化變色的熱工信號線，短路故障隨時可能發生。電纜絕緣保護層的割斷區域越大，信號線被劃傷的可能性就越大。

因此，應使熱工電纜的絕緣層、屏蔽層等保存完好，只有在進入到熱工設備內部后，其絕緣層才能被切去必要一小段，進線孔洞密封嚴密，可防塵防水。另外，還可以采取一些補救措施，如“穿”玻璃纖維管或熱縮管、裹絕緣膠帶、密封穿線孔、更換軟金屬保護管等。

4.2 熱工電源維護

云南某發電廠DCS（分散控制系統）一機柜的電源模塊損壞，控制失靈，機組跳閘，事后檢查電源模塊表面溫度異常；吉林某發電廠在機組正常運行過程中，供熱系統DCS一機柜內發生了一側24 V DC損壞、另一側48 V DC損壞的現象，導致供熱控制系統可以正常顯示卻無法操作。事后檢查發現，DCS電源切換試驗記錄非常完整。正是由于工作人員過分相信定性的電源切換試驗，而錯過了發現處于危險邊緣的供電模塊的機會。

以前，熱工專業在每次大小修停機時都必須檢查并記錄所有電源模塊單獨帶負載時的電壓。通過對大量的記錄數據進行分析比較，很快就可以發現異常的電源模塊。因此，只要恢復該傳統做法，電源故障在萌芽階段就可以被控制。

火檢電源系統還存在另一種問題，即所有火檢探頭接在同一個的電源上，卻不配過流保護裝置。這就導致只要其中1支火檢短路，整個火檢電源系統就會跳閘，甚至導致爐膛滅火保護動作。這種事故在貴州某發電廠就真切地上演過一幕。

5 結語

總結了在熱工技術監督中發現的一些問題，這些都和熱工保護系統的設計、運行和維護管理有關，只有深入地分析出現的故障，提出相應的整改措施，才能使熱工保護系統的可靠性不斷提高，以保證發電機組安全穩定地運行。

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