提高火電廠熱控系統可靠性技術研究

李 銳

（國能錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719319）

近年來，隨著國內經濟的發展，社會生產對電力需求越來越大。為了滿足日益增大的電力需求，火電廠不斷增加裝機容量，同時設備運行參數也不斷增加。在這樣的背景下，熱控系統成為了火電機組的重要組成部分。熱控系統可以在主、輔設備發生故障時，采取相應的保護措施，防止引發更大的故障或給機組人員的人身安全帶來傷害，對于提高機組安全運行具有重要的作用。由于火電廠的運行環境復雜，熱控系統在運行過程中，會受多種因素影響出現故障，從而出現保護誤動或拒動，導致機組設備停機或損壞。因此，提高火電廠熱控系統運行可靠性，減少非停次數，對于促進火電機組穩定運行具有重要的意義。

1 火電廠熱控系統的主要構成

當前火電廠的熱控系統主要是利用DCS 系統對汽輪機、各類儀表、鍋爐裝置，以及相關的介質管道等進行自動控制。DCS 系統根據機組實際運行要求，采用分級子系統的形式對火電廠的設備進行自動化控制，確保火電機組安全運行，其主要分為現場控制單元和操作站單元。在現場控制單元中，各個支路和總線的物理連接是通過插板箱來實現的，這樣也就實現了子系統和控制中心的信息通信。現場控制單元中的微機保護系統根據火電廠設備運行的實際需求，配置相應的CPU 插件、二次回路電源、I/0 輸入輸出接口插件、通信插件等。操作站單元主要用來提供人機交互操作接口和顯示子系統單元設備的運行狀況，并顯示其運行數據。設備運行參數的調整、設備工況報表的打印，以及異常工況的預警等都需要利用操作站來完成。

2 火電廠熱控系統主要故障

2.1 熱控元件故障

熱控元件故障除了元件本身的質量不達標外，外部環境干擾也有可能引發熱控元件故障，導致系統保護誤動，影響設備安全及機組運行。比如，在汽輪機組的控制單元中，為防止汽輪機超速運轉，通常用測量儀表來測量汽輪機的轉速及壓力數據，但如果儀表受到外界信號干擾的話，其感應示數的靈敏度就會受到影響，回傳的檢測信息就會失真，有可能導致汽輪機組出現拒動或誤動[1]。此外，熱控元件還可能由于安裝不當或者長期運行更換不及時出現老化情況，導致誤動或拒動。某火電廠機組在運行中出現軸承振動保護裝置動作，導致機組跳閘。經熱控人員檢查發現，由于一個高壓調門反饋裝置安裝不牢，使反饋出現失靈情況，導致該側的調門出現突然關閉。這樣的話，汽輪機兩側的配汽出現不均衡，導致保護誤動。

2.2 電源故障

隨著火電廠熱控系統的發展，其自動化程度也越來越高，同時系統對電源也提出了更高的要求。熱控系統電源故障主要是由于電源系統設計不當、機組超負荷運行以及UPS 容量不足等導致的，一旦出現電源故障，就有可能導致機組跳閘、設備拒動、執行機構全開或全關等，嚴重的話可能會導致主、輔設備損壞。某電廠1 號機組在運行中突然出現火檢柜失電報警故障，之后鍋爐MFT，機組的負荷開始由237MW 快速下降到40MW，主汽溫度降幅過大導致汽機跳閘。檢修人員對設備檢查后發現，機組火檢柜內的C 組煤火檢失電，電源開關處于跳閘位，進一步檢查發現是開關所帶的油火檢變壓器故障。此故障導致開關跳閘，致使機組停運。

2.3 外部環境導致的故障

由于火電廠運行環境復雜，在長期運行中，電纜會由于外部環境影響出現絕緣老化、破損、電纜盒進水等情況，導致電纜斷路或短路，出現信號干擾情況。比如，電纜槽盒進水會導致信號線短接，從而引起設備誤動。接線過程中的連接不牢靠、虛接等也會導致信號干擾、誤動等情況。火電廠的軸瓦溫度保護測點通常選用熱電阻，熱電阻虛接或螺栓松動會出現阻值增加的情況，系統的同步輸出也會增加，導致保護誤動[2]。在實際應用中，有的火電廠為了保護重要設備，采用反邏輯的拒動保護。比如，有的火電廠在汽輪機超速保護中，常用“1”作為系統正常的信號，“0”作為保護動作的信號，但如果接線出現松動情況會導致信號出現斷路，造成保護動作停機。

2.4 保護邏輯故障

保護邏輯是熱控系統正常運行的核心基礎，其設計合理與否對于系統的可靠性有重要的影響，邏輯設計不當或控制邏輯不完善時會增加系統的誤動或拒動率。在火電廠中，熱控保護聯鎖系統的觸發信號多采用單點測量，缺乏相應的邏輯容錯措施，而這些單點測量的設備元件易受外部環境（接線松動、開關接觸不良、電磁輻射等）影響，導致單點信號回路誤動。熱控單點信號保護回路誤動很多情況下是由于開關接觸不良、擋板卡澀等原因導致的。某火電廠3 號機組沖管初期，出現送風機C 跳閘故障，通過對報警記錄以及歷史曲線的檢查，發現風機軸承溫度有大幅度的跳變情況。檢修人員通過進一步檢查，發現故障的原因是就地接線盒處的電纜屏蔽層有毛刺，和金屬電纜套管接觸后導致出現兩點接地情況，從而引起跳閘。

3 提高火電廠熱控系統可靠性技術措施

3.1 優選硬件設備

隨著熱控技術的不斷成熟，其自動化程度越來越高，對硬件設備也提出了更高要求。一些火電廠重視重要設備的采購，而對一些相對不重要的設備不重視。實際上，在熱控系統設備中，尤其是一些現場設備元件，往往是看似不重要的元件最容易出問題，從而引發更大故障。近年來，熱控系統在火電廠的熱力系統中得到了廣泛應用，系統設備之間既相互聯系，又相互影響，系統中的某一個設備元件發生故障都有可能給機組的安全運行帶來威脅。因此，提高熱控系統的可靠性，需要確保硬件設備質量可靠，只有這樣才能滿足機組運行要求，降低系統的故障發生率。在設備元件的選擇上，要根據系統對不同設備的可靠性要求，設備元件的提供商售后服務質量等選擇相應的設備，一是確保系統穩定性，二是減少企業的成本投入[3]。購置資金充裕的話，要選用以往運行狀況良好的設備元件，提高熱控系統的穩定性。根據設備元件更換臺賬進行統計分析，對于一些在運行中損耗較大，易出故障的元件，要準備好備件。

3.2 加強軟件設計

在系統軟件設計方面，一是要提高軟件的自診斷能力，二是要采用冗余設計。當機組運行時，某一個控制柜發生故障時，系統能夠及時報警，并能采取相應的處理措施[4]。對于一些強制過的保護，要確保利用系統軟件能快速查找出來，防止人為疏忽而忘記恢復保護項目，造成設備元件存在安全隱患。火電廠要在電源、通信模件等方面采用冗余設計，尤其是電源系統要進行科學冗余設計。熱控系統需要有兩路獨立供電電源，如果一路是UPS，一路是保安電源供電，需要配置一臺穩壓器，正常運行采用UPS 供電。在控制裝置的電源配置方面，獨立子系統要配置兩路自動切換且不對系統產生干擾的電源。控制柜內的冗余電源要安裝監視系統，當一路電源出現故障切換到另一路時，熱控人員能及時發現故障電源，采取相應處理措施。重要的熱工信號也需要采取相應的冗余設計，以便對取樣點信號進行監控。重要測點的測量通道要分布在不同的卡件上，采用多點獨立方法取樣，提高取樣可靠性。總之，通過提升軟件自診斷能力，做好冗余設計，可以讓熱控人員快速發現并排除故障，確保機組安全運行。

3.3 改善運行環境

外部運行環境對設備元件的影響較大，相同的設備元件在不同環境條件下，可靠性也有較大差異。火電廠的運行環境復雜，溫濕度、灰塵、振動等都易導致設備元件發生故障。比如，電阻、電容的失效率和外界溫度密切相關。當外界溫度每升高10℃，電阻、電容的失效率就會增加一倍[5]。電子間的溫濕度把控要嚴格按照操作規程，溫度不高于30℃，過高的話會導致一些元件燒毀，夏季要采用風扇、空調降溫，濕度建議在45%左右，濕度過大可能會引起元件短路，而運行環境過于干燥的話會有靜電，元件有可能被擊穿。改善熱控設備的運行環境，就地設備的接線盒采取防潮、防腐蝕措施，同時要遠離熱源，取樣管和儀表柜要采取散熱、防凍措施。定期對就地設備進行清掃，減少灰塵，提高設備元件的使用壽命。

3.4 優化熱控邏輯

為了防止單個設備元件故障或者是控制邏輯設計不當導致的系統拒動或誤動，需要對運行機組進行容錯邏輯設計。針對實際運行過程中易出現故障的元件，采取相應的邏輯容錯設計，降低控制邏輯的誤動作[6]。具體的優化需要根據熱控信號取樣點進行反復論證，對控制系統的硬件、定值進行科學評估，重點對設備安全有較大影響的熱控保護邏輯進行優化。對于單點信號保護邏輯，如果條件允許的話，可以優化為三取二選擇邏輯，測點發生故障后要及時退出保護，防止設備誤動。如果單點信號狀態無法改變，在保證安全的基礎上，可將保護動作改為報警。某電廠送風機采用單點信號，可靠性差，在進行控制邏輯優化前，2016 年因測量信號不可靠造成機組跳閘兩次，影響機組安全運行。電廠根據實際運行情況，將送風機順序側控制邏輯改為三取二表決風機停狀態，優化后的控制邏輯如圖1所示。送風機控制邏輯優化后，從2017 年至2019 年，除一次因元件磨損出現的非停外，運行兩年時間內未發生因控制邏輯不當造成的非停情況。

圖1 某電廠送風機全停控制邏輯Fig.1 Control logic for full stop of the supply fan in a power plant

3.5 做好檢修維護

做好日常的檢修維護工作能及時消除設備元件的不安全狀態，做到防患于未然，讓設備元件處于良好的工作狀況，提高熱控系統的穩定性。停機檢修時，重點排查易發生故障部位，加強對一次元件的檢查，查看接線部位有無松動、虛接等情況，端子有無松動情況等。對于處于運行環境粉塵較多的設備元件進行清掃，并安裝隔塵罩。檢查熱電偶或熱電阻接線情況，有無松動或斷路。檢查軸承軸向振動值是不是在正常范圍內，軸承油封的密封情況是否良好。檢查電纜絕緣是不是良好，有無破損情況，插頭有無松動，重點檢查電纜接頭、公用線環路連接等情況。檢查電源是否良好，電壓穩定度、頻率穩定度是否達標，及時更換電源。定期對熱控測量儀表進行校驗，可利用在線狀態核對方式對儀表進行檢查，再對零點和運行點核對不達標的單體儀表進行校準。檢修完成后，在機組啟動前，要對熱控系統進行全面地檢查和試驗，確保各項指標能夠達到運行要求。

3.6 加強日常管理

做好熱控系統與設備的質量管理工作。對于新建的機組，要重點對熱控裝置的安裝、調試、邏輯控制等進行管理，降低因安裝不當、邏輯不當等造成的安全隱患。在機組運行過程中，要重點評估保護信號的取信方式、設備元件的運行狀態、檢修維護質量等，了解設備元件的變化趨勢，在掌握其微觀變化的基礎上，判斷其安全程度，采取必要的預防措施[7]，制定DCS 故障應急處理預案。目前，國內多數火電廠熱力系統均采用DCS 控制。由于DCS 生產廠家不同，產品的質量也有較大差別，加上運行環境的影響，DCS 故障仍時有發生，處理不當會引發更大事故。因此，火電廠應該根據自己的實際情況，制定DCS 故障應急預案，能夠對DCS 常見的故障處理進行指導。在編寫好預案的基礎上，組織相關人員進行演練，提高維護人員的故障處理能力。其次，做好技術培訓工作。熱控系統涉及到的知識廣，而且技術發展更新比較快，因此只有加強技術培訓才能提高熱控人員的專業技術能力。開展關于檢修維護規程、常見故障排除技術等方面的培訓，規范熱控人員的操作標準，提升其故障處理能力。

4 結束語

隨著國內科學技術的發展，熱控系統越來越趨于自動化、智能化，設備的可靠性越來越高，但由于火電廠環境復雜，設備不可避免發生故障。因此，需要從安裝、調試、運行維護、檢修等環節做好質量管理，杜絕人的不安全行為，消除設備的不安全狀態，減少機組非停次數，提高機組的運行可靠性、穩定性。