火电机组热控保护系统可靠性探讨

宋毓楠

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司， 安徽　合肥　232088)



火电机组热控保护系统可靠性探讨

宋毓楠

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司， 安徽合肥232088)

摘要：本文从人和物两方面分析了影响热控保护系统的相关因素，详细解释了提到的每种因素。对不合理的内容提出相应的改进办法和途径，并对热控保护系统可靠性改进和优化设计进行了探讨。

关键词：热控保护系统； 可靠性； 改进

0引言

随着DCS控制系统的广为普及，即便是小容量机组也配备了DCS控制系统，其控制的设备范围也越来越广。锅炉和汽机系统设备实行一体化控制，将电气设备的控制也纳入DCS系统，这些配置成为新建机组的标配和DCS改造的首选。随着技术的发展，DCS控制系统的兼容性逐渐增强，新建机组中现场总线设备的覆盖范围逐渐扩大，热控保护系统的可靠性越来越受到大家的重视。本文主要对影响热控保护系统的因素和常见的故障问题进行讨论，寻求完善热控保护系统可靠性问题的方向和办法。

1热控保护系统可靠性的相关因素分解

海因里希的工业安全理论认为：人的不安全行为、物的不安全状态是事故的直接原因，企业事故预防工作的中心就是消除人的不安全行为和物的不安全状态。因此热控保护系统的可靠性也可以按此理论分解为人员因素(电厂员工操作的正确性)和设备因素(热控保护系统设备的稳定性、完整性、冗余度设计合理性)。

2人员因素

火电厂热控保护工作对象是既复杂又缜密的系统，人员因素的作用尤为重要，但人员工作过程中有很多不确定性，与人员的精神状态、技术素养和安全意识等相关，可以通过以下几种措施来控制和降低人为因素的发生：

(1)定期组织专业技能培训，通过培训改善员工的知识结构，提高人员的技术素养和对设备的认知水平。结合工作中容易犯错误的环节与工作人员易麻痹的思想，做特别的强化性训练，使他们最终可以达到处理事情时临危不乱，综合提升他们的管理技术和水平；

(2)制定和完善DCS系统相关操作和管理的措施、制度，规范员工的作业行为，从制度上避免人为因素的影响。

3设备因素

可以通过产品升级、技术改进和优化设计等手段使系统更加完善，从而降低设备因素。借鉴当前热控保护系统运行过程中出现过的案例以及整改后运行经验，加强热工设备维护和技术管理，打造出实用、安全和可靠的热控保护系统。我们从以下几个方面来探讨增强热控保护系统的的本质可靠性。

3.1一次元件(信号)的选择、安装及可靠性处理

选择合适的一次元件或合适的信号可以有效减少热控保护的误动和拒动，为此需要每个测量信号从现场到控制系统各引用点之间的每个环节安全、可靠，举几个例子说明：

1)在振动较大，粉尘较多的环境下检测设备的机械位置，如果选择一体化封装渐进式开关会很大程度上提高检测的准确性和稳定性；

2)容易出现引压管堵的风烟系统测点，安装防堵取样装置；

3)选择电气开关的接点信号和电流信号判断后相 “与”作为判断泵或风机的运行状态会很大程度上避免信号的误判[1]；

4)控制电缆与动力电缆分开敷设，并远离热源或有良好的隔热措施；

5)冗余测点的取样管要独立设置；

6)用于保护的信号尽量避免使用通讯点，应采用硬接线方式；

7)运行中关注测点的变化，及时发现和提前预测测点的非正常隐患；

8)对容易引入噪声的测量信号进行滤波处理；

9)定期对现场一次元件进行检查、端子复紧和校验。

3.1.1压力控制器和压力变送器

在上世纪90年代初，压力控制器在电厂处于试用、推广阶段，由于在可靠性上明显优于电接点压力表，因而得到逐步推广和普及。目前压力控制器广泛应用于各大主要保护控制系统中，包括炉膛负压、安全油压等保护。但随着压力变送器精度和稳定性的提高以及价格逐渐趋于合理，因此电厂开始尝试用压力变送器取代压力控制器。首先通过表1比较两者的性能[2]。

表1　压力控制器与压力变送器的性能比较

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、多用途及稳定性情况下，压力控制器有一定的性价比优势，然而取样管堵塞、精度等级、信号渐变过程、多用途及稳定性恰恰是电厂热控专业最为关心的问题，因此压力控制器的优势会随着压力变送器技术的发展和压力变送器的普及越来越弱化。

随着压力变送器技术逐渐成熟，越来越多的电厂开始对压力控制器的实用性产生怀疑，用压力变送器取代压力控制器的做法会逐渐流行。上世纪末，欧洲设计中就大量使用压力变送器作为保护测量设备。例如2001年投产的安徽合肥二电厂2×350MW机组，汽机侧为德国ABB公司设计，大量采用变送器信号做保护。每次机组检修时，压力变送器的校前合格率明显高于压力控制器，证明这种做法是可取的。

3.1.2热电偶与热电阻

一般情况下电厂主机的轴瓦温度保护和辅机轴承温度保护测点均选择热电阻，而热电阻在接线松动或断路情况下，阻值瞬时增加，系统输出同步增加，导致保护误动。

常见解决方法是设置成冗余点，或将保护降为报警显示，或利用信号变化率来判断是否接线松动或断路[3]。

另一种方法是用热电偶取代热电阻，在接线松动或断路情况下，虽然显示会严重偏低，但不会引起保护误动。特别适合不便于安装冗余测点的工艺设备。

另外电机轴承温度元件端部加装绝缘套，目的是消除通过电机转子和DE、NDE两端温度元件及金属保护套管对地回路的轴电流引起的干扰。

3.2热工电源

热工电源在热控系统中的地位非常重要，因为热工电源的故障对系统影响范围最广、后果最严重，会导致控制失灵、机组跳闸，甚至会因为电源问题致设备拒动而造成主、重要设备损坏的事故。正因为热工电源的重要性，在设计和维护过程中应考虑以下几种情况：

图1　DCS电源系统设计图

1)DCS系统电源设计应采用2路来源不同的可靠电源[4]，通过电源切换装置提供可靠的冗余电源，切换装置应满足电源切换时不会引起设备初始化。这里提供一种优化的热工电源设计图(见图1)[5]。

2)按照电源负荷的重要性分类设计，避免重要性等级不同的负荷分配在一起。

3)分路电源配置合理的过流保护装置，防止电源越级跳闸。

4)检修定期做切换试验的同时，必须检查并记录所有电源单独带负荷时的电压。通过记录数据的比较分析，可以先期发现电源模块的故障，将电源模块的故障控制在萌芽阶段。

3.3现场总线

现场总线设备(FCS)是新技术、新装备，目前还处在发展和完善过程中。近几年现场总线技术和现场总线设备正逐步应用到新建机组中，适用范围从外围辅助系统向主辅机系统扩散，甚至在主机系统中也开始大量应用，华能南京金陵电厂2×1000MW机组总线覆盖率达到40%。在设计方面需注意以下几点：

1)现场总线设备按工艺系统功能区划分，保持区域自治的原则，使控制器间的通信量最小，以减少主控网的通信负荷；

2)凡涉及保护和重要联锁的4-20mA信号采用具有HART协议的常规I/0模件；

3)相对集中的主/辅机的温度测点，采用远程I/O、智能前端或带有PA总线接口的温度测量智能装置；

4)系统中检测同一工艺参数的2个或3个测点，应分别接入不同的现场总线分支；

5)现场总线就地柜的环境要有保障，主要是温度和灰尘要在受控范围内；

6)根据现场总线使用的范围及设计原则，设计了现场总线网络拓扑结构，画出网络拓扑图。从拓扑画面可以直观地了解现场总线网段的划分、各网段的连接方式及网段所联接的设备。运行人员可以通过拓扑画面查看设备的运行状况，也方便维护人员维护现场总线设备。

3.4保护逻辑

保护系统逻辑是保护系统的核心内容之一，保护逻辑设计的合理性和完整性直接关系保护系统的可靠性。当现场测量系统不能保证动作正确性时可以通过优化保护逻辑达到同等效果。保护逻辑设计时需考虑以下几个方面因素：

1)各设备制造厂提供的设计书；

2)各种相关国家标准和行业标准的规定；

3)工艺流程和工艺系统的要求；

4)保护信号容错设计：冗余配置的信号通过不同的I/O模件引入；防止信号干扰的延时动作逻辑要满足工艺设备要求；增加信号品质判断；单点信号引入其相关性信号判别等。

3.4.1信号品质的判断

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短路，各DCS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。2012年夏季，在吉林某电厂就出现汽轮机轴承温度高保护拒动。通过分析发现DCS控制的保护系统每100ms计算一次，也就是说，其中的温度变化速率判断模块也是100ms计算一次。如果设定温度变化率为5℃/s,并不等同于0.5℃/(100ms)，这就是保护拒动根本原因。

测量系统往往会产生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判别幅值，而一旦信号变化速率判断模块检测这些干扰信号，就会立刻禁止保护输出。

所以，只有严格按照按定义去编写的信号速率变化判断程序，才能正确发挥其既防保护误动又防保护拒动功能。

3.4.2控制逻辑之间的相互关联

控制系统是一个有机的整体，各子系统之间相互关联、相互影响。比如说调节系统失调势必会引起许多控制参数变化、振荡、达到报警值甚至超过跳闸值直接触发保护系统动作。如何有效防止因系统扰动引起工艺系统参数失常，最终触发保护系统动作，是热工逻辑优化的一个常态的工作。下面是几种常见的容错逻辑设计，能及时、自动防止事故扩大导致机组跳闸。

1)设定值与实际值偏差大时自动将控制系统切手动控制逻辑，防止系统扰动过大；

2)手/自动无扰切换逻辑，减少手/自动逻辑投切时对系统的扰动；

3)模拟量控制系统中采用的方向性闭锁、禁开/禁关逻辑的保护措施，防止控制参数越限。

4结束语

火电厂热控保护系统可靠性是热控专业永恒的话题，对其改进和优化工作是非常琐碎，看似微不足道，但对提高机组运行的可靠性却至关重要。我们可以从避免机组事故、设备损坏、误操作的角度出发，研究热控保护系统的可靠性，通过不断总结，形成一整套可借鉴的典型优化方案，并推广应用，以指导新建火电厂热工热控保护系统设计。本文对火电厂热控系统可靠性的研究，提出了一些观点和方法，希望能为控制保护系统的优化和设计理清思路。可以预见，随着火电厂热控技术的进步，诊断技术、通讯技术和容错技术的发展，热控保护系统将更加完善、可靠。

参考文献：

[1] DL/ T 261-2012,火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则[S].

[2] 赵长林.热控技术监督中的安全问题探讨[C]//2014年中国发电厂热工自动化技术论坛论文集(下册).全国发电厂热工自动化专业年会组委会,2014.

[3] 孙长生.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.

[4] GB 50660-2011,大中型火力发电厂设计规范[S].

[5] 卢铭庆.热工控制系统电源设计现状及改进方案[J].江西电力,2005,29(6):27-29.

[责任编辑：薛宝]

Discussion on Reliability of Thermal Protection System for Thermal Power Units

SONGYu-nan

(DatangEastChinaElectricPowerTest&ResearchInstitute,Hefei232088,China)

Abstract:This paper from two aspects of people and objects, analyzes the related factors influencing the thermal protection system, explains in detail each of these factors. To the unreasonable content, the corresponding improvement measures and ways are put forward, and the thermal protection system reliability improvement and optimization design are discussed in this paper.

Key words:thermal protection system; reliability; improve

中图分类号：TK39

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0073- 04

作者简介：宋毓楠(1972-)，男，安徽安庆人，工程硕士，高级工程师，主要从事热控管理工作。中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司。E-mail：414830667@qq.com

收稿日期：2015- 09-17