600MW 機組熱控聯鎖保護優化

郭佳玉

（國電電力大連莊河發電有限責任公司，遼寧 大連 116400）

經過多年電廠運行事故分析及統計總結，熱控檢測元器件的測量原理、安裝方式、選型及質量等多方面因素，直接影響著熱控保護系統的可靠性。而熱控保護系統是電廠機組安全運行的保障。為解決熱控保護系統出現的誤動與拒動問題，以防止電廠熱控保護系統失靈、保證機組安全運行為目的，深層次研究熱工保護誤、拒動情況的形成原因，發揮出熱控保護系統的優越性，采取熱控連鎖保護優化，解決電廠熱控保護誤動與拒動問題，如MFT（主燃料跳閘）及系統對電源優化，爐膛壓力對取樣裝置優化防止拒動，PCV（壓力控制閥門）閥保護對取樣裝置改造使保護動作更加準確，汽輪機TSI 振動對單點保護優化防止誤動，汽輪機低壓缸脹差增加測點以優化保護，汽輪機瓦溫對單點保護進行優化防止誤動，潤滑油泵增加就地聯鎖控制回路，防止DCS（分散控制系統）故障跳機油泵不聯鎖啟動引起事故，提升電廠機組運行的可靠性。

1 電廠熱控保護誤動及拒動原因分析

保護誤動是指電廠機組主輔設備正常運行過程中因系統自身故障引起非正常保護動作而造成的設備停運；保護拒動是指保護系統因電廠機組主輔設備故障，造成保護系統不動作。熱控保護誤動及拒動的原因主要有以下四類：

1.1 保護邏輯設計不合理

熱控保護系統是為電廠機組主輔設備安全運行服務的，其設計若沒有考慮到設備運行的實際需求，保護邏輯設計存在不合理之處，與電廠發電機組及相關設備的性能不匹配，導致電廠機組運行中因熱控保護系統自身故障而產生保護拒動問題。DCS 軟件與硬件是組成電廠熱控保護系統的重要部分，而熱工保護中一些過程控制站的邏輯排列的可靠性，對熱控保護系統作用的充分發揮、提升電廠機組主輔設備運行的安全性有利[1]。比如，在電廠運行過程中，爐膛壓力測點的準確性、可靠性關系重大。這對壓力取樣管的設計、安裝及測點布置提出很高的要求。根據國家能源集團二十五項反事故措施要求，爐膛壓力取樣測點必須三面取樣，且定期吹掃實驗。但電廠普遍存在安裝設計不合格、運行中爐膛壓力取樣管堵塞、負壓波動、偏差大等問題，極易引起MFT 保護的拒動和誤動；在DCS 控制系統運行過程中，DCS 軟件與硬件的故障以及保護邏輯的不合理設計，容易引起熱控保護系統的誤動。再比如因主機軸承溫度保護未按照要求進行三取二設計，造成單點保護誤動；TSI 振動大跳汽輪機保護，在柜內傳輸接線時，為單支線纜，造成保護的誤動，引起機組跳機；主機真空試驗、EH 油、潤滑油試驗輸出通道設置在一塊卡件中，卡件故障，導致試驗信號輸出，機組跳閘。

1.2 熱控元件故障

經過分析我廠近幾年熱控元件運行情況，熱控元件質量不過關與元件老化和冗余設置缺失等問題，是熱控保護系統較常出現的熱控元件故障，容易造成電廠機組主輔設備保護誤動與拒動，影響到電廠發電機組運行的可靠性。因熱控元件故障而引起的電廠熱控保護誤動與拒動，也是電廠機組主輔設備運行中較常遇到的問題。比如DCS 控制系統中控制器電源是否冗余布置、控制器是否冗余、控制系統排列是否合理，是否按照“橫向分開，縱向合成”的原則布置，其中一旦布置不合理，單一控制器、電源、卡件故障容易造成設備異常、保護失靈，甚至停機。同時DCS 軟硬件的質量、測量精度、響應速度對保護系統也至關重要，故障后極易引起監視失效、保護失靈、保護拒動、誤動等問題。

1.3 電纜接線故障

經過統計分析我廠近幾年熱控元件運行情況，電纜接線的可靠性程度關系到電廠熱控保護系統的可靠運行，也是造成熱控保護拒動、誤動的主要原因。接線柱進水、接線端子遇熱老化、接線柱生銹及電纜出現老化與絕緣破壞問題，容易造成電廠機組運行中電纜接線出現斷路與短路和虛接等問題，進而引起電廠熱控保護誤動與拒動。比如近一兩年出現的小汽機給水泵入口流量變送器電纜虛接，致使給水泵入口流量低保護動作。

1.4 熱控設備電源故障

電源系統是支撐機組主輔設備運行的基礎條件，而隨著熱工自動化程度的提升，對電廠熱控保護提出更高的要求。在電廠機組主輔設備運行過程中，熱控設備電源出現接插件接觸不良、電容老化等故障，是引起電廠熱控保護誤動及誤動的重要原因，進而增加電廠機組運行風險，設備運行故障的發生概率偏高[2]。

2 鍋爐側主保護優化

2.1 MFT 電源設置及優化

某電廠機組MFT 跳閘柜的雙路110V 直流供電電源由電氣提供，電源切換裝置采用雙向二極管，任意一路出現異常不應使MFT 跳閘柜跳閘繼電器誤動作。但是由于MFT 跳閘柜的雙路供電電源采用雙向二極管實現電源無擾切換，長時間的運行后，雙向二極管壽命有限，在上路電源出現故障時，不能及時切換MFT跳閘柜電源，有造成設備誤動及拒動的隱患。故提出取消雙向二極管設置，由兩路上級電源各帶一路110V直流供電給MFT 兩套跳閘繼電器，一路電源故障后，另外一路電源仍然有效，保證主保護系統保護動作正常。在DCS 系統中增加報警，保證在單路供電電源故障時提醒運行人員發現并通知檢修人員及時處理，保證MFT 保護正常投入以保證機組穩定運行。

2.2 爐膛壓力開關取樣改造

某電廠爐膛壓力取樣裝置安裝在爐膛頂部，A、B側各一組，開關12 個，變送器2 個。MFT 中有一項保護為爐膛壓力高/低跳閘，在基建期采用的是聯箱式取樣方式，及爐膛A、B 側各有八個防堵取樣器，并將其出口聯通到一起，保證在某個取樣裝置發生堵塞時能夠保證從其他取樣裝置得到爐膛實際壓力值。但是在實際的運行過程中，無法保證每個防堵取樣器不發生管路及裝置開裂現象。發生開裂后，會影響每個連接到聯箱上的壓力開關、變送器等壓力取樣裝置，造成變送器顯示為零，爐膛負壓無法監測，引風機無法做出及時有效的控制；開裂后，壓力開關無法測量實際爐膛負壓，及時爐膛負壓實際到達壓力開關動作值，壓力開關仍無法動作，不能保證爐膛保護的有效投入，MFT 不能及時動作，極有可能造成爐膛壓力過高或過低，導致爐膛變形。

對此做出優化，將壓力開關和變送器均勻分配至幾個取樣裝置，將危險點分散開來，防止出現集箱泄漏導致爐膛負壓無法監測，鍋爐爐膛壓力無法測量，爐膛保護不能正常投入。

2.3 PCV 閥聯鎖保護及優化

PCV 閥原有設計為在末級過熱器匯集集箱左右側各設置有三個壓力開關，壓力定值為27MPa，基于不同蒸汽參數，當管路內部壓力高于壓力開關高限設定值時，三個壓力開關有兩個動作即聯鎖保護動作，聯鎖打開PCV 閥，將管路壓力釋放，當壓力高信號消失后，延時10 秒鐘后聯鎖關閉PCV 閥。但是由于壓力開關的局限性，只能有高或不高兩種狀態，運行人員無法實施監控系統實際壓力大小，所以在停機檢修過程中將壓力開關改造為變送器，并且在邏輯中進行設定，仍保持27MPa 高限值。

3 汽機側主保護優化

3.1 TSI 系統保護

TSI 振動保護及優化。因煤價、人員、物資等各方面引起的發電成本的提高，促使電力生產企業必須在加強對因TSI 系統誤動引發機組跳閘事件的重視，發電企業都先后提出了對TSI 系統保護邏輯的改善方案，保證TSI 系統參數測量的準確，模擬量及開關量信號滿足主機系統可靠性要求。對于降低設備保護誤動率，各個電廠都有自己的思路，根據相鄰瓦、本瓦的X、Y 向的振動的關系，以及歷史曲線分析，對保護邏輯進行了優化，但也產生了一些問題。結合某電廠發生的實際案例和了解到的其他電廠一些案例的分析和研究，提出了一種優化的解決方案。

汽輪機振動保護是建立在監視汽輪機運行參數的基礎上，從設備保護的原理來保證及時保護回路觸發保護信號，一般使用單點測量信號且不加延遲時間，汽輪機本體任意一個傳感器探頭測量值到保護跳機值，振動連鎖保護動作，機組跳閘。TSI 系統探頭布置在汽輪機軸瓦處，汽輪機帶動發電機旋轉，就地的電磁環境非常復雜，而且整個回路包括振動探頭、振動前置器、回路等多個方面都有可能造成單點保護誤動。根據統計，絕大多數是外部因素引發下的誤動作引起。

對于以上單點保護誤動作的解決方法，從汽輪機的系統特性來說，一般汽輪機某個軸承振動變大時，其相鄰的瓦或本瓦的另一側振動值也會有相應的變動。現在較多的電廠根據這個觀點來確定保護邏輯的設置并進行具體實施。常見方法有：

同瓦互成90 度角度的一對相對振動探頭測量值分別達報警值和危急值相“與”后作為機組跳閘信號的條件；對于既要防止設備保護誤動，又要防止保護舉動，保證汽輪機在穩定運行工況，這是汽輪機振動保護邏輯優化的出發點，通過這些可知，必須在對汽輪機振動保護邏輯優化的時候也對組態進行正確設置，才能提高保護動作的正確性，減少誤動和拒動的概率。某電廠軸振保護優化前采用單點保護動作連鎖ETS保護，經過優化后同瓦任一相對振動報警值來和另一相應跳閘值來相“與”后作為TSI 振動大保護輸出并聯鎖ETS保護動作。

在進行改造后，TSI 系統振動保護可以有效地防止機組保護誤動。在一次設備清掃過程中，保潔人員誤使水流入TSI 系統振動探頭就地接線箱內，導致單支振動探頭顯示極值，單點達到跳機值，但由于保護已設計成兩路報警與跳閘值同時來即引起跳閘，有效避免了一次機組非停，可靠地保證了機組的有效運行。

3.2 低壓缸脹差保護及優化

某廠汽輪機設置有一套高壓缸脹差裝置及一套低壓缸脹差裝置，脹差保護為卡件判斷低壓缸或高壓缸任意一個達到危急即輸出至兩個繼電器動作，這兩個繼電器信號在邏輯中進行二取一判斷，任意一個繼電器在保護未切除時即引起保護動作。本廠曾經因為低壓缸脹差卡件內部故障，使低壓缸脹差危急值動作，造成保護誤動作，引起ETS 保護動作并導致機組跳閘。對此種情況，某廠做出優化，增加一套低壓缸脹差設備，并增加模擬量條件對保護進行整理，當有高壓缸脹差模擬量達到汽輪機高壓缸脹差危急值時，或低壓缸脹差任意一套模擬量達到危急值且另外一組低壓缸脹差模擬量達到報警值時，保護才會動作，保證汽輪機保護安全運行。

3.3 瓦溫單點保護及優化

某廠汽輪機每塊軸瓦設置兩個溫度元件，均為雙支端面熱電阻，每支使用其中一組，原保護為任意一路溫度瓦溫高即保護動作。為防止單點保護誤動，也采取類似于振動大保護跳機的保護配置，也就是用其中一支跳閘值“與”同一支端面熱電阻報警值作為保護聯鎖動作條件，提高了保護動作的可靠性。此外，溫度保護還設置有上升速率限制，6℃/秒，即瓦溫變化速率大于每秒6℃時，保護不會動作，這種設置的主要目的是防止溫度元件突然斷線導致溫度非正常的急劇上升導致保護誤動，有效地減少了機組保護誤動的概率。

3.4 潤滑油泵后備手操的設置

機組運行中重要輔機故障直接影響機組的設備運行安全，如交流潤清油系、直流潤滑油，雖然在DCS系統中已經采取了冗余措施，當出現潤滑油壓低時聯鎖啟動，但在DCS 系統出現硬件或軟件故障時聯鎖動作無法保證，并且運行人員從遠方也將無法進行設備啟停操作，直接結果就是造成汽輪機軸瓦磨損，損壞設備。故實現油泵啟停控制，最好同時設置給交直流潤滑油、頂軸油等重要輔助設備硬接線回路，其余改為DCS 系統遠方軟手操控制，輔機之間的聯鎖由DCS實現，從而保證事故工況下機組的安全。對此，某廠做出保護系統優化，原聯鎖保護系統由以下組成：潤滑油系統油壓設置有兩個壓力低保護開關，DCS 系統進行二選一保護邏輯判斷，在聯鎖投入的情況下，邏輯回路監視兩個壓力開關狀態，其中任意一個壓力低開關信號即聯鎖啟動備用潤滑油泵運行。在保留DCS聯鎖保護邏輯的基礎上，增加一路壓力開關信號，通過硬接線送至潤滑油泵，由繼電器通過硬回路判斷壓力開關硬接點信號，就地設置有本地聯鎖保護投入/退出切換開關，機組運行時，將就地聯鎖保護投入，保護投入后，當潤滑油壓力低壓力開關信號傳送至就地回路時，保護回路動作，就地與DCS 同時聯鎖保護動作，共同啟動備用潤滑油泵，保證潤滑油壓力正常穩定，維持汽輪機系統運行正常，防止磨軸等惡性事故的發生。

4 結語

本文以電廠熱控保護誤動及拒動問題為切入點，以防范系統與設備故障為目的，全面分析熱控保護誤動及拒動問題的產生原因，對熱控聯鎖保護工作的基本概念、常見故障及形成原因進行了介紹，針對某電廠鍋爐、汽機的保護配置情況進行梳理，并且根據某廠的實際情況對保護的硬件及軟件配置進行優化，從取樣方式、硬回路及邏輯設計使之能夠滿足機組安全穩定運行、出現異常工況時能夠使機組平穩過渡至穩態的要求。