蘇 燁,丁俊宏,丁 寧,,張江豐,孫堅棟
(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院,杭州 310014;2.杭州意能電力技術(shù)有限公司,杭州 310012)
自改革開放以來,我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展,取得了巨大成就,但經(jīng)濟增長帶來了能源短缺、環(huán)境污染等問題。為此,國務院在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020 年)》和《十三個五年規(guī)劃綱要》中提出了實現(xiàn)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標,要求大力發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電和清潔能源發(fā)電技術(shù)[1]。燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組是一種清潔高效的發(fā)電設備,在所有熱機中熱能利用效率最高,污染物排放遠低于燃煤機組[2-3]。自2006 年起,我國新建了大量燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組,尤其是2011—2015 年裝機容量由2 642萬kW 激增至6 637萬kW,5年內(nèi)增長150%,實現(xiàn)了跨越式發(fā)展[1]。
近年來,隨著“節(jié)能減排”政策深入貫徹落實,國家大力發(fā)展和利用清潔能源,但風、光等可再生能源存在間歇性、隨機性、波動大等缺點,大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)安全運行造成嚴重影響。燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組具有開機靈活、調(diào)峰性能好、可靠性高等優(yōu)點,逐漸成為電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的主力機組,但是對燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組可靠性、調(diào)峰特性等方面的要求也越來越高[4-5]。
熱控系統(tǒng)是發(fā)電機組控制的核心之一,它的可靠性是確保發(fā)電機組安全穩(wěn)定以及經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)[6]。當熱控系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,可能引發(fā)機組跳閘事件,嚴重的故障甚至可能會擴大跳閘事件后果,造成巨大損失。近年來,各大發(fā)電集團日益重視熱控系統(tǒng)的可靠性,熱控系統(tǒng)故障和非停事件逐年降低,但受發(fā)電行業(yè)發(fā)展趨勢的影響,火電機組需要承擔更多的調(diào)峰調(diào)頻任務,熱控系統(tǒng)的可靠性對機組安全運行更為重要,特別是對于特高壓受端電網(wǎng),發(fā)電企業(yè)已進入“弱開機、低負荷、強備用、長調(diào)?!钡男鲁B(tài)。燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組通常采取日開夜停的調(diào)峰模式,因此燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組對熱控系統(tǒng)的可靠性要求更高。導致熱控系統(tǒng)故障的原因各種各樣,但歸納起來無外乎2 類:一類是人為因素,主要是因熱控或運行人員的專業(yè)技術(shù)素養(yǎng)不高、安全意識薄弱、工作不嚴謹或安全措施不到位造成的;另一類是熱控設備故障,包括設備本身質(zhì)量問題,也包括安裝維護管理不當?shù)取?/p>
關(guān)于燃氣輪機典型故障分析及預控措施方面的研究有很多。國外文獻偏重于研究燃氣輪機設備故障分析,如文獻[7]通過金屬切片和金相分析,確定了某燃氣輪機機組葉片故障原因,提出材料性能改進建議;文獻[8]基于光譜測量和電子顯微鏡掃描,分析了某燃氣輪機噴嘴失效原因。國內(nèi)文獻有很多關(guān)于熱控系統(tǒng)故障的分析和建議,如文獻[9]針對M701F4 單軸燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組,研究了由于汽輪機功率折算函數(shù)設置錯誤及蒸汽參數(shù)異常導致的機組運行異常及解決方法;文獻[10]針對GE MARK VI 燃機控制系統(tǒng)和OVATION DCS(分散控制系統(tǒng))系統(tǒng)之間的通信異常,分析了故障原因,并給出了解決方法;文獻[11]分析了某燃機燃氣泄漏試驗失敗、輔助關(guān)斷閥故障、清吹故障的原因,介紹了處理過程,提出了解決措施。
通過對熱控系統(tǒng)典型故障案例統(tǒng)計分析,及早發(fā)現(xiàn)設備缺陷和隱患,并有效加以預控是熱控專業(yè)工作的一項艱巨任務和追求[12]。目前,關(guān)于燃氣輪機熱控系統(tǒng)典型故障案例方面的研究比較分散,缺乏全面的故障統(tǒng)計分析及預控措施探討。本文統(tǒng)計分析了全國近百起燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組熱控系統(tǒng)故障引起的機組跳閘典型案例,分類探討了相應預控措施,對提升熱控系統(tǒng)可靠性、提高燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組的安全運行具有重要意義。
近年來,中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會在全國范圍內(nèi)收集了95 起因熱控系統(tǒng)故障引起的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組異常的典型案例。按故障原因?qū)@些案例進行分類,結(jié)果如圖1 所示,其中,就地設備故障排在第一位,運行檢修維護排在第二位,其后是系統(tǒng)軟硬件故障。
圖1 熱控系統(tǒng)故障分類
在典型的就地設備故障中,除了突發(fā)性故障,對于線纜故障、儀表管路故障等,如果維護檢查得當,則可以有效地預控。如圖2 所示,對這39 起就地設備故障進一步細分可知,測量表計故障是影響機組安全運行的最主要原因,其次是部件異常故障隱患。
圖2 就地設備異常故障分類
(1)14 起測量表計故障分類見表1。
(2)9 起設備系統(tǒng)熱控相關(guān)部件異常故障分類見表2。
(3)5 起線纜故障分類見表3。
(4)5 起儀表管路故障分類見表4。
表1 測量表計故障分類
表2 部件異常故障分類
表3 線纜故障分類
表4 管路故障分類
(5)4 起執(zhí)行機構(gòu)故障原因有IGV(進氣導片)油動機傳動機構(gòu)松動、電磁閥故障、IBH(進氣加熱系統(tǒng))氣動執(zhí)行器故障、汽包水位調(diào)節(jié)閥故障等。
(6)2 起取樣裝置故障主要是由取樣裝置的傳感器故障引起的。
如圖3 所示,對27 起運行檢修維護引起的典型故障進行細分。由圖3 可知,在維護消缺過程中因操作失誤、隔離不到位以及工作不規(guī)范等原因引起的故障排在第一位,其次是運行操作不當原因所致,第三是安裝過程存在隱患。
圖3 運行檢修維護異常故障分類
(1)11 起檢修維護消缺失誤引起的故障分類見表5。
(2)7 起安裝不當引起的故障分類見表6。
表5 檢修維護消缺失誤引起故障分類
表6 安裝不當引起故障分類
(3)9 起運行操作不當引起故障的原因有:運行操作不當、誤操作主蒸汽隔離閥導致汽機跳閘1 次,系統(tǒng)投運操作不當引起機組調(diào)整8 次。其中大部分屬于系統(tǒng)投運不當或不滿足運行要求引起的故障。
在這27 起故障中,主要是由于各類技術(shù)人員責任心不強,運行人員操作水平不高,以及定期分析、及時處理缺陷不當造成的,進一步加強這方面管理則可以避免此類故障的發(fā)生。
如圖4 所示,對收集統(tǒng)計的20 起控制系統(tǒng)軟硬件故障進行細分。由圖4 可知,影響控制系統(tǒng)安全運行的主要原因是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信故障,其次是設計配置和模塊故障。
圖4 控制系統(tǒng)軟硬件故障分類
(1)8 起網(wǎng)絡通信故障分類見表7。
(2)6 起組態(tài)設計配置不當引起的故障分類見表8,主要是燃氣輪機控制組態(tài)邏輯設計不完善引起的。
表7 網(wǎng)絡通信故障分類
表8 設計配置不當故障分類
(3)4 起模件故障的主要原因是I/O 卡件或控制板卡和卡件故障。
(4)2 起控制器故障的原因是控制柜內(nèi)溫度高控制器故障及控制器切換故障。
在20 起硬件和軟件故障中,硬件突發(fā)性故障防范手段有限,其他9 起故障,則可以通過加強組態(tài)檢查驗收、試驗驗證和維護嚴格把關(guān)等措施有效避免。
表9 電源系統(tǒng)故障分類
6 起電源系統(tǒng)故障分類見表9。
(1)2 起檢修維護不當引起電源故障的原因為:測點分配不均致使燃機控制系統(tǒng)電源和控制器可靠性降低,交換機散熱不好引起燃氣輪機發(fā)電設備變頻啟動LCI(靜態(tài)啟動)系統(tǒng)監(jiān)控畫面變黑無畫面。
(2)1 起設計配置不合理故障的原因為:高溫、潮濕、振動引起燃機就地設備發(fā)生DC 125 V 接地故障。
(3)3 起電源裝置故障的原因為:汽輪機DEH(數(shù)字電液控制系統(tǒng))控制器電源燒壞導致機組跳閘、高旁控制柜電源故障導致燃機跳閘、燃機控制系統(tǒng)DC 5 V 母線供電柱接觸不良引起控制電源故障。
在這6 起電源故障中,除了2 起電源裝置本體突發(fā)性故障外,其余4 起故障(如維護不當、配置不合理等)如果仔細把關(guān)和檢查是可以避免的。
由于燃氣輪機機組控制的精密性和可靠性要求較高,因此機組的抗干擾能力較強,發(fā)生干擾故障事件較少,從故障案例來看,主要原因包括卡件多次遭到雷擊損壞、保護信號干擾、接線松動絕緣不良等。
通過對95 起燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組熱控系統(tǒng)典型故障案例分析可見,由于燃氣輪機控制精密性比燃煤火力發(fā)電機組高,因此燃氣輪機控制系統(tǒng)的就地熱控設備故障將直接影響燃氣輪機的安全穩(wěn)定運行,影響占比高于燃煤機組。除了提高就地熱控設備的可靠性外,還應該提高控制系統(tǒng)軟硬件配置、規(guī)范檢修試驗、加強維護巡檢和現(xiàn)場監(jiān)護以及提高工作人員的專業(yè)素質(zhì)和責任心,做好DCS 日常運行管理,定期統(tǒng)計和分析DCS系統(tǒng)運行情況和存在問題,特別是DCS 運行年限較長的機組,應掌握各種模件的失效機理和模式[13]。在統(tǒng)計和分析存在問題的同時,還應開展各系統(tǒng)的設備評估,不斷提高熱控系統(tǒng)的可靠性,進而確保機組的可靠運行。
電源設備故障原因主要有設計配置不合理、電源維護不當以及電源裝置故障等。設計配置故障主要表現(xiàn)在幾個設備的控制電源均來自同一電源柜或同一段MCC(電機控制中心),失電后幾個設備同時跳閘,造成機組誤動。有的設備由于維護不當,接線端子長時間運行之后形成過熱氧化層,造成接觸不良,備用電源切換時間過長,引起設備誤動。DCS 系統(tǒng)控制器電源不穩(wěn),造成設備狀態(tài)發(fā)生變化,引起誤動[14]。
對于以上各種電源故障,主要問題有電源未實現(xiàn)獨立冗余或分散配置、設備老化、電源切換時間不滿足要求且未定期試驗驗證等。為了減少電源故障,可采取以下預控措施。
(1)控制系統(tǒng)必須由可靠的兩路及以上的獨立電源供電,且切換裝置可靠,切換時間滿足標準和控制實際需要,同時應設立獨立于自身的電源報警裝置。
(2)機柜兩路電源及切換/轉(zhuǎn)換后的各重要裝置與子系統(tǒng)的冗余電源均應進行監(jiān)視,發(fā)生任一路總電源故障、電壓超限、兩路電源之間電壓偏差大、電源機柜風扇故障、電源模塊超溫和冗余電源失去等異常時,控制室內(nèi)電源故障聲光報警信號應正確顯示和報警。
(3)電源柜和控制柜應有良好的降溫措施和溫度報警,所有熱控電源必須專用,不得用于其他用途。
(4)必須規(guī)范熱控電源的日常巡視制度,完善不同電源中斷后的恢復過程和更換電源模塊的相關(guān)操作步驟與安全措施,規(guī)范熱控交、直流柜和控制系統(tǒng)電源的切換試驗。
目前,DCS 和燃氣輪機TCS(透平控制系統(tǒng))控制已成為燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組控制系統(tǒng)的主要方式,高度自動化帶來了高控制精度,也帶來了一定安全風險,一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,常常會導致主要輔機和機組非停,如果后續(xù)處理不當,還可能導致事故擴大。
DCS 和TCS 控制系統(tǒng)的主要問題表現(xiàn)在電源、控制器、硬件卡件、通信、人員操作不當或誤操作等方面,因此要求日常做好DCS 和TCS的維護和檢修工作。
DL/T 261《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)導則》以及即將頒布實施的《燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱工自動化系統(tǒng)檢修運行規(guī)程》對各系統(tǒng)檢查評估項目內(nèi)容有詳細要求,可參考執(zhí)行。此外,加強對DCS 和TCS 的管理是預防事故的重要方法之一,如控制系統(tǒng)定期檢查、定期維護、定期試驗等。由典型案例分析可以看出,有許多故障是由于人員強制保護、邏輯修改、邏輯檢查驗收等人為責任造成的,需要在工作中加強管理,提高人員技能水平和責任意識,確??刂葡到y(tǒng)安全運行[15-17]。
控制系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)在硬件和軟件兩方面。硬件故障方面,主要有通信故障、控制器之間切換故障等。硬件故障原因與控制系統(tǒng)運行年限、環(huán)境條件、日常維護檢查有關(guān)。統(tǒng)計故障中既有交換機異常造成通信中斷,如控制器通信模件內(nèi)部異常,造成通信中斷,機組跳閘;也有主輔控制器切換過程中誤發(fā)信號造成機組停機。這一類故障發(fā)生的偶然性大,大多源于硬件本身原因,預防和控制有一定難度。軟件故障問題則更難控制,如系統(tǒng)升級后,軟硬件版本存在浮點型匹配問題,造成軟件邏輯運算錯誤。還有一類問題是邏輯和畫面操作設計考慮不周全或錯誤,在一定條件下,誤發(fā)信號造成機組停機。如案例中的交換機故障、通信卡件和I/O 模件故障、燃機TCS 控制邏輯中FSR 復位邏輯不合理、調(diào)壓站壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)切自動邏輯設計不合理、燃機防喘放氣閥控制回路邏輯設計不合理、燃機燃燒監(jiān)測保護設計缺陷等。這類問題是可以預防的,要加強邏輯設計論證,修改后要進行必要的回路功能模擬測試。對于控制系統(tǒng)軟硬件故障,可采取以下預控措施。
(1)由于燃氣輪機控制系統(tǒng)的特殊性,DCS 和TCS 可能為不同廠家的系統(tǒng),當DCS 與TCS 為不同系統(tǒng)時,DCS 監(jiān)控畫面上應實現(xiàn)燃氣輪機關(guān)鍵參數(shù)和系統(tǒng)的監(jiān)視功能,運行操作臺上應配備有防誤動措施的燃氣輪機緊急停等保護按鈕,以防TCS 系統(tǒng)出現(xiàn)異常時燃氣輪機失去控制和監(jiān)視。
(2)確保DCS 和TCS 工作的環(huán)境條件滿足正常生產(chǎn)需求。
(3)完善重要設備和信號全程冗余功能和配置。
(4)完善控制系統(tǒng)邏輯設計和保護的可靠性。
(5)做好DCS 和TCS 的日常運行維護管理工作,加強日常巡視和管理。
(6)加強DCS 和TCS 的檢修管理,做好預控措施和風險評估,規(guī)范檢修工藝及流程。
熱控系統(tǒng)就地設備種類多、數(shù)量大,發(fā)生故障幾率高,加之燃氣輪機控制系統(tǒng)的特殊性,就地設備異常很容易造成機組停運。通過案例分析可以得知,就地設備故障具有偶然性和不可預見性,故障原因往往與違反“反措要求”、不正確設計和配置有關(guān)。相關(guān)規(guī)程對就地設備安裝、配備、電纜敷設的要求等都有詳細規(guī)定,關(guān)鍵是在工作中落實。
就地設備主要故障有閥門與執(zhí)行器故障、管路與伴熱故障、電纜故障等。一般情況下,就地設備故障不會直接影響機組安全運行,但是容易與邏輯設計、熱力系統(tǒng)設計不當?shù)纫蛩毓餐饔迷斐蓹C組非停。執(zhí)行器故障的普遍原因是設備老化、檢查維護不及時、缺少定期測試;電纜故障原因主要是電纜敷設不合理和電纜本身質(zhì)量不合格、接線松動、防護措施不到位等。針對該類故障可采取以下預控措施:
(1)當開關(guān)儀表信號直接接入熱控保護系統(tǒng)繼電器跳閘回路時,應采取三重冗余配置且定期進行試驗;對于死區(qū)和磁滯區(qū)大等不可靠的開關(guān)儀表信號,不允許用于保護連鎖。
(2)受自身質(zhì)量和工作環(huán)境影響,燃氣輪機部分區(qū)域溫度較高閥門、擋板狀態(tài)的行程開關(guān)容易誤發(fā)信號,是保護系統(tǒng)中可靠性較差的裝置之一,應采用良好可靠的發(fā)訊裝置或良好的輔助判斷措施來防止拒動或誤動。
(3)應設置開關(guān)量信號查詢電壓異常報警,當查詢電壓低于允許值或失去時,立即對異常電源進行報警,并采取相應的防誤動措施。
(4)有故障安全要求的電磁閥,應盡量采用雙線圈電磁閥。
(5)燃料控制閥、IGV 伺服閥以及主汽(再熱)控制閥LVDT(線性位移差動傳感器)應采用冗余配置,其供電電源應取自不同的伺服模件。
(6)對于燃氣輪機控制系統(tǒng)特有的系統(tǒng)或裝置(進排氣系統(tǒng)、通風冷卻系統(tǒng)、氣體燃料系統(tǒng)、危險氣體檢測裝置、清吹系統(tǒng)等)的設計和配置,應考慮系統(tǒng)冗余配置和可靠性,滿足熱工保護“杜絕拒動,防止誤動”的基本配置原則。
燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組的電纜和接線除了滿足煤機相關(guān)要求外,還有自己的特殊性要求,因此必須考慮:
(1)進入DCS 和TCS 的一些信號電纜,必須采用合格的阻燃屏蔽電纜。
(2)長期運行在高溫區(qū)域的電纜和補償導線應使用耐高溫特種電纜或耐高溫補償電纜。
(3)冗余設備的控制測量信號和電源電纜均須全程分電纜敷設,熱控系統(tǒng)的測量和電源信號嚴禁合用電纜。
(4)一次元件的接線應有防止高溫損壞電纜、振動摩擦導致斷線、接線松動的措施,特別是在燃氣輪機高溫和振動大的區(qū)域。
(5)需現(xiàn)場接線箱過渡連接時,保證電氣的連續(xù)性,屏蔽線也應通過接線箱端子進行可靠連接,同時在檢修期間需對接線的安全性、可靠性進行檢查。
人是運行、檢修維護的主體,業(yè)務水平往往與專業(yè)技術(shù)能力、工作狀態(tài)、思想意識等多方面有關(guān),防止人員誤操作有規(guī)程、制度、獎懲等多種手段,需要結(jié)合實際綜合運用??刂迫说牟话踩袨槭嵌沤^人為事故最根本的保證,在投運系統(tǒng)前需要對投運系統(tǒng)進行詳細檢查,分析系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足機組的安全運行要求。
發(fā)電自動化專業(yè)委員會每年收集的人為故障導致機組非?;虍惓0咐容^多,如氣源質(zhì)量不滿足要求造成機組停運,熱控人員對工作票程序和安全措施未執(zhí)行到位,沒有對工作內(nèi)容和操作進行詳細核實,未進行危險源辨識或辨識不詳細。管理方面存在的問題有:熱控專業(yè)管理不到位,工程師站等管理制度執(zhí)行不嚴格,檢修人員或邏輯修改人員在無監(jiān)護情況下單獨操作和修改等。這些問題與人員的技術(shù)能力和素質(zhì)、企業(yè)管理等因素有關(guān),只要加強認識和管理完全可以預防和控制相關(guān)故障的發(fā)生,具體預控建議如下:
(1)在投運系統(tǒng)前,需要對投運的系統(tǒng)進行詳細檢查并分析系統(tǒng)狀態(tài),確認是否滿足機組安全運行要求。
(2)按照要求嚴格執(zhí)行工作票、邏輯修改、參數(shù)修改審批制度。
(3)工程師站、TCS 電子室、DCS 電子室等重要場所應制定完善的管理制度。
(4)實行熱工邏輯修改、保護投撤、信號強制與解除強制信號的審批、監(jiān)護及記錄等制度。
(5)應建立有效的控制系統(tǒng)故障應急處理預案和措施,制定DCS 和TCS 故障時的處理措施與安全對策。
目前,DCS 和PLC(可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)在電廠生產(chǎn)過程中得到廣泛應用,各種就地設備安裝位置相對比較分散。有些安裝位置和環(huán)境比較惡劣,除高溫、潮濕、粉塵等環(huán)境外,甚至處于強電磁干擾環(huán)境。要提高控制系統(tǒng)可靠性,一方面必須要求制造廠提高設備抗干擾能力,另一方面應從設計、施工和維護入手,每個環(huán)節(jié)要足夠重視,增強系統(tǒng)抗干擾能力。干擾問題在生產(chǎn)現(xiàn)場普遍存在,發(fā)生問題后查找和處理有很大難度,在工作中要高度重視,認真對待。
在本文收集和分析的案例中,出現(xiàn)了多個由于干擾造成誤發(fā)信號的非停事件。這類故障主要是由于測量回路中線纜、模件抗干擾能力較弱,屏蔽接地系統(tǒng)存在隱患,容易受到外界因素干擾所造成的,例如卡件多次遭到雷擊損壞、保護信號干擾、接線松動絕緣不良等。建議采取以下措施減少系統(tǒng)干擾故障:
(1)易受雷電干擾的系統(tǒng)和區(qū)域,應和電氣專業(yè)配合,選擇合理的位置和設備來安裝防浪涌保護器。
(2)DCS 應具有可靠的接地措施,控制與測量信號電纜屏蔽層應保持良好可靠的接地,在檢修期間應對接地和屏蔽進行相應的可靠性檢查。
(3)易受干擾的測量元件、儀表、傳感器、區(qū)域(如IGV 角度測量傳感器、燃料控制閥區(qū)域)等處應貼有明顯警示標志,在離測量元件5 m 內(nèi)嚴禁使用對講機等干擾設備,嚴禁帶磁性的物體接近測量元件。
針對中國自動化學會發(fā)電自動化專業(yè)委員會近幾年來收集的燃機熱控系統(tǒng)典型故障案例,結(jié)合燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組特點,分析總結(jié)了燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組熱控系統(tǒng)故障原因。由于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組熱控系統(tǒng)關(guān)鍵設備的可靠性要求比燃煤機組更高,其故障不僅涉及到熱控系統(tǒng)的設計、安裝與調(diào)試、人員素質(zhì)以及運行檢修維護質(zhì)量,還與控制系統(tǒng)軟硬件和邏輯、就地設備可靠性等多個方面有關(guān)。在統(tǒng)計和分析各類故障的基礎(chǔ)上,探討并提出了提高燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組熱控系統(tǒng)可靠性的預控措施,以期提升燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組安全運行水平,減少機組跳閘事件的發(fā)生。