提高乐清发电厂热控系统可靠性的技术措施

李建国，陈统钱，丁俊宏，樊健刚，章卫军，叶国满，张鹏

(1.浙能乐清发电有限责任公司，浙江省乐清市 325609;2.浙江省电力试验研究院，杭州市 310014)

0 引言

随着发电机组容量和规模的成倍增长，分散控制系统的可靠性水平成为确保发电机组安全、稳定、高效运行和满足国家节能环保要求的关键。浙能乐清电厂2×600 MW超临界机组和2×660 MW超超临界机组的分散控制系统(distribute control system，DCS)采用Symphony控制系统，其数字式电气液压控制(digital electric hydraulic control，DEH)系统采用T3000控制系统。

机组投产后，由于设计、安装、调试和维修中存在不足，导致数起机组跳闸事件，影响了机组的安全稳定运行。本文参照《火电厂热控系统可靠性配置与事故预控》［1］要求，对引起故障的原因进行分析研究，提出故障预控措施。

1 热控系统故障原因分析

1.1 雷击与干扰故障分析

雷击与干扰，轻则引起信号畸变，使参数显示不准、误发报警信号、控制设备出现误扰动、自动投入品质变差，降低系统可靠性;重则导致设备不能正常运行，甚至损坏DCS部件或引起机组跳闸，影响机组安全经济运行。

(1)雷击损坏设备。机组投产后，曾发生2号机组烟气脱硫(flue gas desulphurization，FGD)旁路挡板和密封风挡板执行机构同时出现故障。2天后，1号机组FGD旁路挡板电动执行机构送电后也出现类似故障，8个变送器故障损坏。当时都是雷雨天气，经对现场损坏的设备解体检查，都发现了强电直接窜入造成设备内部控制电路板损坏的痕迹。进一步检查发现，损坏的设备基本在以烟囱为中心、半径为8 m的范围内。烟囱底部为岩石基础，雷击散流特性较差。烟囱虽然已设计安装了独立、集中防雷接地装置，但实际未能与电气主接地网真正独立，且引雷体与烟囱主筋相连，烟道和烟囱又相互连接，造成烟道变成引雷释放体，引发了热控设备遭雷击损坏。事后，在变送器上加装防雷装置，旁路挡板门执行机构增加位置反馈输出隔离器，类似损坏事件未再发生。

(2)干扰引起空气预热器油泵自启。由于热控系统设备工作在严重的电场和磁场干扰源环境中，控制回路自身、电磁耦合、静电感应、接地线电位波动等将对其产生干扰。机组投产以来，多次发生干扰引起测量信号和系统工作异常。2011年7月8日，发现2号机组炉侧100多点热电阻信号同时跳变，跳变信号分布在不同的分组控制单元柜(package control unit，PCU)及柜内不同的桥路控制处理器(harmony bridge controller，BRC)控制卡件，锅炉系统空气预热器支持油箱油温跳变，引起油泵自启。干扰产生的源头未能查明，但在信号输入端子处加装电容后，信号波动消除。

1.2 安装、检修、维护不当

根据热工自动化故障统计［2］，安装、检修、维护不当导致热工系统运行异常或故障的隐患包含:接线错误或松动、插头连接不良、防护措施不到位、设备安装位置不合理、电缆设备措施防护安装不当、电缆敷设未避开高温区或未使用高温电缆、管路安装不规范导致积水聚气等。乐清电厂投产后也发生多次类似隐患引起控制系统运行异常。

(1)电缆走向未避开高温区。2011年8月1日，4号机组跳闸，故障原因为4B中压主汽门阀位反馈信号电缆未按设计要求敷设耐高温电缆且敷设走向不合理，中主门阀体上部保温不严密，阀体辐射热量直接传递至电缆保护管，使其内的电缆被高温烫伤短路，造成4A、4B共用的电源开关跳开，4A、4B中压主汽门开启信号同时失去，导致保护动作跳机［3］。

(2)航空接头的接触不良信号显示异常。外循泵振动延伸电缆接头采用的是航空式接头，由于长期处于高振动的环境，接头时常发生松动或接触不良现象，导致循泵振动显示值变大或坏值。此外，1、2号机部分轴振是由于传感器末端LEMO接头与前置器上的插座也存在接触不良引起振动跳变情况。此问题的解决办法是对航空接头连接处进行包扎或用环氧树脂密封。

(3)防护措施不到位引起RB动作。2011年9月30日，4A空预器跳闸引起RB动作，机组负荷由510 MW下降至330 MW，一次调频及远控均退出，但4A一次风机未联跳。故障原因是安装与检修未做好防雨工作，雷雨天气使压力开关接线柱挂水短接，导致4A空预器因空预器齿轮油压力低保护动作而跳闸［4］。2010年10月6日，1、2号循泵分别跳闸，通过查历史记录，发现轴承温度信号上下晃动20℃左右。经查事件的原因是现场有人利用检修箱电源对电瓶车充电。

1.3 系统逻辑可靠性

设备导致机组跳闸事件，除了涉及设备质量、安装位置、运行环境等因素外，往往还与单点信号、冗余信号公用模件、控制逻辑不完善等有关［5］。

(1)单点信号。干扰、接线不规范、元件损坏等多种原因影响，带来单点信号作为保护条件的不可靠性。2011年4月11日，3B汽泵出口电动门开单点反馈信号跳变，导致汽泵运行状态丢失触发RB，引起机组负荷跳变(最低至350 MW)。对机组的单点保护信号、是否设置速率限制、延时时间定值等进行梳理统计，由机务和热力系统专业人员一起进行可靠性论证，影响机组设备安全运行的单点信号和逻辑通过机组检修期间增加测点的方式进行优化，无法增加测点的温度信号，增加温度变化率保护，设置为5℃/s。

(2)冗余信号公用模件。1～4号锅炉每台磨煤机设置1套一次风量测量装置，各自引入2只差压变送器，通过2块模拟量模件输入模拟量控制系统(modulating control system，MCS)中，磨煤机A/B/C通过输出模件1、磨煤机D/E/F通过输出模件2分别引至顺序控制系统(sequence control system，SCS)中。运行中若有1块模件损坏，将至少有3台磨煤机由于风量低而跳闸。为了避免此情况发生，将模拟量信号在MCS系统中直接转化为开关量信号再送入SCS系统中，以防止磨煤机跳闸。

(3)风机单侧运行控制逻辑不完善。2010年9月22日，机组减负荷至340 MW进行4A一次风机动叶消缺，当投入4B一次风机动叶自动时，4B一次风机动叶指令下滑，虽立即撤出自动，但动叶开度已降至50%以下，引起一次风压急跌而总燃料跳闸(master fuel trip，MFT)，首出为“炉膛压力低低”。故障原因是4A一次风机停运断电时，动叶在全开位置，4B一次风机投入自动时，因一次风机动叶偏置回路控制逻辑处理不当而使4B一次风机动叶快速关至50%以下。

2 可靠性综合治理与预控措施

2.1 防雷与抗干扰预控措施

(1)现场排查。对机组主厂房内外接地汇入点走向和具体位置、控制系统电源和信号电缆的接地、动力电缆与控制信号电缆的间距及走向、全厂电缆桥架和电缆槽的接地、全厂控制系统加装隔离器情况等进行全面排查。根据现场实际，进行防雷接地与抗干扰技术的专题研究，包括现场干扰信号的各种抑制方法与干扰信号类型的关系、屏蔽电缆单端接地与二端接地对热控系统抗干扰能力的影响、总屏加分屏电缆在提高抗干扰能力上的应用，屏蔽电缆接地新方法研究开发等。

(2)抑制干扰方法。对可能引入现场干扰的仪表(变送器、执行器等)加装的金属防护罩保证可靠接地;安装于烟囱附近的仪表及防护罩接地连接到脱硫系统，而不连接烟囱接地系统;共模转串模造成的干扰和电磁感应造成的串模干扰，采用信号回路间加滤波电容的方法抑制干扰;对于电磁干扰信号，在电缆控制系统侧加装合适的磁环;采用齐纳二极管和电容组合接入DCS卡件通道输入端，将一些输入信号的负端接地，也起到防雷保护作用。当可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)的输入端或输出端连接有感性负载时，直流感性元件2端并联续流二极管，交流感性元件2端并联阻容吸收电路(浪涌抑制器)，以抑制电路断开时电弧对PLC的干扰，减少因干扰原因引起系统误动和机组跳闸事件。

(3)研发光纤传感器与抵制干扰保护器。研发光纤温度、液位和振动等信号传感器，利用其很好的抗干扰性能和响应灵敏度高的特点，从根本上消除干扰影响的同时提高测量精度与可靠性。开发抵制干扰保护器和多功能抗干扰接线端子，用于现场设备的防雷击、电缆防电磁干扰、用电设备防谐波，提高控制系统输入信号的抵制干扰性能［6-7］。

2.2 TSI可靠性治理

(1)保护逻辑优化。对全厂辅机振动测量及主机、小机汽轮机监视仪表(turbine supervisory instruments，TSI)测量进行排查，发现机组的高、低差胀保护为单点跳机，低差测量有一接线松动，即可能误发低压缸差胀保护动作。对TSI逻辑优化，单点信号采取保护信号和报警信号相与逻辑。

(2)连接头可靠防护。TSI电缆铠装或金属管很容易与缸体等现场的导体接触，如果探头延伸电缆连接头的外壳与金属管接触，就可能发生前置器的COM端与现场导体短接，而前置器的COM端是与机柜内卡件的信号地连接，从而造成双端接地引入干扰信号。此外，探头延伸电缆通过连接头和航空接头连接处容易发生接触不良现象，在无法改变这种连接方式的情况下，可采用热塑管或环氧树脂密封方式，保证接头与金属管及电缆铠装完全绝缘，同时可减少接触不良现象的发生。

(3)完善回路。安装发电机侧轴振和瓦振时，其底座加绝缘垫固定。TSI安装前置放大器的接线盒均应配置金属接线盒(原配置塑料接线盒全部更换)。前置器输出信号电缆采用三芯屏蔽电缆，屏蔽层在汽机现场侧绝缘浮空，电缆屏蔽层直接延伸到机架的接线端子旁，屏蔽线直接接在机架的COM上，对采用四芯屏蔽电缆的多余芯线进行接地。TSI机柜内输出信号屏蔽应浮空，由DCS接收侧统一接地。机组检修中，断开前置器地(COM端)至卡件的接线，测量前置器地(COM端)与铠装电缆之间的电阻符合要求［8］。

2.3 逻辑可靠性优化

(1)单点信号优化。对机组的单点保护信号、速率限制设置、延时定值和运行中易出现故障的设备、部件和元件等进行梳理统计，与机务专业人员一起进行可靠性论证，机组检修期间采用容错逻辑进行优化，通过预先设置的逻辑容错措施来降低或避免控制逻辑的误动作。如在可以增加测点的前提下，将影响机组设备安全运行的单点信号改为“三取二”选择逻辑，或根据单点信号间的因果关系，加入证实信号，改为“二取二”逻辑;无法改变取信方式的单点信号，在保证安全性的前提下可改为报警。对进入保护联锁系统的温度模拟量信号设置5℃/s的速率保护限止，设置保护联锁信号坏值切除与报警逻辑，减少或消除因接线松动、干扰或元件故障引起信号突变导致系统故障。此外，报警后设置了闭锁功能的保护信号，在其恢复正常后的闭锁功能应设置为自动解除，并在大屏上设置信号牌，用于次重要类保护信号的共用报警。

(2)完善逻辑。结合机组运行过程中暴露出来的缺陷，对控制逻辑进行完善和优化，如一期和二期的保护逻辑因锅炉炉型和制造厂不同而有差别，为防止检修维护时疏忽带来隐患，对系统进行核查比对，列出不同点。4台机组的电源故障中断(power failure interrupt，PFI)保护的功能均采用电阻短接。为避免一次风机单侧检修未送电情况下一次风机动叶偏置回路控制逻辑设计缺陷，修改一次风机运行信号逻辑，当收到一次风机运行信号时，选择风机动叶指令进入动叶偏置计算回路，当一次风机运行信号为0时，选择0作为风机动叶指令进入动叶偏置计算回路。当一次风机未送电情况下，因风机运行信号为0，保证了回路的正常作用。

2.4 接线与管路可靠性预控

(1)隐患排查。为提高接线与管路连接的可靠性，检查进入保护的温度信号元件连接处弹簧片的完整性、接线的紧固性、冗余信号的全程冗余性、屏蔽电缆单点接地的可靠性、管路的坡度和伴热带的完好性、柜盒的封堵与密封性等。

(2)预控措施。进入保护的温度信号元件连接处弹簧片完整，手轻拉接线检查紧固;冗余信号全程冗余(分电缆、分电源、分模件);所有电缆的备用芯无裸露现象。机柜内重要控制、保护电缆的备用芯可靠接地;用于高温高压管道和容器上的测量元件温包、压力取样部件的材质，确认与管道同种材料且安装前进行金相检验。取样一次阀为2个工艺阀门串联连接，安装于取样点附近且便于运行检修操作的场所;测量高温高压蒸汽介质的仪表安装于测点上方的移位于测点下方。

2.5 技术与监督管理

(1)编写控制系统典型故障应急处理预案。为确保机组在运行过程中发生控制系统故障时，运行和维护人员能够迅速、准确地组织故障处理，最大限度地降低故障造成的影响，在总结、研究控制系统故障时的应急处理方法基础上，编制适合机组运行的分散控制系统故障应急处理预案，机组检修中进行验证和完善，并定期进行反事故学习，提高运行、维护人员在控制系统故障时的应急处理能力［9-10］。

(2)完善管理制度。从完善技术与监督管理制度入手展开工作，对厂内现有热控管理制度中缺少的进行补缺，不完善的进行修订;厂管理部门明确计量仪表的分类、统计要求，仪控部门对管辖的测量设备进行分类统计，为以后仪表测量的数据有效性提供依据和可靠性管理提供基础数据。

(3)可靠性评估。随机组运行时间的增加，机组及重要辅机中的一些尚未发现的隐患还会相继暴露，因此应利用机组检修机会，开展热控系统可靠性技术评估工作，对设计、组态、安装、接线、保险、屏蔽、接地、报警、首出故障信号等进行完善，同时在生产过程中将系统的各种异常情况进行详细记录、汇总分析，提前发现不符合要求的控制逻辑、回路并进行优化。

(4)专业人员培训。加强人员素质培训，减少运行、检修、维护和人为原因引起的热控系统故障。更多地开展专业人员间的学习、交流，收集其他电厂案例和经验。

3 结语

通过乐清电厂一、二期机组开展的提高热控系统可靠性研究，进一步验证了可靠的设计与设备是保证热控系统的安全、经济运行的先决条件，正确的检修和维护是基础，有效的技术管理是保证。提高热控系统可靠性研究是一个长期过程，只有对热控系统和设备进行检修、运行、维护全过程管理，对所有涉及环境进行全方位监督，并确保控制系统各种故障下的应急处理措施切实可行，才能保证热控系统为机组的安全稳定运行保驾护航。

［1］孙长生，朱北恒，尹峰，等.火电厂热控系统可靠性配置与事故预控［M］.北京:中国电力出版社，2010:15-50.

［2］郑凤苓.热工系统安装中的典型问题分析与处理［J］.电力建设，2010，31(7):98-100.

［3］樊健刚，章卫军，叶国满，等.乐清电厂热控系统故障原因技术分析与预控措施［J］.浙江电力，2012，31(5):50-55.

［4］屠士凤，丁明利.乐清电厂二期协调控制系统的故障分析与改进措施［J］.浙江电力，2012，31(5)，31-33.

［5］孙长生，王建强.浙江省电厂分散控制系统故障原因、处理与建议［J］.电力建设，2006，27(2):66－69.

［6］DL/T 774—2004火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程［S］.北京:中国电力出版社，2004.

［7］丁俊宏，苏烨，章卫军，等.提高乐清电厂热控系统可靠性专题报告［R］.杭州:浙江省电力试验研究院，2011.

［8］孙长生，王建强，项谨.汽轮机监视仪表可靠性分析与改进措施［J］.中国电力，2007，40(11):85-88.

［9］李建国，尹峰，刘武林，等.分散控制系统故障应急处理预案［J］.中国电力，2012，45(2):26-30.

［10］孙长生，朱北恒，尹峰，等.提高电厂热控系统可靠性技术研究［J］.中国电力，2009，42(2):56-59.

(编辑:蒋毅恒)