熱工保護系統(tǒng)常見故障及處理方法

孫立剛

[摘? ? 要]發(fā)電機組在啟停、運行期間，如果出現(xiàn)可能危及設(shè)備及人員的異常工況或突發(fā)故障，可由熱工保護系統(tǒng)對這些情況進行分析、判斷，并根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)指令做出實時預(yù)警或自動處理，從而最大程度上保障機組運行安全。文章首先介紹了熱工保護系統(tǒng)運行時常見的一些故障，如熱控元件故障、電源或接線故障等?；诠ぷ鹘?jīng)驗，分別從嚴(yán)選熱工設(shè)備、優(yōu)化保護邏輯、改善運行環(huán)境等方面，提出了一些實用性的故障預(yù)防和處理方法。最后結(jié)合實例，按照故障表現(xiàn)、原因分析、處理對策的基本流程，對振動信號突變、熱工電源故障導(dǎo)致的兩例機組跳閘情況進行了簡要分析。

[關(guān)鍵詞]熱工保護系統(tǒng);冗余設(shè)計;保護誤動;振動信號突變

[中圖分類號]TM74 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–00–03

[Abstract]During the start， stop， and operation of the generator set， if there are abnormal working conditions or sudden failures that may endanger the equipment and personnel， the thermal protection system can analyze and judge these conditions， and make real-time warnings based on the system preset instructions Or automatic processing， so as to ensure the safe operation of the unit to the greatest extent. This article first introduces some common faults in the operation of thermal protection systems， such as thermal control element faults， power supply or wiring faults， etc. Subsequently， based on work experience， some practical fault prevention and handling methods were proposed from the aspects of strict selection of thermal equipment， optimization of protection logic， and improvement of the operating environment. Finally， combined with examples， in accordance with the basic process of fault performance， cause analysis， and countermeasures， two cases of unit trips caused by sudden changes in vibration signals and thermal power supply failures are briefly analyzed.

[Keywords]thermal protection system; redundant design; protection malfunction; sudden change of vibration signal

現(xiàn)階段發(fā)電機組的熱工保護系統(tǒng)逐漸向自動化、信息化方向發(fā)展，預(yù)防性保護的應(yīng)用效果也得到了進一步凸顯。與此同時，熱工保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成也更加復(fù)雜化，一旦自身發(fā)生故障很有可能出現(xiàn)誤動、拒動的現(xiàn)象，進而影響到發(fā)電機組的運行安全。因此，除了做好日常的檢修、維護外，技術(shù)人員還應(yīng)對熱工保護系統(tǒng)常見故障的外在表現(xiàn)、內(nèi)部原因，以及相應(yīng)的處理措施等做到了如指掌。這樣才能在故障發(fā)生后第一時間予以處理，使熱工保護系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常，達到保護機組運行安全的效果。

1 熱工保護系統(tǒng)常見故障

1.1 控制系統(tǒng)硬件故障

熱工保護系統(tǒng)中包含了種類多樣的熱工元件，這些硬件設(shè)備相互之間以線路相連，如果某個硬件出現(xiàn)故障，很有可能對相連的其他硬件設(shè)備產(chǎn)生連鎖影響。隨著使用時間的增加，設(shè)備因老化、磨損引起的故障頻率也會不斷增加。如果因為自身故障問題發(fā)出錯誤信號，也會導(dǎo)致熱工保護系統(tǒng)作出錯誤判斷，進而出現(xiàn)誤動或拒動情況。

1.2 電源或接線故障

電源插件設(shè)計不合理，或者因為污染、磨損等原因，導(dǎo)致接觸不良都會引發(fā)熱工保護系統(tǒng)的電源故障，在機組出現(xiàn)異常工況時因為拒動而無法正常發(fā)揮保護功能，嚴(yán)重影響機組的運行安全。此外，電纜接線不合理，或者是電線的絕緣層因為高溫、老化等原因出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致絕緣失效，也有可能因為潮濕、生銹，出現(xiàn)短路或發(fā)熱等情況，造成熱工保護系統(tǒng)的誤動。

1.3 其他故障

除了上述常見故障外，人為因素也是導(dǎo)致熱工保護系統(tǒng)發(fā)生異常運行和故障問題的一項重要原因。在熱工保護系統(tǒng)的設(shè)計、安裝，以及后期運行維護等環(huán)節(jié)，都需要由相關(guān)人員進行操作。如果經(jīng)驗不夠豐富、技能不夠扎實，很有可能因為設(shè)計不當(dāng)、安裝失誤，導(dǎo)致熱工保護系統(tǒng)的功能難以順利實現(xiàn)，運行時也有較大概率發(fā)生故障。例如，機組ETS保護系統(tǒng)的I/O模塊的電源部分，采用雙路冗余設(shè)計以保障其運行安全。但是設(shè)計或安裝時將雙路電源并聯(lián)，就會導(dǎo)致ETS無故障跳閘。

2 熱工保護系統(tǒng)常見故障的預(yù)防和處理方法

2.1 嚴(yán)格選擇控制系統(tǒng)與熱工設(shè)備

熱工保護系統(tǒng)的組成復(fù)雜，各類設(shè)備如果本身存在質(zhì)量缺陷，或者安裝不當(dāng)、無法兼容，都是系統(tǒng)運行時發(fā)生故障的主要原因。鑒于此，在熱工保護系統(tǒng)的安裝階段，要對各類組件的質(zhì)量進行嚴(yán)格把關(guān)，并且核對其型號、規(guī)格等是否符合安裝標(biāo)準(zhǔn)。此外，還可以針對該系統(tǒng)中的核心設(shè)備（如CPU、交換機等），采取多重布置的方式提高其容錯率。而那些由PLC發(fā)出的重要指令，或前端反饋的故障信號，則使用SOE卡件分別接入，有助于進一步提高對指令或信號的判斷效率，也是確保熱工保護系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮各項功能的關(guān)鍵措施。另外，對于熱工設(shè)備，應(yīng)定期開展維護，對達到設(shè)計壽命的盡快更換，降低安全隱患。

2.2 優(yōu)化保護邏輯，采用冗余設(shè)計

保護邏輯是熱工保護系統(tǒng)執(zhí)行保護動作時的主要依據(jù)，針對現(xiàn)行熱工控制系統(tǒng)的運行原理，可從以下兩方面進行邏輯優(yōu)化：①面向一些重要的保護信號，例如定子溫度過熱保護信號、汽包液位超限信號等，從原來的單一保護判定條件，調(diào)整為“六取二”或“三取二”的邏輯組態(tài)，從而有效防止因為某個設(shè)備出現(xiàn)故障，進而導(dǎo)致整個熱工保護系統(tǒng)完全停止的情況。②引進溫度保護速率限制功能。若某一監(jiān)測點出現(xiàn)溫度突然升高，并且溫升速率超過了20 ℃/s，則判斷為信號故障，此時執(zhí)行閉鎖動作，同時發(fā)出預(yù)警提醒技術(shù)人員，降低熱工保護系統(tǒng)誤動、拒動的概率。

2.3 改善運行環(huán)境，做好工作記錄

熱工保護系統(tǒng)中包含繼電器、電磁閥等若干電氣設(shè)備，如果長時間處于潮濕、高溫、振動等惡劣環(huán)境下，將會加速設(shè)備的老化，增加故障的發(fā)生率。因此。在熱工保護系統(tǒng)的日常維護中，應(yīng)注意優(yōu)化該系統(tǒng)的運行環(huán)境，延長設(shè)備壽命，減少故障的發(fā)生。設(shè)置儀表柜，將各類儀表、儀器統(tǒng)一布置在儀表柜內(nèi)，并采用防水、防潮、放灰措施。做好設(shè)備運行工況記錄，在數(shù)據(jù)庫中劃分出專門的單元，用于存儲熱控設(shè)備日常運行產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)跟蹤，掌握每個時間段的運行工況，這就為故障的分析與處理提供了數(shù)據(jù)參考。

2.4 堅持規(guī)范作業(yè)，提高操作水平

現(xiàn)階段大型機組中使用的熱工保護系統(tǒng)，雖然有著較高的自動化程度，但是發(fā)生運行故障，特別是硬件部分出現(xiàn)損壞后，還是依賴于經(jīng)驗豐富、技能扎實的維修人員進行處理。因此，發(fā)電廠培育一支業(yè)務(wù)能力過硬、職業(yè)素養(yǎng)優(yōu)良的熱控維修隊伍十分必要。一方面，要制定并執(zhí)行熱工保護系統(tǒng)常規(guī)操作的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、制度規(guī)范，并且通過開展學(xué)習(xí)、培訓(xùn)，保證相關(guān)人員能夠在熱工保護系統(tǒng)的日常檢修、維護中做到規(guī)范作業(yè)，杜絕因為個人誤操作而引發(fā)的系統(tǒng)故障。另一方面，還要注意經(jīng)驗交流，定期開展業(yè)務(wù)教育，不斷提高操作水平，保證對各類故障作出靈活處理。

3 熱工保護系統(tǒng)典型故障分析

熱工保護系統(tǒng)發(fā)生故障將會失去對機組的工況監(jiān)測和自動保護功能，因此對于該系統(tǒng)出現(xiàn)的各類故障，必須在最短時間內(nèi)完成處理。在處理流程上，首先要根據(jù)故障發(fā)生后熱工保護系統(tǒng)的外在表現(xiàn)鎖定故障位置，然后進一步查明問題原因，在此基礎(chǔ)上利用技術(shù)、經(jīng)驗予以解決?，F(xiàn)以發(fā)電機組運行中比較典型的2例故障為例展開分析。

3.1 振動信號突變導(dǎo)致的機組跳閘故障

3.1.1 故障表現(xiàn)

軸振保護是汽輪機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是一些使用年限較長的汽輪機，由于轉(zhuǎn)子磨損嚴(yán)重、軸瓦油膜失效等原因，導(dǎo)致軸振保護系統(tǒng)發(fā)生故障，而TSI（安全監(jiān)視系統(tǒng)）監(jiān)測到這一故障后，會啟動跳閘保護，使得汽輪機強制停機。某發(fā)電廠投入使用的1臺300 MW機組，包含8個軸承。其中1#～4#軸承安裝軸振傳感器，5#～8#軸承安裝瓦振傳感器。其中瓦振只用于監(jiān)視報警，而軸振超出閾值后引起跳閘、停機。某日，該機組2#軸承的y向振動值在2 s時間內(nèi)從0.05 mm激增到0.41 mm，因為超出了安全閾值（0.25 mm）引起跳閘。

3.1.2 原因分析

在機組跳閘后，調(diào)查機組運行歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)除了2#軸承的y向振動值激增外，2#軸承的x向振動值，以及瓦軸溫度、潤滑油壓力等都處于正常情況。繼續(xù)檢查2#軸承的電纜，發(fā)現(xiàn)在接頭處有絕緣破損情況，并且在軸承蓋處檢測到軸封漏氣情況。使用紅外測溫設(shè)備，測得該處溫度為128 ℃，超出正常溫度18 ℃。結(jié)合上述故障表現(xiàn)，分析故障原因有：①軸封材料老化導(dǎo)致密封不嚴(yán)、發(fā)生漏氣。而外界凝結(jié)水進入后導(dǎo)致接觸不良，引起軸振值突變;②軸封漏氣導(dǎo)致溫度異常升高，而高溫加速了探頭老化，導(dǎo)致輸出信號突變。

3.1.3 處理措施

在剖析故障成因后，技術(shù)人員采取了針對性的處理措施：

①改良設(shè)備運行環(huán)境。將老化的軸封拆除，并重新使用耐高溫、耐腐蝕的軸封。在軸封外側(cè)加裝防護板，起到隔熱作用，防止軸封過熱老化。對于1#、3#～8#未出現(xiàn)故障的探頭，也采取了預(yù)防性保護措施，降低同類故障的發(fā)生率;②優(yōu)化單點保護邏輯。原來熱工保護系統(tǒng)的保護條件為：只要任意軸承任意方向上的實時振動值超過了安全閾值，即執(zhí)行保護程序。經(jīng)優(yōu)化處理后，判定條件為：當(dāng)任意軸承任意方向上的實時振動值超過了安全閾值，并且該軸承上的其他方向，或相鄰軸承上的相同方向上，振動值也超過了預(yù)警值，則觸發(fā)保護跳閘。若只滿足其中一項條件，則只報警，不跳閘。

3.2 熱工電源故障導(dǎo)致的保護誤動故障

3.2.1 故障表現(xiàn)

為保證系統(tǒng)出現(xiàn)局部故障時，其他部分仍然能夠維持正常運行，通常會用到冗余設(shè)計。汽輪機的ETS（跳閘保護系統(tǒng)）就采用了基于DCS和PLC的雙路冗余設(shè)計。在電路設(shè)計中，要求電壓源不得直接并聯(lián)。如果在冗余電源設(shè)計方面存在缺陷，就會引起保護誤動故障。某發(fā)電廠的3#機組用s7-300型雙PLC作為冗余保護系統(tǒng)的控制終端，當(dāng)PLC收到跳閘信號后，AST（遮斷電磁閥）斷電打開，完成卸壓，此時機組進氣閥門關(guān)閉，機組跳閘。某日該機組在正常運行期間，ETS系統(tǒng)1#、3#的AST突然動作，隨后主汽門關(guān)閉，機組出現(xiàn)跳閘故障。

3.2.2 原因分析

第一步仍然是調(diào)查DCS系統(tǒng)在發(fā)生跳閘前的歷史信息，發(fā)現(xiàn)AST電磁閥的1#、3#處，在跳閘前有明顯的電壓波動。將電磁閥外殼拆開后，使用萬用表測量24 V雙路電源，顯示電壓為0。分析故障推測其原因是：電源設(shè)計方面存在缺陷。由于該系統(tǒng)采用了雙路冗余設(shè)計，將兩路24 V電源直接并聯(lián)，然后兩股輸出線合并為一股后，與下游的PLC串聯(lián)。在機組運行一段時間后，其中一路電源因為老化導(dǎo)致無法正常進行電壓輸出，同時由于電源模塊的內(nèi)阻趨近于0，另一股正常運行的電源模塊相當(dāng)于被短路，使得正常運行的AST電磁閥瞬間失電、常閉接點斷開。

3.2.3 處理措施

為了驗證上述原因分析結(jié)果的正確性，采取了以下處理措施：①將兩路電源中的24 V直流電源模塊替換下來，重新安裝帶有失電報警功能的24 V高選電源模塊。這樣即便是其中一路電源模塊因為故障停運、失電，可立即投切到另一路電源，維持正常的電壓輸出，而不會因為完全斷電而導(dǎo)致電磁閥失電;②在機組正常停電維護時，選擇機組內(nèi)所有熱工電源系統(tǒng)，均安裝電源失電報警裝置。同時，組織專人對直流電源的供電回路開展一次徹底的檢查。若存在電源不經(jīng)高選直接并聯(lián)的情況，需要盡快替換，預(yù)防此類故障的再次發(fā)生。

4 結(jié)束語

熱工保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行對保障機組安全有至關(guān)重要的作用，由于機組的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，加上熱工保護系統(tǒng)的運行環(huán)境復(fù)雜，在投入運行一段時間后發(fā)生故障在所難免。機組管理人員在熟悉熱工保護系統(tǒng)運行原理和結(jié)構(gòu)組成的前提下，還要基于以往的故障診斷與維修經(jīng)驗，做到對常見故障的精準(zhǔn)識別，在明確故障原因、位置的前提下，采取針對性的處理方法。在處理完畢后，重新運行機組，觀察故障是否得到解決，切實保障機組運行的穩(wěn)定性和安全性。

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