給水系統(tǒng)異常造成MFT的事故分析

韓威，崔猛，鄭志強(qiáng)，董建朋，韓法玲

（1.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州市，450052；2.西安科技大學(xué)電氣工程與控制學(xué)院，西安市，710054）

0 引言

根據(jù)DL/T 435—2004《電站煤粉鍋爐防爆規(guī)程》[1]和DL/T 1091—2008《火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)程》[2]的要求，為防止鍋爐發(fā)生爆燃等重大事故，電站鍋爐均設(shè)計(jì)有主燃料跳閘（main fuel trip，MFT）保護(hù)。2006—2009年，河南省發(fā)生1例汽包水位保護(hù)未能及時(shí)動(dòng)作重大事故，其原因?yàn)槌跗魅彼?，給水泵也未跳閘，造成了鍋爐缺水；此期間，汽包水位保護(hù)動(dòng)作18次（統(tǒng)計(jì)結(jié)果僅包括中電投、大唐集團(tuán)的電廠），其中相當(dāng)一部分是因控制設(shè)備故障、信號(hào)干擾、測(cè)點(diǎn)上凍、邏輯錯(cuò)誤等原因造成的保護(hù)動(dòng)作。本文結(jié)合其中較為典型的3次因給水系統(tǒng)異常造成的鍋爐MFT誤動(dòng)事故進(jìn)行分析和討論。

1 機(jī)組設(shè)備概況

1.1 機(jī)組1概況

機(jī)組1為210 MW熱電機(jī)組，配置東方鍋爐廠的DG670/13.7-20型亞臨界、自然循環(huán)汽包鍋爐，采用四角切圓燃燒、單爐膛“π”型布置。配備2臺(tái)直吹式雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，分別有4層煤粉管道接至鍋爐燃燒器四角。切向燃燒的煤粉燃燒器布置有2層主油燃燒器，并增加1層等離子點(diǎn)火裝置。其中給水管路設(shè)計(jì)為2路，30%鍋爐最大連續(xù)出力（boiler maximum continuous rating，BMCR）的給水啟動(dòng)旁路和100%BMCR的主給水主路。主給水回路設(shè)計(jì)有1個(gè)電動(dòng)門。

1.2 機(jī)組2概況

機(jī)組2為300 MW熱電機(jī)組，配置東方鍋爐廠的DG1025/17.4-II4型亞臨界、自然循環(huán)汽包鍋爐，采用四角切圓燃燒、單爐膛“π”型布置。機(jī)組配備5臺(tái)直吹式中速磨煤機(jī)，分別有4層煤粉管道接至鍋爐燃燒器四角。其中給水管路設(shè)計(jì)為2路，30%BMCR的給水啟動(dòng)旁路和100%BMCR的主給水主路。汽包本體設(shè)計(jì)有3個(gè)差壓平衡式水位計(jì)。

1.3 機(jī)組3概況

機(jī)組3為300 MW火電機(jī)組，配置東方鍋爐廠的DG1025/18.2-II6型亞臨界一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)汽包爐，采用四角切圓燃燒，配備5臺(tái)直吹式中速磨煤機(jī)。給水泵設(shè)計(jì)1臺(tái)50%最大持續(xù)功率（maximum continuous rating，MCR）的電動(dòng)給水泵，1臺(tái)100%MCR的汽動(dòng)給水泵。

2 機(jī)組1異常MFT事故分析

2.1 事故過程

某日，2號(hào)機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，負(fù)荷150 MW；16：12：00，運(yùn)行人員準(zhǔn)備進(jìn)行給水的主、旁路切換操作，先開啟給水旁路前后電動(dòng)門，并準(zhǔn)備開啟給水旁路調(diào)整門；16：13：00，主給水電動(dòng)門突然關(guān)閉（當(dāng)時(shí)該門在“掛起”狀態(tài)），汽包水位迅速下降；立即調(diào)整給水泵勺管、將主給水電動(dòng)門“解掛”并開啟；16：15：00，MFT動(dòng)作，2號(hào)爐滅火，給出“汽包水位低三值”報(bào)警信號(hào)。

2.2 事故分析過程

（1）檢查分散控制系統(tǒng)（distribute control system，DCS）邏輯，發(fā)現(xiàn)在閥門為“掛起”狀態(tài)時(shí)，任何聯(lián)鎖邏輯均不會(huì)觸發(fā)閥門動(dòng)作，包括運(yùn)行人員手動(dòng)操作也是閉鎖的。同時(shí)檢查DCS的歷史趨勢(shì)和操作員站操作記錄均證明主給水門屬于異常關(guān)閉，DCS未發(fā)出關(guān)閉指令。

（2）檢查DCS內(nèi)部卡件、預(yù)制電纜、繼電器等，均未發(fā)現(xiàn)異常。將故障范圍確定在DCS柜外。

（3）查現(xiàn)場(chǎng)資料，得到閥門控制電纜布置如圖1所示。

圖1 閥門控制電纜布置Fig.1 The arrangement of valve control cable

（4）在DCS機(jī)柜處測(cè)量閥門“關(guān)指令”電纜絕緣時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中1根線對(duì)地的電阻只有500 Ω。

（5）檢查閥門本體控制回路，發(fā)現(xiàn)控制指令采用“24 V”采集，指令線纜的2根線芯均采用懸空設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)其中1芯發(fā)生接地后，不會(huì)導(dǎo)致指令動(dòng)作。

（6）打開閥門控制柜發(fā)現(xiàn)DCS指令送到閥門控制柜的端子排后，1路短接到閥門本體，同時(shí)轉(zhuǎn)接到接觸器控制回路中，而在閥門控制柜內(nèi)，關(guān)閉指令得1根線纜是直接連接在接觸器的線圈上，分閘線圈電阻為500 Ω（見圖1），同時(shí)線圈的N端是直接接地的，造成關(guān)閉指令線的一芯間接接地（500 Ω）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉指令線的另一芯被甩開到另一接觸器（主給水旁路門的控制接觸器）下的導(dǎo)軌處，幾乎貼緊導(dǎo)軌。

（7）后經(jīng)模擬試驗(yàn)確認(rèn)，發(fā)生異常事故的誘因是主給水旁路門的接觸器動(dòng)作后，瞬間形成了一小幅振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致主給水門關(guān)閉指令的那根基本懸空的電纜被振到導(dǎo)軌處，而導(dǎo)軌是接地的，結(jié)果指令線的2根線芯同時(shí)接地形成回路，導(dǎo)致主給水電動(dòng)門關(guān)閉。

2.3 防范措施

（1）將主給水電動(dòng)門的控制電纜重新拉放，直接從DCS機(jī)柜放到電動(dòng)門處，中間不得進(jìn)行轉(zhuǎn)接，不得和動(dòng)力電纜走在同一橋架，并將屏蔽線在DCS側(cè)充分接地，防止干擾[3-4]。

（2）對(duì)全廠所有的一體化控制電動(dòng)門進(jìn)行排查[5]，防止同類設(shè)備發(fā)生同樣事故。

（3）重要設(shè)備的控制回路[6]在投運(yùn)前必須進(jìn)行絕緣測(cè)試，并根據(jù)設(shè)備情況在大修期間定期進(jìn)行維護(hù)。

3 機(jī)組2異常MFT事故分析

3.1 事故過程

某日，1號(hào)機(jī)組單機(jī)運(yùn)行，負(fù)荷270 MW，汽包水位-10 mm。04：10：09，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)汽包水位2為425 mm，汽包水位2報(bào)警；04：10：25，汽包水位1突然上升至413 mm；04：10：26，MFT動(dòng)作，1號(hào)爐滅火，給出“汽包水位高三值”報(bào)警。

3.2 事故分析過程

（1）檢查DCS邏輯，發(fā)現(xiàn)在04：08：00時(shí)刻汽包水位1、2出現(xiàn)上漲趨勢(shì)，僅汽包水位3和電接點(diǎn)汽包水位顯示接近。

（2）檢查DCS內(nèi)部邏輯，MFT動(dòng)作正確，“汽包水位高”保護(hù)設(shè)計(jì)為“三取二”動(dòng)作。

（3）檢修人員反映，現(xiàn)場(chǎng)檢查汽包水位計(jì)變送器箱時(shí)，取樣管上凍，造成汽包水位1、2顯示錯(cuò)誤，并最終導(dǎo)致MFT誤動(dòng)作。

（4）現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)變送器箱設(shè)計(jì)的電加熱電源線絕緣故障，導(dǎo)致電加熱異常跳閘，變送器箱內(nèi)溫度迅速下降，引起取樣管上凍。

（5）檢查DCS汽包水位補(bǔ)償邏輯[7]，發(fā)現(xiàn)由于變送器上凍，但變送器測(cè)量的差壓值當(dāng)時(shí)并未超量程，因此DCS仍判斷為好點(diǎn)，保護(hù)未自動(dòng)將已上凍的測(cè)點(diǎn)剔除，造成MFT保護(hù)誤動(dòng)作。

3.3 防范措施

（1）將電加熱器電源電纜重新拉放，且應(yīng)考慮對(duì)此加熱裝置設(shè)計(jì)雙路冗余電源，充分保障電源的可靠性。在變送器箱內(nèi)增加1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)引至DCS顯示。在冬季夜晚較冷時(shí)應(yīng)定期監(jiān)視和記錄溫度值。

（2）由于變送器測(cè)量的差壓量程較大，且測(cè)量的差壓在DCS還需要補(bǔ)償計(jì)算，因此，在超過一定差壓時(shí)，汽包水位補(bǔ)償值將超出正常的顯示范圍，此時(shí)應(yīng)考慮增加相應(yīng)的DCS邏輯，將該測(cè)點(diǎn)判斷為壞點(diǎn)并將其從保護(hù)中切除。邏輯可采取當(dāng)任一汽包水位超過±330 mm（汽包實(shí)際水位上下限）時(shí)，判斷壞質(zhì)量，并切除其保護(hù)功能[8]。

（3）對(duì)除氧器水位等其他重要水位計(jì)檢查，加強(qiáng)防凍措施。

（4）排查主保護(hù)涉及到模擬量品質(zhì)判斷的邏輯，統(tǒng)一增加測(cè)量結(jié)果超出一定范圍后自動(dòng)切除保護(hù)功能，同時(shí)對(duì)于測(cè)量同一工質(zhì)的多測(cè)點(diǎn)的增加偏差大報(bào)警。

4 機(jī)組3異常MFT事故分析

4.1 事故過程

某日，3號(hào)機(jī)170 MW運(yùn)行。09：00：00，主蒸汽流量590 t/h，給水流量530 t/h，汽泵轉(zhuǎn)速3 924 r/min。09：00：45，汽泵突然超馳動(dòng)作，轉(zhuǎn)速飛升至5 160 r/ min，給水流量突升至1 180 t/h，汽包水位突升較快，運(yùn)行人員立即打開汽包事故放水，鍋爐汽機(jī)發(fā)電機(jī)（boiler turbine generator，BTG）盤上小機(jī)降速無效，立即將小機(jī)打閘。09：01：45汽包水位升至+250 mm，MFT動(dòng)作，汽機(jī)因“汽包水位高”保護(hù)動(dòng)作跳閘。

4.2 事故分析過程

（1）小機(jī)轉(zhuǎn)速指令在集控室立盤處設(shè)計(jì)有數(shù)字邏輯站（硬手操按鈕），通過檢查數(shù)字邏輯站的組態(tài)確認(rèn)，當(dāng)時(shí)3號(hào)小汽機(jī)突然誤發(fā)“小機(jī)低壓進(jìn)汽電動(dòng)門關(guān)”指令，導(dǎo)致小機(jī)低壓調(diào)門失去汽源。

（2）由于在自動(dòng)狀態(tài)，小機(jī)自動(dòng)開啟高壓調(diào)門。觀察趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，高壓調(diào)門在開啟后，小機(jī)轉(zhuǎn)速突然飛升至5 160 r/min，給水流量突升至1 114 t/h。

（3）檢查小機(jī)閥門流量曲線正常，高調(diào)門汽源參數(shù)正常，懷疑高調(diào)門伺服閥有問題[9]。

（4）現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)小機(jī)高壓調(diào)門伺服閥卡澀，從而導(dǎo)致高調(diào)門在剛開啟后，并無流量輸出，進(jìn)而導(dǎo)致高調(diào)門全開，小機(jī)轉(zhuǎn)速飛升，鍋爐給水量過大。

4.3 防范措施

（1）應(yīng)加強(qiáng)組態(tài)的維護(hù)工作，在大修或修改組態(tài)后，必須進(jìn)行完善的試驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)收工作[10]，尤其是對(duì)涉及到軟邏輯、硬回路相冗余的設(shè)備，在進(jìn)行整改和試驗(yàn)時(shí)必須同步進(jìn)行修改，并分別進(jìn)行連鎖保護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）定期對(duì)處于備用的設(shè)備進(jìn)行在線試驗(yàn)，以防其備用在故障位置，導(dǎo)致關(guān)鍵時(shí)刻不能正常投入。

（3）在條件允許時(shí)定期對(duì)伺服閥、危機(jī)遮斷（automatic shift trip，AST）電磁閥等油路閥門進(jìn)行清洗工作，并且按照規(guī)程規(guī)定定期進(jìn)行閥門活動(dòng)試驗(yàn)。

5 結(jié)論

給水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分了解所控設(shè)備的詳細(xì)資料，如事例1中的主給水電動(dòng)門的控制特性在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)沖突，導(dǎo)致安裝時(shí)混接了2套不同的強(qiáng)、弱電控制回路，造成控制電纜絕緣不合格，而調(diào)試過程中，也未引起重視，未將廢棄的閥門控制柜內(nèi)電纜全部甩開，為事故突發(fā)遺留了重大隱患。

汽包水位測(cè)量系統(tǒng)的保溫設(shè)計(jì)在給水系統(tǒng)中愈發(fā)重要，變送器箱內(nèi)電加熱采取單一電源回路設(shè)計(jì)，也無相應(yīng)的報(bào)警功能，不符合生產(chǎn)運(yùn)行的需要，如文中事例2，電加熱若設(shè)計(jì)了2路可靠電源，或者可靠的報(bào)警和監(jiān)視措施，就不會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)。同時(shí)，DCS中要設(shè)計(jì)完善的水位保護(hù)邏輯，不能簡(jiǎn)單地只對(duì)變送器輸出信號(hào)進(jìn)行壞質(zhì)量判斷，也要考慮到因變送器引入管上凍等特殊情況下的邏輯處理。

在機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行中，要定期對(duì)給水系統(tǒng)的備用設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和試驗(yàn)，如對(duì)小機(jī)的油系統(tǒng)進(jìn)行定期清污工作，防止出線伺服閥卡澀，以及運(yùn)行中處于備用狀況的給水調(diào)門、最小流量閥等設(shè)備進(jìn)行定期的活動(dòng)試驗(yàn)，防止真正需要急用時(shí)動(dòng)作不正常。

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