660 MW火電機組單輔機控制可靠性研究

章佳威，莊義飛，甄 誠

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司 華東電力試驗研究院，合肥 230000)

0 引 言

近年來，隨著大容量輔機制造技術的愈發(fā)成熟，單列輔機的設計方式在國內電廠得以實施，這種設計方案兼顧了降低投資成本、簡化系統(tǒng)及降低廠用電率等諸多因素。在鍋爐方面的配置為單送風機、單引風機、單一次風機、單回轉式空預器等，系統(tǒng)大為簡化，鍋爐島的廠用電率可降至 1%[1]。相較于國內大量投產的火電機組仍然采用雙輔機的設計方式。

某新建電廠1、2號機組采用單列輔機設計，其一次風機、送風機、空預器、給水泵采用單臺100%容量設計，引風機采用2臺50%容量設計，分散控制系統(tǒng)(DCS)采用和利時MACSV6.5.4，全廠總線設計。該文將調試期間針對單輔機系統(tǒng)相關的優(yōu)化和控制策略進行分析研究。

1 設計階段

單列輔機布置的火電機組與常規(guī)火電機組的設計有本質區(qū)別，因單輔機的設計方式，機組沒有常規(guī)火電機組的輔機故障甩負荷功能(RB)，所以在一次風機、送風機、給水泵等輔機保護設計時，不僅需考慮設備層安全，還需考慮機組運行安全。 單列輔機設計的火電機組，其單輔機保護與機組主保護等同，其設計原則也與機組主保護相同。按照熱工保護系統(tǒng)的設計原則，熱工保護系統(tǒng)的設計應有防止誤動和拒動的措施。一直以來，關于保護系統(tǒng)的設計是應側重防拒動還是防誤動，因理念差異導致保護設計方案不同。

1.1 總線設備保護設計

由于該電廠采用全廠總線的設計方式，總線的設計方案需充分考慮保護邏輯設計原則。原則上總線信號不參與主輔機保護及重要聯(lián)鎖。但是在基建過程中，總線的設計方案一般早于邏輯方案，而總線設計方案又決定了設備的選型。總線設計方案需根據(jù)全廠總線設備覆蓋率的要求，設計一般將全廠380 V電機設備、電動執(zhí)行機構、氣動執(zhí)行機構及部分模擬量測點歸為總線通訊，其中就包括單輔機的空預器電機、油站電機、進出口電動門等重要保護及連鎖設備,針對此類設備可采用雙冗余指令保護邏輯，采用硬接線與總線雙冗余指令，在任一指令失效的情況下，另一路指令可有效工作，防止設備聯(lián)啟失敗導致輔機跳閘。

1.2 保護設計與設備選型

熱工保護邏輯的實現(xiàn)是基于設備所提供的監(jiān)視測點來實現(xiàn)的，主體設備選型對熱工保護有重要決定意義。以風機、水泵類設備為例，其系統(tǒng)中參與保護的測點在后期是有改造空間的，如管道、風道內的壓力、風速及流量等測點。但是風機、水泵等設備本體監(jiān)視的測點是固定的，難以改變的，如軸承溫度、振動等。所以此類設備在選型時，需考慮其測點是否滿足保護設計規(guī)程的要求。對于已定型的設備，應盡量避免單測點參與保護，如單溫度測點可改為雙支溫度計，或者雙溫度測點的可采用兩點聯(lián)合判斷(一點報警與另一點跳閘)的方式[2]，單點振動判斷可改為X+Y軸輔助判斷的方式等。

2 調試優(yōu)化

2.1 輔機軸承溫度保護優(yōu)化

發(fā)電廠熱工輔機保護邏輯中，常采用軸承和電機線圈的溫度測量信號，當測量信號超過定值時觸發(fā)保護動作；但由于溫度測量回路中的熱電阻很容易發(fā)生接觸不良或斷線的故障，使得保護誤動[3]。在工程應用中，采用容錯控制技術與容錯邏輯設計，容錯控制技術是通過故障診斷(故障檢測、故障隔離、故障識別)，讓控制系統(tǒng)在故障后進行重構，使控制系統(tǒng)魯棒性得到提高[4]。圖1為該廠機組輔機軸承溫度保護跳閘的壞信號剔除邏輯回路，這是應用特定的容錯控制技術進行容錯邏輯設計的典型例子。當軸承溫度出現(xiàn)斷線、干擾等情況，軸承溫度突變(變化大于5 ℃/s)，控制回路觸發(fā)器至1，將該保護回路剔出，當軸承溫度正常后，可手動或自動復位觸發(fā)器，投入該保護。考慮輔機軸承故障時其溫度快速變化情況，此處溫度速率限制不應過小，防止保護拒動損壞設備。

圖1 軸承溫度保護跳閘的壞信號剔除邏輯回路Fig.1 The bad signal elimination logic of bearing temperature protection trip

2.2 輔機配套設施保護設計

原送風機、引風機、一次風機油站電機及空預器電機等設備皆采用總線控方式，且在設計過程中將同一風機2臺油泵電機指令反饋設計在同一網段中。雖然《防止電力生產事故的二十五項重點要求》未對總線設備做具體要求，但是此種設計方式存在明顯的安全隱患，當此網段出現(xiàn)通訊故障或是通訊中斷時，會造成DCS誤判油泵全停，導致輔機跳閘事故。在調試過程中，提出將冗余設備分散配置的方法，即將冗余的2臺油泵或電機布置在不同的2條網段中，還提出雙冗余指令保護方法，采用硬接線與總線雙冗余指令，在任一指令失效的情況下，另一路指令可有效工作，防止設備聯(lián)啟失敗導致輔機跳閘，如圖2所示。

圖2 一次風機潤滑油泵A手操站配置Fig.2 Fan lubricating oil pump A manual operation station configuration

2.3 單輔機保護邏輯優(yōu)化

案例1：MFT跳一次風機邏輯中，采用一路硬接線和一路通訊點相“或”的判斷方式，在DO通道、DI通道故障或者控制器通訊故障時都可能造成一次風機誤動跳閘。

修改方案：從MFT控制器DO卡件和跳閘繼電器出口各送出一路硬接線至一次風機，在一次風機控制器內2個硬接線信號與通訊點信號進行“3取2”判斷后作為風機的跳閘條件，修改前后組態(tài)如圖3。

圖3 鍋爐MFT動作跳閘一次風機邏輯Fig.3 Boiler trip triggers fan action logic

案例2：上汽汽輪機組在振動保護邏輯配置中，采用定值判斷加測點質量判斷的方式。即任一軸系的任一振動值超限觸發(fā)振動保護，或者同一軸瓦的X、Y項振動測點同時壞質量，也觸發(fā)振動保護。這個方案沒有考慮該機組為單臺給水泵汽輪機且無電泵的配置情況，一旦振動保護誤動將會造成整臺機組停運。在調試過程中，出現(xiàn)多次因接線和干擾原因導致振動保護動作，可見實際現(xiàn)場施工質量和設備可靠性是難以滿足上汽保護設計要求的，有必要對此保護增加防誤動措施[5]。

修改方案：刪除振動測點壞質量跳閘邏輯，振動測點斷線、虛接、探頭損壞及強電干擾等等因素都有可能導致測點壞質量條件觸發(fā)。增強振動單點保護容錯性，將振動測點質量作為保護的佐證條件。以1號軸承為例，修改前后組態(tài)邏輯見圖4、圖5。

圖4 METS中軸承振動高跳機保護邏輯Fig.4 Bearing vibration high trip protection logic

圖5 修改后METS軸承振動高保護邏輯Fig.5 The modified bearing vibration high trip protection logic

案例3：空預器MFT邏輯設計為空預器主、輔電機均停，主、輔電機停運信號均為電氣開關單點。空預器運行時，主、輔電機互為備用，該保護實際為單點保護，如圖6所示。該保護設計具有迷惑性，因主、輔電機均有工頻、變頻兩種運行方式，如邏輯圖中在4個條件同時滿足時才觸發(fā)保護，實則有3個條件是常“1”狀態(tài)。

圖6 空預器停運邏輯Fig.6 Air preheater shutdown logic

修改方案：將空預器主、輔電機停運由單點判斷改為多點輔助判斷方式，增加電機電流、空預器轉子停轉報警作為輔助判斷信號，3個信號經“3取2”判斷空預器停轉，優(yōu)化后如圖7所示。空預器轉子停轉報警可以監(jiān)視空預器軸承狀態(tài)，防止斷軸或是電機齒輪未嚙合的情況下空預器停轉保護拒動。

圖7 優(yōu)化后空預器停運邏輯Fig.7 Optimized air preheater shutdown logic

2.4 跨區(qū)域保護配置問題

案例：再熱器保護MFT觸發(fā)條件為“左側主汽門全關且右側主汽門全關且旁路未開”，此種設計方法忽略了一側主汽門全關，另一側主汽門未關但調門全關的情況，這種情況下，再熱器已失去了蒸汽冷卻作用，但MFT保護不會觸發(fā)，將會導致嚴重的設備損壞事故(汽輪機主汽門關閉跳發(fā)電機邏輯也存在同樣問題)。再熱器保護邏輯修改前后組態(tài)如圖8所示。

圖8 再熱器保護邏輯圖Fig.8 Reheater protection logic diagram

修改方案：再熱器保護應判斷再熱蒸汽回路是否隔絕，主要是高、中壓主汽門及調門，高、中壓旁路門的開關狀態(tài)。在邏輯判斷高(中)壓蒸汽斷流時可用“左側主汽門全關且右側調門全關”或“左側調門全關且右側主汽門全關”的方式，可以避免上述邏輯漏洞。

3 結 語

鍋爐單列配置的機組在工程造價、設備維護、降低廠用電率等方面的優(yōu)勢，使其應用得到極大推廣。該文提出并實施了單列配置的超超臨界機組控制優(yōu)化方案,采用保護壞質量剔除、雙指令冗余等技術，大幅提升了主、輔機保護可靠性。此次保護優(yōu)化的實踐，對后續(xù)新建660 WM超超臨界單列輔機布置機組調試及運行具有指導意義。