热工技术监督中发现的缺陷问题探讨

2014-11-28赵长祥陈宝林

浙江电力 2014年7期

关键词：热电阻行程开关热工

赵长祥，陈宝林

（国电科学技术研究院，南京 210033）

热工技术在发电厂的重要性日趋突出，通过不断进行深层次技术监督，发现在热工领域存在一些不利于发电厂安全、稳定、高效运行的问题。以下主要就电源、阀门信号、逻辑设计等关键的安全问题进行讨论，寻求解决的办法。

1 一次元件的选择与安装

1.1 压力控制器与压力变送器

1.1.1 两者之间的比较与选择

国内诸多发电厂中，超过80%的压力控制器保护误动故障跟取样管堵塞有关。以炉膛压力控制器为例，取样管的堵塞不仅与取样管的管径、炉膛压力、取样点设计位置、煤的灰分、煤的水分相关外，还与外部环境温度相关。

与电接点压力表相比，压力控制器在可靠性方面有十分明显的优势，那么，是否比压力变送器有明显优势？性能比较见表1。

通过比较可以发现，在不考虑取样管堵塞、精度等级、信号渐变过程及信号多用途等情况下，压力控制器具有一定的性价比优势。但是，取样管是否堵塞、精度等级及用途是否满足要求，恰恰是热工专业最为关心的问题。因此对于重要的测点应多方面比较后，慎重地选择压力控制器还是压力变送器。

1.1.2 防止压力控制器堵塞的方法

为了防止炉膛压力控制器堵塞或减少堵塞的频率，很多发电厂取样管采用大口径光滑不锈钢管。此外，还有其他有创意的做法，如将同侧负压取样点与防堵钢管并联起来，少部分机组选择较高的炉膛压力取样点。

矩阵密集阵式毛细孔式防堵装置是国电九江发电厂的一项发明，即在普通防堵装置钢管内部加1个内胆与取样管相连，在光滑内胆表面钻有密集的毛细孔。由于毛细孔数量众多，烟气的流通面积也非常大，可以近似认为内外相通。而外来飞灰却无法从毛细孔进入内胆内部，最多只能停留在光滑的内胆外表面，轻轻一振或内胆内外压差一有较大波动，灰尘就自动脱落。当然，定期吹扫还是避免不了的。其结构原理如图1所示。

表1 压力控制器与压力变送器的性能比较

图1 密集阵毛细孔式防堵装置的原理示意

某电科院推荐炉膛压力变送器与压力控制器公用1根压力取样管，这样就可以通过压力变送器输出信号中的谐波成分大小来判断取样管是否堵塞。为了便于维护，在相同编号后加不同的后缀来标明同一根取样管上的压力变送器与压力开关控制器之间的关系。但是这样做违反了DL/T 5182-2004《火力发电厂热工自动化就地设备安装、管路及电缆设计技术规定》第5.3.2条‘冗余配置的变送器，应有各自的测量管路、阀门及附件’的要求。

究竟该如何选用炉膛压力保护一次元件，有必要认真进行探讨和研究。

1.2 热电偶与热电阻

一般情况下，发电厂辅机温度保护与主机的轴、瓦温度保护测点都选用热电阻。而热电阻在接线松动或断路的情况下，阻值瞬时增加，系统输出温度值同步飙升，导致保护误动。为了防止意外事件的发生，推荐采用冗余热电阻测点或将保护降为报警显示、或利用信号变化速率来监视热电阻是否接线松动或断路线等。

还有一种方法是用热电偶取代热电阻。热电偶在接线松动或断路时，系统测得温度就严重偏低，很容易被发现，却不会引起保护误动。由于需要将普通电缆更换成补偿导线，会增加一些经济成本。但是，对于那些不便于安装冗余热电阻测点的辅机设备，选用热电偶是最有效的防误动措施之一。

2 保护逻辑的优化

尽管采取很多措施，干扰信号还是会频频进入热工控制系统，导致热工保护误动，在一些自主创新的控制系统中尤为明显。而根据传统的热工保护理念设计的保护逻辑（见图2），却很少发生保护误动。其中起关键作用的有2个环节，即信号品质判断环节与延时环节。

2.1 信号品质判断

众所周知，热电阻断路是温度高保护误动作的主要原因。目前，普遍采用方法是通过温度信号变化速率来判断热电阻是否断路，DCS（分散控制系统）也提供了相应的控制模块。如果温度变化速率在允许范围内，该温度信号就是可信的，但也有可能导致保护拒动。

通过分析，发现DCS控制的保护系统每100 ms计算1次，也就是说，其中的温度变化速率判断模块也是每100 ms计算1次，这就是保护拒动根本原因所在。如果定义温度变化率为5℃/s，绝不等同于温度变化率每100 ms为0.5℃，而且，计算的时间周期越短，差异就越大。因为，任何温度信号都存在谐波干扰信号，只是一般情况下影响较小而已；在设备工作不正常时，如存在严重摩擦，往往会产生较严重的谐波干扰信号。这些信号频率高，冲击强，完全有可能瞬时达到甚至超过0.5℃的幅值，而一旦信号变化速率判断模块检测其为干扰信号，就会立刻禁止保护输出，保护拒动也就产生了。

所以，只有严格按照按定义去编制的信号速率变化判断程序，才能正确发挥其既防误动又防拒动的功能。

2.2 延时环节

图2 传统热工保护逻辑设计示意

除转速、振动外，绝大多数热工信号是慢变信号，而干扰信号一般是快速变化信号，可以通过增加延时环节来消除干扰。即如果干扰信号持续时间为1 s，那么设定2 s的延时，该干扰信号就可以有效地被过滤掉。

有部份调试人员在保护系统调试过程中，只会机械刻板地按照工艺要求去编制控制程序，不知道如何应用延时环节。如某2×300MW机组，一年内发生大大小小的保护误动10多起。令人十分惊讶的是，大多数保护系统中的延时环节被遗忘了。当然，这是从抗干扰角度考虑问题，具体设定多少延时时间，还必须满足不影响设备安全运行的要求。

2.3 闸阀行程开关动作信号与状态信号

还有一点为大多数人所忽略，就是在控制程序中，将行程开关动作信号等同于阀门状态信号，酿成了较为严重的后果。

某发电厂由于电磁场信号干扰，DCS控制系统接收到开式循环水泵出口阀关闭行程开关动作信号（实际未关闭），导致开式循环水泵跳闸。而后实施了如图3所示的改进措施，取得了明显成效。

图3 防阀门关状态信号误发的逻辑改进

尽管处理好了这次事故，有的热工人员还是将行程开关动作信号等同于阀门状态信号。但二者绝不是一回事，如表2所示。

表2 闸阀行程开关动作与状态信号之间的关系

由于接收行程开关动作信号的输入端名称与发送阀门状态信号的输出端名称一般是相同的，易相混淆，这是导致误将行程开关信号等同于阀门状态的主要原因。

为了预防意外干扰事故发生，有必要严格区分行程开关动作信号与阀门状态信号，并对相应联锁保护控制程序进行改进。

3 保护投/切逻辑的设计

投/切逻辑目前一般都可以由计算机维护人员通过预设窗口进行维护，但绝大数发电厂的热工人员还必须深入保护程序内部去强制信号，或去拆线。由此引起的直接或间接的保护误动层出不穷。为此设计了保护投/切逻辑，见图4。

图4 保护投/切逻辑示意

该设计具备以下4个优点。

（1）热工人员专用。一般情况下，过程画面文件夹中的文件只有在工程师站上才可以打开运行或维护。如果与图4所示对应的保护投/切过程画面只存放在过程画面文件夹中，而不链接到主过程画面，那么该设计就成了热工专用保护系统投/切机制。

对于那些在操作员站上可以打开过程文件夹的DCS系统，通常是在过程画面上作明显的标记（如热工专用），并由专人负责，以免下载到操作员站上去；或删除保护投/切过程画面，保留原程序。当然，明确要求操作员不具有打开工程师站的权力，也是比较合适的。

（2）操作简单、可靠。即使操作失误也不会立即引起严重后果，而且可以立刻被运行人员发现。

该逻辑设计了自锁功能，非常可靠，即当满足保护动作条件时，禁止保护投入，避免误动；另一方面，还向运行人员提供保护运行状态。运行及管理人员可随时了解整台机组所有保护的运行情况，增加了设备运行的安全性，也增加了运行人员对投/切保护的监控功能。

（3）提示“是否允许保护投入”。即使带自锁功能投/切的设计，热工人员也需要及时了解保护投入失败的原因，便于及时处理问题。

另外，对那些通过硬手操方式实现投/切保护的系统，尤其是ETS（汽轮机跳闸保护系统），更需要“是否允许保护投入”的信息提示。如某发电厂，在机组启动过程中，热工人员在电子间投入凝汽器真空低ETS保护，机组跳闸。事后查明凝汽器真空压力低压力控制的二次门未打开。现代机组的热工保护已远远超出传统意义上的范畴。热工保护设计采用投/切硬手操，是值得肯定的做法。但是，如果不提示“是否允许投运”，风险就会成倍增加。

（4）提供保护运行状态。把热工保护的投/退操作由热工人员全权负责，恢复成原来的由热工与运行人员共同负责。运行人员对热工保护的投入必须负有监督责任，这样大大增强了机组运行的安全性。

4 加强热工电缆与电源的维护管理

4.1 热工电缆的维护

有很多因素影响热工电缆正常工作，诸如踩踏变形、紧贴热源、进线孔洞敞开、电缆承重等，这些状况极大地增加了信号电缆绝缘、屏蔽被破坏的几率，通常的解决办法是“穿”软金属保护管或钢管、“走”架空桥架、远离热源等。

为了给热工电缆“穿”上软金属保护管，有些施工人员把热工电缆的绝缘层、屏蔽层、保护层切除得干干净净，在软金属保护管内是毫无保护措施的热工信号线。更为严重的是，锋利的软金属保护管裂口，在振动中不断切割着已经老化变色的热工信号线，短路故障随时可能发生。电缆绝缘保护层的割断区域越大，信号线被划伤的可能性就越大。

因此，应使热工电缆的绝缘层、屏蔽层等保存完好，只有在进入到热工设备内部后，其绝缘层才能被切去必要一小段，进线孔洞密封严密，可防尘防水。另外，还可以采取一些补救措施，如“穿”玻璃纤维管或热缩管、裹绝缘胶带、密封穿线孔、更换软金属保护管等。

4.2 热工电源维护

云南某发电厂DCS（分散控制系统）一机柜的电源模块损坏，控制失灵，机组跳闸，事后检查电源模块表面温度异常；吉林某发电厂在机组正常运行过程中，供热系统DCS一机柜内发生了一侧24 V DC损坏、另一侧48 V DC损坏的现象，导致供热控制系统可以正常显示却无法操作。事后检查发现，DCS电源切换试验记录非常完整。正是由于工作人员过分相信定性的电源切换试验，而错过了发现处于危险边缘的供电模块的机会。

以前，热工专业在每次大小修停机时都必须检查并记录所有电源模块单独带负载时的电压。通过对大量的记录数据进行分析比较，很快就可以发现异常的电源模块。因此，只要恢复该传统做法，电源故障在萌芽阶段就可以被控制。

火检电源系统还存在另一种问题，即所有火检探头接在同一个的电源上，却不配过流保护装置。这就导致只要其中1支火检短路，整个火检电源系统就会跳闸，甚至导致炉膛灭火保护动作。这种事故在贵州某发电厂就真切地上演过一幕。