熱工技術(shù)監(jiān)督中發(fā)現(xiàn)的缺陷問題探討

趙長祥，陳寶林

（國電科學(xué)技術(shù)研究院，南京 210033）

熱工技術(shù)在發(fā)電廠的重要性日趨突出，通過不斷進(jìn)行深層次技術(shù)監(jiān)督，發(fā)現(xiàn)在熱工領(lǐng)域存在一些不利于發(fā)電廠安全、穩(wěn)定、高效運行的問題。以下主要就電源、閥門信號、邏輯設(shè)計等關(guān)鍵的安全問題進(jìn)行討論，尋求解決的辦法。

1 一次元件的選擇與安裝

1.1 壓力控制器與壓力變送器

1.1.1 兩者之間的比較與選擇

國內(nèi)諸多發(fā)電廠中，超過80%的壓力控制器保護(hù)誤動故障跟取樣管堵塞有關(guān)。以爐膛壓力控制器為例，取樣管的堵塞不僅與取樣管的管徑、爐膛壓力、取樣點設(shè)計位置、煤的灰分、煤的水分相關(guān)外，還與外部環(huán)境溫度相關(guān)。

與電接點壓力表相比，壓力控制器在可靠性方面有十分明顯的優(yōu)勢，那么，是否比壓力變送器有明顯優(yōu)勢？性能比較見表1。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在不考慮取樣管堵塞、精度等級、信號漸變過程及信號多用途等情況下，壓力控制器具有一定的性價比優(yōu)勢。但是，取樣管是否堵塞、精度等級及用途是否滿足要求，恰恰是熱工專業(yè)最為關(guān)心的問題。因此對于重要的測點應(yīng)多方面比較后，慎重地選擇壓力控制器還是壓力變送器。

1.1.2 防止壓力控制器堵塞的方法

為了防止?fàn)t膛壓力控制器堵塞或減少堵塞的頻率，很多發(fā)電廠取樣管采用大口徑光滑不銹鋼管。此外，還有其他有創(chuàng)意的做法，如將同側(cè)負(fù)壓取樣點與防堵鋼管并聯(lián)起來，少部分機組選擇較高的爐膛壓力取樣點。

矩陣密集陣式毛細(xì)孔式防堵裝置是國電九江發(fā)電廠的一項發(fā)明，即在普通防堵裝置鋼管內(nèi)部加1個內(nèi)膽與取樣管相連，在光滑內(nèi)膽表面鉆有密集的毛細(xì)孔。由于毛細(xì)孔數(shù)量眾多，煙氣的流通面積也非常大，可以近似認(rèn)為內(nèi)外相通。而外來飛灰卻無法從毛細(xì)孔進(jìn)入內(nèi)膽內(nèi)部，最多只能停留在光滑的內(nèi)膽外表面，輕輕一振或內(nèi)膽內(nèi)外壓差一有較大波動，灰塵就自動脫落。當(dāng)然，定期吹掃還是避免不了的。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

表1 壓力控制器與壓力變送器的性能比較

圖1 密集陣毛細(xì)孔式防堵裝置的原理示意

某電科院推薦爐膛壓力變送器與壓力控制器公用1根壓力取樣管，這樣就可以通過壓力變送器輸出信號中的諧波成分大小來判斷取樣管是否堵塞。為了便于維護(hù)，在相同編號后加不同的后綴來標(biāo)明同一根取樣管上的壓力變送器與壓力開關(guān)控制器之間的關(guān)系。但是這樣做違反了DL/T 5182-2004《火力發(fā)電廠熱工自動化就地設(shè)備安裝、管路及電纜設(shè)計技術(shù)規(guī)定》第5.3.2條‘冗余配置的變送器，應(yīng)有各自的測量管路、閥門及附件’的要求。

究竟該如何選用爐膛壓力保護(hù)一次元件，有必要認(rèn)真進(jìn)行探討和研究。

1.2 熱電偶與熱電阻

一般情況下，發(fā)電廠輔機溫度保護(hù)與主機的軸、瓦溫度保護(hù)測點都選用熱電阻。而熱電阻在接線松動或斷路的情況下，阻值瞬時增加，系統(tǒng)輸出溫度值同步飆升，導(dǎo)致保護(hù)誤動。為了防止意外事件的發(fā)生，推薦采用冗余熱電阻測點或?qū)⒈Ｗo(hù)降為報警顯示、或利用信號變化速率來監(jiān)視熱電阻是否接線松動或斷路線等。

還有一種方法是用熱電偶取代熱電阻。熱電偶在接線松動或斷路時，系統(tǒng)測得溫度就嚴(yán)重偏低，很容易被發(fā)現(xiàn)，卻不會引起保護(hù)誤動。由于需要將普通電纜更換成補償導(dǎo)線，會增加一些經(jīng)濟成本。但是，對于那些不便于安裝冗余熱電阻測點的輔機設(shè)備，選用熱電偶是最有效的防誤動措施之一。

2 保護(hù)邏輯的優(yōu)化

盡管采取很多措施，干擾信號還是會頻頻進(jìn)入熱工控制系統(tǒng)，導(dǎo)致熱工保護(hù)誤動，在一些自主創(chuàng)新的控制系統(tǒng)中尤為明顯。而根據(jù)傳統(tǒng)的熱工保護(hù)理念設(shè)計的保護(hù)邏輯（見圖2），卻很少發(fā)生保護(hù)誤動。其中起關(guān)鍵作用的有2個環(huán)節(jié)，即信號品質(zhì)判斷環(huán)節(jié)與延時環(huán)節(jié)。

2.1 信號品質(zhì)判斷

眾所周知，熱電阻斷路是溫度高保護(hù)誤動作的主要原因。目前，普遍采用方法是通過溫度信號變化速率來判斷熱電阻是否斷路，DCS（分散控制系統(tǒng)）也提供了相應(yīng)的控制模塊。如果溫度變化速率在允許范圍內(nèi)，該溫度信號就是可信的，但也有可能導(dǎo)致保護(hù)拒動。

通過分析，發(fā)現(xiàn)DCS控制的保護(hù)系統(tǒng)每100 ms計算1次，也就是說，其中的溫度變化速率判斷模塊也是每100 ms計算1次，這就是保護(hù)拒動根本原因所在。如果定義溫度變化率為5℃/s，絕不等同于溫度變化率每100 ms為0.5℃，而且，計算的時間周期越短，差異就越大。因為，任何溫度信號都存在諧波干擾信號，只是一般情況下影響較小而已；在設(shè)備工作不正常時，如存在嚴(yán)重摩擦，往往會產(chǎn)生較嚴(yán)重的諧波干擾信號。這些信號頻率高，沖擊強，完全有可能瞬時達(dá)到甚至超過0.5℃的幅值，而一旦信號變化速率判斷模塊檢測其為干擾信號，就會立刻禁止保護(hù)輸出，保護(hù)拒動也就產(chǎn)生了。

所以，只有嚴(yán)格按照按定義去編制的信號速率變化判斷程序，才能正確發(fā)揮其既防誤動又防拒動的功能。

2.2 延時環(huán)節(jié)

圖2 傳統(tǒng)熱工保護(hù)邏輯設(shè)計示意

除轉(zhuǎn)速、振動外，絕大多數(shù)熱工信號是慢變信號，而干擾信號一般是快速變化信號，可以通過增加延時環(huán)節(jié)來消除干擾。即如果干擾信號持續(xù)時間為1 s，那么設(shè)定2 s的延時，該干擾信號就可以有效地被過濾掉。

有部份調(diào)試人員在保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試過程中，只會機械刻板地按照工藝要求去編制控制程序，不知道如何應(yīng)用延時環(huán)節(jié)。如某2×300MW機組，一年內(nèi)發(fā)生大大小小的保護(hù)誤動10多起。令人十分驚訝的是，大多數(shù)保護(hù)系統(tǒng)中的延時環(huán)節(jié)被遺忘了。當(dāng)然，這是從抗干擾角度考慮問題，具體設(shè)定多少延時時間，還必須滿足不影響設(shè)備安全運行的要求。

2.3 閘閥行程開關(guān)動作信號與狀態(tài)信號

還有一點為大多數(shù)人所忽略，就是在控制程序中，將行程開關(guān)動作信號等同于閥門狀態(tài)信號，釀成了較為嚴(yán)重的后果。

某發(fā)電廠由于電磁場信號干擾，DCS控制系統(tǒng)接收到開式循環(huán)水泵出口閥關(guān)閉行程開關(guān)動作信號（實際未關(guān)閉），導(dǎo)致開式循環(huán)水泵跳閘。而后實施了如圖3所示的改進(jìn)措施，取得了明顯成效。

圖3 防閥門關(guān)狀態(tài)信號誤發(fā)的邏輯改進(jìn)

盡管處理好了這次事故，有的熱工人員還是將行程開關(guān)動作信號等同于閥門狀態(tài)信號。但二者絕不是一回事，如表2所示。

表2 閘閥行程開關(guān)動作與狀態(tài)信號之間的關(guān)系

由于接收行程開關(guān)動作信號的輸入端名稱與發(fā)送閥門狀態(tài)信號的輸出端名稱一般是相同的，易相混淆，這是導(dǎo)致誤將行程開關(guān)信號等同于閥門狀態(tài)的主要原因。

為了預(yù)防意外干擾事故發(fā)生，有必要嚴(yán)格區(qū)分行程開關(guān)動作信號與閥門狀態(tài)信號，并對相應(yīng)聯(lián)鎖保護(hù)控制程序進(jìn)行改進(jìn)。

3 保護(hù)投/切邏輯的設(shè)計

投/切邏輯目前一般都可以由計算機維護(hù)人員通過預(yù)設(shè)窗口進(jìn)行維護(hù)，但絕大數(shù)發(fā)電廠的熱工人員還必須深入保護(hù)程序內(nèi)部去強制信號，或去拆線。由此引起的直接或間接的保護(hù)誤動層出不窮。為此設(shè)計了保護(hù)投/切邏輯，見圖4。

圖4 保護(hù)投/切邏輯示意

該設(shè)計具備以下4個優(yōu)點。

（1）熱工人員專用。一般情況下，過程畫面文件夾中的文件只有在工程師站上才可以打開運行或維護(hù)。如果與圖4所示對應(yīng)的保護(hù)投/切過程畫面只存放在過程畫面文件夾中，而不鏈接到主過程畫面，那么該設(shè)計就成了熱工專用保護(hù)系統(tǒng)投/切機制。

對于那些在操作員站上可以打開過程文件夾的DCS系統(tǒng)，通常是在過程畫面上作明顯的標(biāo)記（如熱工專用），并由專人負(fù)責(zé)，以免下載到操作員站上去；或刪除保護(hù)投/切過程畫面，保留原程序。當(dāng)然，明確要求操作員不具有打開工程師站的權(quán)力，也是比較合適的。

（2）操作簡單、可靠。即使操作失誤也不會立即引起嚴(yán)重后果，而且可以立刻被運行人員發(fā)現(xiàn)。

該邏輯設(shè)計了自鎖功能，非?？煽?，即當(dāng)滿足保護(hù)動作條件時，禁止保護(hù)投入，避免誤動；另一方面，還向運行人員提供保護(hù)運行狀態(tài)。運行及管理人員可隨時了解整臺機組所有保護(hù)的運行情況，增加了設(shè)備運行的安全性，也增加了運行人員對投/切保護(hù)的監(jiān)控功能。

（3）提示“是否允許保護(hù)投入”。即使帶自鎖功能投/切的設(shè)計，熱工人員也需要及時了解保護(hù)投入失敗的原因，便于及時處理問題。

另外，對那些通過硬手操方式實現(xiàn)投/切保護(hù)的系統(tǒng)，尤其是ETS（汽輪機跳閘保護(hù)系統(tǒng)），更需要“是否允許保護(hù)投入”的信息提示。如某發(fā)電廠，在機組啟動過程中，熱工人員在電子間投入凝汽器真空低ETS保護(hù)，機組跳閘。事后查明凝汽器真空壓力低壓力控制的二次門未打開。現(xiàn)代機組的熱工保護(hù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)意義上的范疇。熱工保護(hù)設(shè)計采用投/切硬手操，是值得肯定的做法。但是，如果不提示“是否允許投運”，風(fēng)險就會成倍增加。

（4）提供保護(hù)運行狀態(tài)。把熱工保護(hù)的投/退操作由熱工人員全權(quán)負(fù)責(zé)，恢復(fù)成原來的由熱工與運行人員共同負(fù)責(zé)。運行人員對熱工保護(hù)的投入必須負(fù)有監(jiān)督責(zé)任，這樣大大增強了機組運行的安全性。

4 加強熱工電纜與電源的維護(hù)管理

4.1 熱工電纜的維護(hù)

有很多因素影響熱工電纜正常工作，諸如踩踏變形、緊貼熱源、進(jìn)線孔洞敞開、電纜承重等，這些狀況極大地增加了信號電纜絕緣、屏蔽被破壞的幾率，通常的解決辦法是“穿”軟金屬保護(hù)管或鋼管、“走”架空橋架、遠(yuǎn)離熱源等。

為了給熱工電纜“穿”上軟金屬保護(hù)管，有些施工人員把熱工電纜的絕緣層、屏蔽層、保護(hù)層切除得干干凈凈，在軟金屬保護(hù)管內(nèi)是毫無保護(hù)措施的熱工信號線。更為嚴(yán)重的是，鋒利的軟金屬保護(hù)管裂口，在振動中不斷切割著已經(jīng)老化變色的熱工信號線，短路故障隨時可能發(fā)生。電纜絕緣保護(hù)層的割斷區(qū)域越大，信號線被劃傷的可能性就越大。

因此，應(yīng)使熱工電纜的絕緣層、屏蔽層等保存完好，只有在進(jìn)入到熱工設(shè)備內(nèi)部后，其絕緣層才能被切去必要一小段，進(jìn)線孔洞密封嚴(yán)密，可防塵防水。另外，還可以采取一些補救措施，如“穿”玻璃纖維管或熱縮管、裹絕緣膠帶、密封穿線孔、更換軟金屬保護(hù)管等。

4.2 熱工電源維護(hù)

云南某發(fā)電廠DCS（分散控制系統(tǒng)）一機柜的電源模塊損壞，控制失靈，機組跳閘，事后檢查電源模塊表面溫度異常；吉林某發(fā)電廠在機組正常運行過程中，供熱系統(tǒng)DCS一機柜內(nèi)發(fā)生了一側(cè)24 V DC損壞、另一側(cè)48 V DC損壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致供熱控制系統(tǒng)可以正常顯示卻無法操作。事后檢查發(fā)現(xiàn)，DCS電源切換試驗記錄非常完整。正是由于工作人員過分相信定性的電源切換試驗，而錯過了發(fā)現(xiàn)處于危險邊緣的供電模塊的機會。

以前，熱工專業(yè)在每次大小修停機時都必須檢查并記錄所有電源模塊單獨帶負(fù)載時的電壓。通過對大量的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，很快就可以發(fā)現(xiàn)異常的電源模塊。因此，只要恢復(fù)該傳統(tǒng)做法，電源故障在萌芽階段就可以被控制。

火檢電源系統(tǒng)還存在另一種問題，即所有火檢探頭接在同一個的電源上，卻不配過流保護(hù)裝置。這就導(dǎo)致只要其中1支火檢短路，整個火檢電源系統(tǒng)就會跳閘，甚至導(dǎo)致爐膛滅火保護(hù)動作。這種事故在貴州某發(fā)電廠就真切地上演過一幕。

5 結(jié)語

總結(jié)了在熱工技術(shù)監(jiān)督中發(fā)現(xiàn)的一些問題，這些都和熱工保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、運行和維護(hù)管理有關(guān)，只有深入地分析出現(xiàn)的故障，提出相應(yīng)的整改措施，才能使熱工保護(hù)系統(tǒng)的可靠性不斷提高，以保證發(fā)電機組安全穩(wěn)定地運行。

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