火電廠給煤機(jī)控制系統(tǒng)電源隱患分析及改進(jìn)措施

韓 峰，戴敏敏

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；2.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引言

目前大型火力發(fā)電廠給煤機(jī)的控制系統(tǒng)多是由控制器、變頻器、稱重傳感器、就地硬回路等組成，給煤機(jī)控制系統(tǒng)電源主要給控制器、稱重傳感器、硬回路等部分供電，變頻器等由動(dòng)力電源供給。

近年來(lái)，部分機(jī)組為了防止電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越，給煤機(jī)配置了防低電壓穿越裝置或通過(guò)優(yōu)化控制邏輯等方式［1-3］，給煤機(jī)動(dòng)力電源在防低電壓穿越上得到了解決。在很多防低電壓穿越改造中未重視控制電源在低電壓擾動(dòng)時(shí)的影響，部分機(jī)組將控制電源簡(jiǎn)單改為大型UPS 供電或者單臺(tái)給煤機(jī)獨(dú)立配置小型UPS 供電［4］，未考慮UPS 電源老化、設(shè)備共用等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)及維護(hù)上仍存在很大隱患或缺陷，多次出現(xiàn)因控制電源異常導(dǎo)致多臺(tái)給煤機(jī)停運(yùn)的事故。如何提高火電機(jī)組給煤機(jī)控制系統(tǒng)電源的可靠性有待進(jìn)一步研究。

1 給煤機(jī)電源故障案例及原因分析

某電廠1 號(hào)機(jī)組給煤機(jī)為上海新拓SPERI 電子稱重式給煤機(jī)，6臺(tái)給煤機(jī)動(dòng)力電源配置有防低電壓穿越裝置，給煤機(jī)控制系統(tǒng)電源采用兩路UPS 電源經(jīng)雙電源切換裝置（GE Entell?Switch250）后為6臺(tái)給煤機(jī)控制回路同時(shí)供電，如圖1所示。

2019年12月11日05：40：00，2號(hào)機(jī)組負(fù)荷515 MW，磨煤機(jī)A、B、C、D、E 運(yùn)行，總?cè)剂狭?58 t/h，送、引、一次風(fēng)機(jī)均雙列運(yùn)行。05：44：18，A、B、C、D、E 給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)同時(shí)消失，鍋爐主燃料跳閘保護(hù)動(dòng)作（以下簡(jiǎn)稱MFT），首出為“失去全部燃料”，機(jī)組跳閘。

事后檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)UPSA段饋線柜斷路器ZK5故障脫扣，導(dǎo)致2號(hào)機(jī)組熱控UPS電源柜雙電源切換裝置啟動(dòng)，切換過(guò)程中給煤機(jī)控制回路電源瞬時(shí)失電，在電源由UPSA切至UPSB過(guò)程中，5臺(tái)運(yùn)行給煤機(jī)控制器及就地控制回路電源瞬間失去，5臺(tái)給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)同時(shí)消失，鍋爐“失去全部燃料”MFT保護(hù)動(dòng)作。

圖1 給煤機(jī)控制電源分配

斷路器ZK5 型號(hào)為施耐德C120H C125，將故障斷路器拆除后對(duì)此斷路器進(jìn)行分合試驗(yàn)，無(wú)法再次合上，判斷斷路器內(nèi)部損壞。給煤機(jī)控制回路電源由UPSA 切換至UPSB。按照電源切換要求，一路電源異常時(shí)切換至備用電源應(yīng)能夠避免就地設(shè)備異常，對(duì)切換裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，熱控UPS電源柜雙電源切換裝置切換時(shí)間約為70 ms，切換過(guò)程中電壓最低跌落至1.2 V。

圖2 雙電源切換時(shí)間及壓降測(cè)試結(jié)果

從切換過(guò)程來(lái)看，切換時(shí)間70 ms一般對(duì)一些控制設(shè)備應(yīng)無(wú)明顯影響，但是在給煤機(jī)控制回路中存在就地繼電器回路，如圖3 給煤機(jī)控制回路原理圖所示，DCS 遠(yuǎn)程遙控啟動(dòng)指令存在由繼電器組成的自保持回路，DCS 遠(yuǎn)程給煤機(jī)啟動(dòng)指令為脈沖信號(hào)，給煤機(jī)運(yùn)行中啟動(dòng)指令是靠就地繼電器回路實(shí)現(xiàn)保持的，當(dāng)電源發(fā)生切換時(shí)，存在70 ms失電時(shí)間，而回路中繼電器動(dòng)作、復(fù)位時(shí)間在20 ms 左右，這時(shí)啟動(dòng)指令繼電器的短時(shí)失電促使保持指令的觸點(diǎn)FS 斷開(kāi)，在電源切換恢復(fù)后啟動(dòng)指令已失去，導(dǎo)致給煤機(jī)停運(yùn)，同時(shí)給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)失去。

“失去全部燃料”MFT 邏輯判斷為：任一油層投運(yùn)或者磨煤機(jī)運(yùn)行記憶、鍋爐失去所有油燃料及鍋爐失去所有煤燃料條件同時(shí)滿足。失去所有煤燃料條件為6 套制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)停運(yùn)或給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)消失，當(dāng)時(shí)控制電源切換過(guò)程中，運(yùn)行的5 臺(tái)給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)同時(shí)失去，由于邏輯判斷條件中無(wú)延時(shí)，導(dǎo)致全燃料喪失保護(hù)動(dòng)作。

圖3 給煤機(jī)控制回路

2 改進(jìn)措施

2.1 常見(jiàn)控制電源配置方式及隱患分析與改進(jìn)

改進(jìn)措施之一是取消切換裝置。案例中將給煤機(jī)控制電源采用UPSA、UPSB 經(jīng)切換裝置后供電的方式，雖然可通過(guò)UPS 電源避免了低電壓穿越的影響，并且采用雙路UPS 電源切換，看似非常可靠，但是應(yīng)注意到切換裝置不是不間斷切換裝置，切換過(guò)程存在電源暫降，而UPS 本身已是不間斷切換電源，其完全可以作為給煤機(jī)的控制電源；增加切換裝置反而增加中間環(huán)節(jié)，如案例所示中間共用環(huán)節(jié)（空氣開(kāi)關(guān)）的故障導(dǎo)致電源切換反而擴(kuò)大了故障隱患，所以應(yīng)取消切換裝置。

某集團(tuán)大型火力發(fā)電廠控制電源配置方法統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 給煤機(jī)控制電源配置方法統(tǒng)計(jì)

對(duì)比以上幾種電源配置方法，UPS 作為不間斷電源，它的多種內(nèi)部電源的切換更為可靠，顯然它比MCC 等動(dòng)力電源要更為可靠，大型UPS 要比小型UPS、蓄電池等更為可靠。在考慮UPS可能發(fā)生老化異常等情況時(shí)，可考慮多種電源混合配置方式，如圖4 所示，每種電源故障時(shí)只影響1～2 臺(tái)給煤機(jī)，使故障風(fēng)險(xiǎn)更加分散。但是這種配置方式仍要結(jié)合給煤機(jī)投運(yùn)方式考慮，尤其要考慮機(jī)組處于深度調(diào)峰或低負(fù)荷情況下的給煤機(jī)投運(yùn)方式，這時(shí)保持正常運(yùn)行的給煤機(jī)只有2～3 臺(tái)，如果電源分配不合理，處于運(yùn)行的多臺(tái)給煤機(jī)有2 臺(tái)位于同一電源母線上，這一電源母線的異常勢(shì)必引起機(jī)組異常跳機(jī)。采用每臺(tái)給煤機(jī)配備小型UPS 方式的機(jī)組，由于小型UPS 質(zhì)量不可靠，小型UPS 往往一兩年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)故障，因此要采取定期更換方式以避免控制電源異常帶來(lái)隱患，如果能夠保證檢修質(zhì)量、定期維護(hù)，從分散配置的角度來(lái)看采用小型UPS 配置還是非常可靠的一種配置方式。

圖4 給煤機(jī)控制電源分散配置

綜上所述，改進(jìn)措施之二是給煤機(jī)控制電源應(yīng)采用多種電源混合分散配置方式。具有深度調(diào)峰功能的機(jī)組，通常處于較低負(fù)荷投運(yùn)的給煤機(jī)應(yīng)配置低電壓穿越裝置，同時(shí)控制電源應(yīng)盡可能采用低電壓穿越裝置電源或大型UPS電源方式，其他給煤機(jī)應(yīng)盡可能分散配置，采用小型UPS獨(dú)立配置時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行更換。

2.2 控制回路的改進(jìn)

在采用控制電源分散配置情況下，勢(shì)必有部分電源采用MCC等動(dòng)力電源共用方式，并且這種方式多存在電源切換情況，可利用給煤機(jī)短時(shí)停運(yùn)對(duì)電廠系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)影響［5-6］，通過(guò)優(yōu)化控制回路短時(shí)躲避電源切換，使給煤機(jī)運(yùn)行更為可靠。如兩路動(dòng)力電源經(jīng)切換后再經(jīng)隔離變壓器轉(zhuǎn)換為AC 110 V或AC 220 V電源直接供給就地控制回路，只要考慮如何躲過(guò)短時(shí)切換對(duì)給煤機(jī)系統(tǒng)的影響，短時(shí)切換后可重新自啟動(dòng)給煤機(jī)。對(duì)于給煤機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)。

第一種改進(jìn)方法為DCS系統(tǒng)發(fā)長(zhǎng)指令啟動(dòng)給煤機(jī)［1，7］，保證短時(shí)間停電或切換后啟動(dòng)指令仍存在，這種情況容易發(fā)生給煤機(jī)長(zhǎng)期異常停電后再上電給煤機(jī)自啟，應(yīng)設(shè)計(jì)給煤機(jī)故障停運(yùn)、給煤機(jī)電源失電延時(shí)一定時(shí)間等觸發(fā)DCS 發(fā)停運(yùn)指令，但增加停運(yùn)指令配置方式不利于現(xiàn)場(chǎng)故障的分析與查找，停運(yùn)指令會(huì)復(fù)位很多故障信息。有部分電廠實(shí)際采用了此種處理方式。

第二種改進(jìn)方法為優(yōu)化就地控制回路，使繼電器回路失電情況下繼續(xù)保持啟動(dòng)指令一小段時(shí)間。如圖5所示，增加一個(gè)時(shí)間繼電器KT，時(shí)間繼電器設(shè)置為具有斷電延時(shí)功能，回路斷電短時(shí)間內(nèi)KT 常開(kāi)觸點(diǎn)仍保持閉合，在這一段時(shí)間內(nèi)如果電源恢復(fù)，仍會(huì)使啟動(dòng)指令繼電器FS 帶電，有效保持了就地啟動(dòng)指令。這種配置方式可避免電源電壓短時(shí)間波動(dòng)對(duì)指令回路的影響，同時(shí)也能克服短時(shí)間內(nèi)的低電壓穿越作用。其他文章也提到過(guò)將繼電器FS 直接更換為時(shí)間繼電器的改造方式［7］，容易因時(shí)間繼電器故障導(dǎo)致給煤機(jī)停運(yùn)，而增加時(shí)間繼電器與普通繼電器并列，主要是為了提高回路的可靠性，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電磁回路中繼電器FS 與所加的延時(shí)繼電器KT 線圈并列時(shí)，在停指令發(fā)出繼電器失電后，兩線圈之間會(huì)產(chǎn)生反電勢(shì)，導(dǎo)致給煤機(jī)正常停運(yùn)后出現(xiàn)自啟動(dòng)情況，所以在時(shí)間繼電器前增加了一副繼電器FS 的觸點(diǎn)，使給煤機(jī)接收到停止指令后兩繼電器線圈之間無(wú)法形成回路。經(jīng)鳳臺(tái)電廠驗(yàn)證，此回路能夠正常運(yùn)行，且可躲避短時(shí)失電情況。

圖5 給煤機(jī)控制回路改進(jìn)

第三種改進(jìn)方法，為修改控制回路。部分類型給煤機(jī)控制器就地?cái)嚯娭匦律想姾螅o煤機(jī)控制器會(huì)切至就地控制狀態(tài)，這樣重新啟動(dòng)也無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，需運(yùn)行人員至就地切至遠(yuǎn)方控制。這種控制器應(yīng)考慮修改就地控制回路，一種方法是將遠(yuǎn)方啟動(dòng)指令設(shè)為優(yōu)先狀態(tài)即遠(yuǎn)方啟動(dòng)指令與切換遠(yuǎn)方控制采用同一信號(hào)，這種方法在檢修期間容易造成危險(xiǎn)，不建議采用；另一種方法是將控制遠(yuǎn)方就地切換按鈕改為就地旋鈕形式，控制器掉電上電過(guò)程，切換旋鈕位置不變重新上電即可投入遠(yuǎn)方控制。

2.3 給煤機(jī)變頻器控制方式的改進(jìn)

在動(dòng)力電源存在切換配置方式時(shí)注意防止動(dòng)力電源切換對(duì)變頻器的影響，在動(dòng)力電源切換時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)變頻器低電壓等故障情況，如果采用邏輯發(fā)長(zhǎng)指令啟動(dòng)給煤機(jī)，這時(shí)的變頻器故障可能會(huì)觸發(fā)給煤機(jī)故障停運(yùn)指令，這種配置方式應(yīng)在給煤機(jī)變頻器上設(shè)置短時(shí)掉電自啟功能，在短時(shí)掉電自啟的時(shí)間內(nèi)變頻器會(huì)保持運(yùn)行信號(hào)狀態(tài)，使給煤機(jī)控制器不會(huì)發(fā)生誤判。

2.4 主燃料跳閘保護(hù)的邏輯優(yōu)化

主燃料跳閘MFT保護(hù)中全燃料喪失中有關(guān)給煤機(jī)停運(yùn)信號(hào)的判斷應(yīng)注意需增加一定的延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間應(yīng)略大于切換裝置切換的時(shí)間或低壓穿越可能產(chǎn)生影響的時(shí)間，防止給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)短時(shí)失去導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)異常動(dòng)作；由于就地給煤機(jī)設(shè)有短時(shí)自啟動(dòng)邏輯，在手動(dòng)MFT 時(shí)，如果MFT 硬邏輯中未設(shè)置手動(dòng)MFT 觸發(fā)軟邏輯時(shí)，應(yīng)注意手動(dòng)按下MFT 按鈕時(shí)間應(yīng)大于給煤機(jī)短時(shí)自啟動(dòng)時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

改造后，在給煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行期間采取模擬控制電源快速切換的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程給煤機(jī)運(yùn)行正常。火電廠給煤機(jī)控制電源應(yīng)采取電源分散、冗余配置、控制回路加裝延時(shí)繼電器回路、變頻器設(shè)置掉電自啟功能等多方面措施進(jìn)行優(yōu)化，才能有效避免系統(tǒng)電源波動(dòng)等的影響。