火电厂给煤机控制系统电源隐患分析及改进措施

2021-05-19戴敏敏

山东电力技术 2021年4期

韩峰，戴敏敏

（1.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江杭州 311121；2.浙江浙能电力股份有限公司，浙江杭州 310007）

0 引言

目前大型火力发电厂给煤机的控制系统多是由控制器、变频器、称重传感器、就地硬回路等组成，给煤机控制系统电源主要给控制器、称重传感器、硬回路等部分供电，变频器等由动力电源供给。

近年来，部分机组为了防止电网发生低电压穿越，给煤机配置了防低电压穿越装置或通过优化控制逻辑等方式［1-3］，给煤机动力电源在防低电压穿越上得到了解决。在很多防低电压穿越改造中未重视控制电源在低电压扰动时的影响，部分机组将控制电源简单改为大型UPS 供电或者单台给煤机独立配置小型UPS 供电［4］，未考虑UPS 电源老化、设备共用等问题，在设计及维护上仍存在很大隐患或缺陷，多次出现因控制电源异常导致多台给煤机停运的事故。如何提高火电机组给煤机控制系统电源的可靠性有待进一步研究。

1 给煤机电源故障案例及原因分析

某电厂1 号机组给煤机为上海新拓SPERI 电子称重式给煤机，6台给煤机动力电源配置有防低电压穿越装置，给煤机控制系统电源采用两路UPS 电源经双电源切换装置（GE Entell⁃Switch250）后为6台给煤机控制回路同时供电，如图1所示。

2019年12月11日05：40：00，2号机组负荷515 MW，磨煤机A、B、C、D、E 运行，总燃料量258 t/h，送、引、一次风机均双列运行。05：44：18，A、B、C、D、E 给煤机运行信号同时消失，锅炉主燃料跳闸保护动作（以下简称MFT），首出为“失去全部燃料”，机组跳闸。

事后检查发现2号机UPSA段馈线柜断路器ZK5故障脱扣，导致2号机组热控UPS电源柜双电源切换装置启动，切换过程中给煤机控制回路电源瞬时失电，在电源由UPSA切至UPSB过程中，5台运行给煤机控制器及就地控制回路电源瞬间失去，5台给煤机运行信号同时消失，锅炉“失去全部燃料”MFT保护动作。

图1 给煤机控制电源分配

断路器ZK5 型号为施耐德C120H C125，将故障断路器拆除后对此断路器进行分合试验，无法再次合上，判断断路器内部损坏。给煤机控制回路电源由UPSA 切换至UPSB。按照电源切换要求，一路电源异常时切换至备用电源应能够避免就地设备异常，对切换装置进行测试，结果如图2所示，热控UPS电源柜双电源切换装置切换时间约为70 ms，切换过程中电压最低跌落至1.2 V。

图2 双电源切换时间及压降测试结果

从切换过程来看，切换时间70 ms一般对一些控制设备应无明显影响，但是在给煤机控制回路中存在就地继电器回路，如图3 给煤机控制回路原理图所示，DCS 远程遥控启动指令存在由继电器组成的自保持回路，DCS 远程给煤机启动指令为脉冲信号，给煤机运行中启动指令是靠就地继电器回路实现保持的，当电源发生切换时，存在70 ms失电时间，而回路中继电器动作、复位时间在20 ms 左右，这时启动指令继电器的短时失电促使保持指令的触点FS 断开，在电源切换恢复后启动指令已失去，导致给煤机停运，同时给煤机运行信号失去。

“失去全部燃料”MFT 逻辑判断为：任一油层投运或者磨煤机运行记忆、锅炉失去所有油燃料及锅炉失去所有煤燃料条件同时满足。失去所有煤燃料条件为6 套制粉系统磨煤机停运或给煤机运行信号消失，当时控制电源切换过程中，运行的5 台给煤机运行信号同时失去，由于逻辑判断条件中无延时，导致全燃料丧失保护动作。

图3 给煤机控制回路

2 改进措施

2.1 常见控制电源配置方式及隐患分析与改进

改进措施之一是取消切换装置。案例中将给煤机控制电源采用UPSA、UPSB 经切换装置后供电的方式，虽然可通过UPS 电源避免了低电压穿越的影响，并且采用双路UPS 电源切换，看似非常可靠，但是应注意到切换装置不是不间断切换装置，切换过程存在电源暂降，而UPS 本身已是不间断切换电源，其完全可以作为给煤机的控制电源；增加切换装置反而增加中间环节，如案例所示中间共用环节（空气开关）的故障导致电源切换反而扩大了故障隐患，所以应取消切换装置。

某集团大型火力发电厂控制电源配置方法统计如表1所示。

表1 给煤机控制电源配置方法统计

对比以上几种电源配置方法，UPS 作为不间断电源，它的多种内部电源的切换更为可靠，显然它比MCC 等动力电源要更为可靠，大型UPS 要比小型UPS、蓄电池等更为可靠。在考虑UPS可能发生老化异常等情况时，可考虑多种电源混合配置方式，如图4 所示，每种电源故障时只影响1～2 台给煤机，使故障风险更加分散。但是这种配置方式仍要结合给煤机投运方式考虑，尤其要考虑机组处于深度调峰或低负荷情况下的给煤机投运方式，这时保持正常运行的给煤机只有2～3 台，如果电源分配不合理，处于运行的多台给煤机有2 台位于同一电源母线上，这一电源母线的异常势必引起机组异常跳机。采用每台给煤机配备小型UPS 方式的机组，由于小型UPS 质量不可靠，小型UPS 往往一两年内就会出现故障，因此要采取定期更换方式以避免控制电源异常带来隐患，如果能够保证检修质量、定期维护，从分散配置的角度来看采用小型UPS 配置还是非常可靠的一种配置方式。

图4 给煤机控制电源分散配置

综上所述，改进措施之二是给煤机控制电源应采用多种电源混合分散配置方式。具有深度调峰功能的机组，通常处于较低负荷投运的给煤机应配置低电压穿越装置，同时控制电源应尽可能采用低电压穿越装置电源或大型UPS电源方式，其他给煤机应尽可能分散配置，采用小型UPS独立配置时应定期进行更换。

2.2 控制回路的改进

在采用控制电源分散配置情况下，势必有部分电源采用MCC等动力电源共用方式，并且这种方式多存在电源切换情况，可利用给煤机短时停运对电厂系统运行无影响［5-6］，通过优化控制回路短时躲避电源切换，使给煤机运行更为可靠。如两路动力电源经切换后再经隔离变压器转换为AC 110 V或AC 220 V电源直接供给就地控制回路，只要考虑如何躲过短时切换对给煤机系统的影响，短时切换后可重新自启动给煤机。对于给煤机控制系统来说，有两种方式可以实现。

第一种改进方法为DCS系统发长指令启动给煤机［1，7］，保证短时间停电或切换后启动指令仍存在，这种情况容易发生给煤机长期异常停电后再上电给煤机自启，应设计给煤机故障停运、给煤机电源失电延时一定时间等触发DCS 发停运指令，但增加停运指令配置方式不利于现场故障的分析与查找，停运指令会复位很多故障信息。有部分电厂实际采用了此种处理方式。

第二种改进方法为优化就地控制回路，使继电器回路失电情况下继续保持启动指令一小段时间。如图5所示，增加一个时间继电器KT，时间继电器设置为具有断电延时功能，回路断电短时间内KT 常开触点仍保持闭合，在这一段时间内如果电源恢复，仍会使启动指令继电器FS 带电，有效保持了就地启动指令。这种配置方式可避免电源电压短时间波动对指令回路的影响，同时也能克服短时间内的低电压穿越作用。其他文章也提到过将继电器FS 直接更换为时间继电器的改造方式［7］，容易因时间继电器故障导致给煤机停运，而增加时间继电器与普通继电器并列，主要是为了提高回路的可靠性，但是在实际应用过程中发现电磁回路中继电器FS 与所加的延时继电器KT 线圈并列时，在停指令发出继电器失电后，两线圈之间会产生反电势，导致给煤机正常停运后出现自启动情况，所以在时间继电器前增加了一副继电器FS 的触点，使给煤机接收到停止指令后两继电器线圈之间无法形成回路。经凤台电厂验证，此回路能够正常运行，且可躲避短时失电情况。

图5 给煤机控制回路改进

第三种改进方法，为修改控制回路。部分类型给煤机控制器就地断电重新上电后，给煤机控制器会切至就地控制状态，这样重新启动也无法进行远方控制，需运行人员至就地切至远方控制。这种控制器应考虑修改就地控制回路，一种方法是将远方启动指令设为优先状态即远方启动指令与切换远方控制采用同一信号，这种方法在检修期间容易造成危险，不建议采用；另一种方法是将控制远方就地切换按钮改为就地旋钮形式，控制器掉电上电过程，切换旋钮位置不变重新上电即可投入远方控制。

2.3 给煤机变频器控制方式的改进

在动力电源存在切换配置方式时注意防止动力电源切换对变频器的影响，在动力电源切换时可能会出现变频器低电压等故障情况，如果采用逻辑发长指令启动给煤机，这时的变频器故障可能会触发给煤机故障停运指令，这种配置方式应在给煤机变频器上设置短时掉电自启功能，在短时掉电自启的时间内变频器会保持运行信号状态，使给煤机控制器不会发生误判。

2.4 主燃料跳闸保护的逻辑优化

主燃料跳闸MFT保护中全燃料丧失中有关给煤机停运信号的判断应注意需增加一定的延时时间，延时时间应略大于切换装置切换的时间或低压穿越可能产生影响的时间，防止给煤机运行信号短时失去导致机组保护异常动作；由于就地给煤机设有短时自启动逻辑，在手动MFT 时，如果MFT 硬逻辑中未设置手动MFT 触发软逻辑时，应注意手动按下MFT 按钮时间应大于给煤机短时自启动时间。