燃煤發(fā)電機(jī)組自控系統(tǒng)優(yōu)化改造實(shí)踐

齊溫圣，王曉旭，楊進(jìn)可

(日照鋼鐵有限公司，山東日照 276800

引言

某鋼鐵公司300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組2臺(tái)套，擔(dān)負(fù)著全公司50%以上的用電負(fù)荷，以及市區(qū)冬季居民供暖民生工程，機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要，當(dāng)機(jī)組發(fā)生甩負(fù)荷及跳機(jī)等異常事故時(shí)，將直接打亂公司的生產(chǎn)節(jié)奏，甚至造成大面積停產(chǎn)或嚴(yán)重影響居民供熱。為提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，熱控人員從專(zhuān)業(yè)角度對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行提升優(yōu)化，并逐步實(shí)施，為公司穩(wěn)產(chǎn)提效和居民供熱奠定了基礎(chǔ)。

1 存在的問(wèn)題

機(jī)組投產(chǎn)初期，熱控設(shè)備故障頻發(fā)，例如保護(hù)測(cè)點(diǎn)異常造成機(jī)組停機(jī)、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門(mén)調(diào)節(jié)異常造成甩負(fù)荷，重要輔機(jī)聯(lián)鎖異常造成甩負(fù)荷等。主要問(wèn)題如圖1所示。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著機(jī)組運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，甚至對(duì)公司整個(gè)生產(chǎn)造成較大影響。鑒于此，以聯(lián)鎖保護(hù)可靠性和自動(dòng)投入穩(wěn)定性為切入點(diǎn)，從設(shè)備選型、硬件升級(jí)、邏輯優(yōu)化、干擾過(guò)濾等方面進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。系統(tǒng)的優(yōu)化改造涵蓋風(fēng)煙系統(tǒng)、DEH 控制系統(tǒng)、DCS 及ETS 系統(tǒng)等，以上所有的改造均圍繞聯(lián)鎖保護(hù)的可靠性，自動(dòng)控制的穩(wěn)定性為中心展開(kāi)，以降低設(shè)備故障率，提升自動(dòng)化水平，減少現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量、提升生產(chǎn)效益為出發(fā)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)可靠，自動(dòng)投入穩(wěn)定，生產(chǎn)效益提升的目標(biāo)。

圖1 自動(dòng)提升優(yōu)化問(wèn)題思維導(dǎo)圖

2 自動(dòng)化控制優(yōu)化思路與實(shí)施方法

2.1 發(fā)電機(jī)組主保護(hù)優(yōu)化

根據(jù)以往機(jī)組事故原因分析，發(fā)電機(jī)組主保護(hù)主要問(wèn)題為誤動(dòng)，原聯(lián)鎖設(shè)計(jì)的原則是寧可誤動(dòng)，不可拒動(dòng)，但這個(gè)原則與公司的生產(chǎn)節(jié)奏不匹配。因此，主機(jī)的保護(hù)優(yōu)化為本著避免拒動(dòng)，降低誤動(dòng)的原則，依靠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)流程及熱控控制原理，借鑒其他電廠同型號(hào)機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，從熱控專(zhuān)業(yè)的角度，對(duì)現(xiàn)有保護(hù)進(jìn)行梳理優(yōu)化。

2.1.1 主油箱油位保護(hù)優(yōu)化

汽輪機(jī)主油箱油位保護(hù)采用3取2聯(lián)鎖，但3個(gè)信號(hào)均取自同一測(cè)量筒（圖2a所示），如測(cè)量筒出現(xiàn)故障，3 個(gè)信號(hào)將同時(shí)動(dòng)作，造成機(jī)組跳閘，可靠性較低，根據(jù)聯(lián)鎖保護(hù)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，將3個(gè)測(cè)量信號(hào)分散到3個(gè)測(cè)量筒（圖2b所示）。

圖2 主油箱油位信號(hào)聯(lián)鎖改造

2.1.2 汽輪機(jī)排汽溫度保護(hù)優(yōu)化

汽輪機(jī)排汽溫度保護(hù)全部為單點(diǎn)聯(lián)鎖，可靠性差，誤動(dòng)幾率較高，根據(jù)聯(lián)鎖保護(hù)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，采用多選邏輯。

原邏輯：任一高壓缸排汽溫度≥427 ℃或任一低壓缸排汽溫度≥110 ℃，保護(hù)動(dòng)作跳閘。

現(xiàn)邏輯：四個(gè)低壓缸排汽溫度任意兩個(gè)≥110 ℃或兩個(gè)高壓缸排汽溫度同時(shí)≥427 ℃，保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2.1.3 汽輪機(jī)軸瓦溫度保護(hù)優(yōu)化

汽輪機(jī)軸瓦溫度保護(hù)全部為單點(diǎn)聯(lián)鎖，可靠性差，誤動(dòng)幾率較高，根據(jù)聯(lián)鎖保護(hù)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，采用多選邏輯。

原邏輯：任一軸瓦溫度≥110 ℃,保護(hù)動(dòng)作跳閘。

現(xiàn)邏輯:相應(yīng)軸瓦溫度任意兩個(gè)≥110 ℃，保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2.2 重要輔機(jī)聯(lián)鎖邏輯優(yōu)化

2.2.1 一次風(fēng)機(jī)變頻器邏輯優(yōu)化

一次風(fēng)機(jī)為鍋爐燃燒的重要設(shè)備，該設(shè)備故障會(huì)造成鍋爐減負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍋爐跳閘。原一次風(fēng)機(jī)變頻器邏輯為變頻器重故障報(bào)警時(shí)，變頻器延時(shí)5s 跳閘，但DCS 控制邏輯為接收到重故障信號(hào)后立即將頻率指令置零，即變頻器重故障報(bào)警可能為誤報(bào)警，在5s 內(nèi)報(bào)警信號(hào)恢復(fù)，變頻器不跳閘。這種情況下會(huì)造成變頻器實(shí)際未跳閘，但風(fēng)機(jī)指令已置零，造成機(jī)組甩負(fù)荷，甚至操作不當(dāng)造成停爐，這種誤報(bào)警情況出現(xiàn)過(guò)多次。針對(duì)誤動(dòng)，經(jīng)過(guò)各專(zhuān)業(yè)評(píng)估論證，通過(guò)修改DCS 邏輯為重故障報(bào)警后延時(shí)6s將頻率置零的方案，成功避過(guò)誤動(dòng)周期。

原邏輯：變頻器重故障報(bào)警后頻率指令直接置零。

現(xiàn)邏輯：變頻器重故障報(bào)警后延時(shí)6S頻率指令置零。

2.2.2 火檢冷卻風(fēng)機(jī)邏輯優(yōu)化

火檢冷卻風(fēng)機(jī)為鍋爐運(yùn)行的重要設(shè)備，設(shè)計(jì)一用一備，當(dāng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)均跳閘（或運(yùn)行信號(hào)消失）后，鍋爐MFT 動(dòng)作跳閘。備用火檢冷卻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有風(fēng)壓聯(lián)鎖，當(dāng)冷卻風(fēng)母管壓力≤5kPa,聯(lián)鎖啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)。該聯(lián)鎖是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓力開(kāi)關(guān)控制就地啟動(dòng)回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而風(fēng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)無(wú)聯(lián)鎖啟動(dòng)關(guān)系，當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)消失，但實(shí)際風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下，DCS仍會(huì)判斷風(fēng)機(jī)全停，MFT動(dòng)作停爐。從實(shí)際運(yùn)行看，這個(gè)問(wèn)題是可以避免的。

原邏輯：備用火檢冷卻風(fēng)機(jī)緊有母管風(fēng)壓聯(lián)鎖，壓力≤5kPa,聯(lián)鎖啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，且是通過(guò)就地電氣回路實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)邏輯：如圖3所示，①在DCS增加一路母管壓力測(cè)點(diǎn)（壓力變送器檢測(cè)），并增加壓力≤5kPa 聯(lián)鎖啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)邏輯；②在DCS 增加主風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)消失聯(lián)鎖啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)邏輯。

圖3 修改后邏輯

2.3 汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)門(mén)控制冗余優(yōu)化

汽輪機(jī)大小機(jī)主蒸汽調(diào)門(mén)控制是DEH 控制系統(tǒng)的核心，而大小機(jī)主蒸汽調(diào)門(mén)位移反饋裝置LVDT 是指示閥門(mén)開(kāi)度的測(cè)量元件，LVDT 的作用是將油動(dòng)機(jī)活塞的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋到DEH 系統(tǒng)。反饋信號(hào)與DEH 系統(tǒng)送來(lái)的閥門(mén)開(kāi)度指令信號(hào)相比，通過(guò)偏差運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥控制油動(dòng)機(jī)和閥門(mén)開(kāi)關(guān)。

300 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組大小機(jī)主蒸汽調(diào)門(mén)LVDT 安裝在汽輪機(jī)6.3 m 蒸汽管道夾層及小機(jī)車(chē)衣內(nèi)，工作溫度較高，甚至存在高溫高壓蒸汽跑漏現(xiàn)象，環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、油動(dòng)機(jī)頻繁動(dòng)作等極易導(dǎo)致LVDT 接線松動(dòng)、感應(yīng)鐵芯與線圈不同心、線圈損壞、或者安裝支架松脫等情況出現(xiàn)，這些問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致LVDT 測(cè)量信號(hào)失常，進(jìn)而導(dǎo)致DEH 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、閥門(mén)失控，甚至可能導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)、超速等事故。原設(shè)計(jì)為單路LVDT，在運(yùn)行中發(fā)生過(guò)幾次LVDT 鐵芯脫落、鐵芯斷裂的事故，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行造成較大影響。本次改造，重點(diǎn)以提升硬件可靠性為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)汽輪機(jī)大小機(jī)主蒸汽調(diào)門(mén)控制系統(tǒng)進(jìn)行冗余改造，增加相應(yīng)硬件，并修改邏輯組態(tài)。具體實(shí)施如下。

(1)安裝LVDT 反饋裝置。在高中壓調(diào)門(mén)油動(dòng)機(jī)上，原反饋裝置安裝處，并行安裝固定支架，并安裝冗余LVDT。為避免LVDT 的激勵(lì)頻率互相干擾，新增加的LVDT 必須與原LVDT 型號(hào)相同。

(2)敷設(shè)電纜。新增冗余LVDT 敷設(shè)屏蔽信號(hào)電纜（10×1.5 mm2）2 000 m，走線過(guò)程注意遠(yuǎn)離高溫部位。接線過(guò)程做好屏蔽接地。

(3)安裝冗余伺服卡件。在DEH 機(jī)柜安裝冗余伺服卡件及冗余通訊電纜，修改硬件配置及邏輯組態(tài)。

(4)系統(tǒng)調(diào)試。硬件安裝工作全部完成，送電送油調(diào)試，每個(gè)調(diào)門(mén)進(jìn)行開(kāi)度特性試驗(yàn)，及相關(guān)冗余試驗(yàn)（包含伺服卡件冗余、LVDT 冗余、通訊電纜冗余等）。

2.4 鍋爐二次風(fēng)量測(cè)量裝置選型優(yōu)化

鍋爐二次風(fēng)量是鍋爐燃燒控制的主要參數(shù)，參與的保護(hù)和自動(dòng)：總風(fēng)量低于 30% 觸發(fā)鍋爐MFT；二次風(fēng)量參與送風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。300 MW燃煤發(fā)電鍋爐二次風(fēng)量取壓裝置原設(shè)計(jì)為迪爾巴，極易堵塞，造成測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定，導(dǎo)致鍋爐燃燒自動(dòng)無(wú)法投入，而且總風(fēng)量因?yàn)槎物L(fēng)量突變而發(fā)生改變，MFT保護(hù)一直無(wú)法投入。

造成測(cè)量不準(zhǔn)的主要原因是二次風(fēng)中夾帶較多灰粉，造成測(cè)量元件取壓孔堵塞，這種堵塞發(fā)生在測(cè)風(fēng)元件內(nèi)部，只能用壓縮空氣定時(shí)吹掃的辦法加以解決，且無(wú)法根治，無(wú)形中又增加了維護(hù)人員的工作量，幾乎每周都要吹掃一次。

通過(guò)對(duì)其他電廠的調(diào)研并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定了改造方案，即選用一種自防堵型風(fēng)量測(cè)量裝置（矩陣式多點(diǎn)），利用大修機(jī)會(huì)對(duì)鍋爐二次風(fēng)測(cè)量裝置進(jìn)行改造。該裝置具備自清灰和防堵塞功能，無(wú)需增加反吹掃裝置，便能夠確保長(zhǎng)期防堵，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，大大提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

該測(cè)量裝置在垂直段內(nèi)懸掛了清灰棒，棒在管內(nèi)氣流的沖擊下作無(wú)規(guī)則擺動(dòng)，起到自清灰作用。其次，設(shè)計(jì)時(shí)與垂直管段連接了一根斜管，斜管與垂直管內(nèi)間有節(jié)流孔，引壓管是從斜管中部引出，斜管起到二次沉灰作用，見(jiàn)圖4。

圖4 防堵型多點(diǎn)矩陣測(cè)量裝置

2.5 發(fā)電機(jī)線圈溫度信號(hào)干擾改造

發(fā)電機(jī)組線圈溫度是監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，如果發(fā)電機(jī)線圈溫度升高，當(dāng)溫度升到一定程度，會(huì)導(dǎo)致線圈的絕緣下降，降低發(fā)電機(jī)的使用壽命，甚至造成發(fā)電機(jī)燒毀的惡性事故。300 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)線圈設(shè)計(jì)時(shí)采用溫度智能前端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)RS485 通訊與DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因溫度傳感器安裝在發(fā)電機(jī)線圈內(nèi)部，傳輸線路極易產(chǎn)生干擾電壓（幾負(fù)、幾十負(fù)甚至上百負(fù)不等），造成智能前端故障無(wú)法正常工作，給運(yùn)行人員的監(jiān)視造成極大困擾。

為降低干擾電壓對(duì)測(cè)量的影響，在信號(hào)傳輸過(guò)程中增加溫度信號(hào)隔離柵，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)取消智能前端，信號(hào)隔離柵變送后的信號(hào)直接接入DCS卡件，如圖5。

圖5 增加信號(hào)隔離柵

3 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)及設(shè)備實(shí)際情況，重點(diǎn)從熱控專(zhuān)業(yè)角度，結(jié)合以往發(fā)生的事故，分別從保護(hù)、邏輯、硬件冗余、設(shè)備選型、干擾隔離等方面對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化。通過(guò)本次優(yōu)化，極大提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，優(yōu)化效果較明顯。