1000 MW机组热工系统故障分析及优化

韩 璞，李 丽，孙 波，孙德波，柯尊明

（1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.华能上安电厂，河北 石家庄 050310；3.神华国华宁海电厂，浙江 宁波 315612）

浙江国华宁海电厂二期工程2×1000 MW超超临界燃煤机组于2009年9月正式投入商业运行，采用德国西门子T-3000控制系统。机组自投运以来多次发生热工故障，可归纳为电磁干扰、电源冗余故障、单通道故障、单点保护、接地不规范、仪表管安装不符合规定等问题，影响了机组的正常运行。为保障机组安全平稳运行，提高热工系统的安全性，采取一系列措施提高了热工控制系统运行的可靠性，本文就处理过程中一些较为普遍的问题进行分析，对优化的基本方法进行探讨。

1 热工典型故障分析和优化

1.1 DO卡件单通道引起的故障

DCS系统曾发生多起DO卡件故障造成的设备误动或拒动，若机组在运行时发生重要设备对应的DO卡件故障而误发信号，将可能导致机组非正常停运。

2009年9月28日，5号机组5A循环泵出口液控碟阀开指令在逻辑正在激活的状态下发出，导致5A循环泵出口液控碟阀自动开，更换SIM卡件后恢复正常。

2010年2月18日，6号机组某DO卡件第9通道指令紊乱，导致6号炉B侧2号一级减温水进口电动门关闭，更换SIM卡件后恢复正常。

2010年1月21日，6号机组某DO卡件第4通道故障，指令无法发出，导致汽轮机润滑油主油泵B不能自启动，更换SIM卡件后恢复正常。

通常，对就地设备采取单DO通道控制的方式（见如图1），当DCS有指令发出时，FUM卡上相应通道的继电器触点闭合，进而导通就地控制回路，实现就地设备的启停。

图1 单DO通道控制方式

为了避免重要设备因DO卡件的原因导致误动，建议对重要设备采取双路DO通道串联控制方式。可先通过组态将重要设备的指令分配到2个位于不同SIM卡件的通道上，然后将2个通道输出继电器串联起来，共同实现对就地设备的控制（见图 2）。

图2 双DO通道控制方式

但设备的拒动和误动是相对而言的，在避免设备误动的同时也增加了设备拒动的可能性，在就地设备的启停过程中，误动造成的危害更大，因此要重点关注设备误动。通过DO通道串联的方式减少了设备误动的可能，即使其中1个通道因为故障误发指令，也不会导致就地设备动作。宁海电厂将主给水电动门、高加进出口门等重要设备改为该方式，减少了误动的可能。

1.2 动力电缆与通信电缆混敷引起的故障

《火电厂热控系统可靠性配置与事故预控》明确要求：合理布置动力电缆和测量信号电缆的走向，允许直角交叉，但应避免平行走线，如无法避免，除非采取了屏蔽措施，否则两者间距应大于1 m。

FGD现场总线有部分电缆与其它电缆敷设于同一电缆槽内，如L0CRN01.AB03PA现场总线电缆与日粉仓给料机变频器电缆敷设于同一电缆槽内，造成信号相互干扰，调试期间曾发生仪表信号紊乱，将现场总线电缆重新单独敷设后，该故障消除。

电除尘控制系统的动力电缆与PLC控制信号线也敷设在同一电缆桥架内，且没有任何屏蔽和隔离措施，两者间距小于1 m，机组启停阶段曾出现控制信号波动、开关量信号紊乱现象。

1.3 电源冗余引起的故障

2010年9月21日，在辅控网公用系统服务器电源切换时，由于切换时间过长使辅控网服务器断电，导致灰、渣、水等控制系统在主机集控室内无法监视和操作，辅网控制系统瘫痪。经过对切换系统的检查，发现2路电源电压偏差较大，冗余装置内部电阻过小，无法实现冗余。经过改造，使冗余电源恢复正常切换。

2011年12月2日，脱硫废水系统全部瘫痪，经检查发现主电源二次侧随意接入负载（加装围栏时接入了大功率电气工具），主电源过载，空气开关跳闸，因PLC电源没有冗余配置，导致电源失电，造成脱硫废水系统瘫痪。

MFT继电器柜电源两路耦合，正极通过二极管耦合，负极直接通过端子排连接在一起。为了提高电源的可靠性，对负极也进行耦合处理。

经过对二期电源的全面检查，发现存在电源冗余切换时间过长、单电源供电、电源冗余不完善等情况，对有问题的电源进行改造后，提高了供电电源的可靠性。

1.4 系统接地情况分析

根据控制系统的不同，接地方式也有所不同。现场总线系统（FCS）要求多点接地，DCS控制系统要求单点接地，PLC系统则根据信号频率不同而采用不同的接地方式。

现场总线采用了Profibus-DP和Profibus-AP两种方式。由于Profibus-DP的通信频率较高，干扰所产生的噪声电流只在屏蔽层外表流过（集肤效应），屏蔽层通常采用多点接地，一般在电缆屏蔽层两端接地。若一端接地，仅仅有利于消除低频干扰。

Profibus-DP网络正常运行时，偶尔出现站点通信故障。检查发现屏蔽层有单端接地的情况，不能有效消除高频干扰，对通信造成影响。基建时期对总线接地情况进行了全面检查，以消除单端接地造成的干扰。采用双端接地的屏蔽电缆，可以将暂态感应电压抑制在原值的10%以下，是降低干扰电压的有效措施。

投产前期对5号、6号机组电子设备间的电缆屏蔽线接地情况进行检查，发现多个机柜的信号线是多点接地，同时有部分屏蔽线没有接到接地点上，经过整改将热控信号电缆以及控制电缆改为单点接地（一般在机柜内接地），减少两点或多点接地造成的差模干扰，屏蔽现场的干扰信号，提高了热控信号的稳定性及准确性。

1.5 热工气源及仪表管路取样情况分析

脱硫增压风机入口压力参与增压风机动叶调节及旁路挡板的保护，在机组运行时经常出现压力点波动、延迟较大等问题。经过对仪表管路敷设情况和取样点的研究，发现仪表管路过长过细、入口烟气残存杂质等问题是压力测量数据出现迟延和波动的主要原因。将压力变送器移位，减少取样管路长度并加粗取样管，经过长时间运行后，取样管路再未出现堵塞情况，灵敏度也有所提高，减少了维护工作量。

机组保护逻辑中有1条设计为“火检冷却风丧失延迟90 s，锅炉发生MFT”，火检冷却风原取自2台火检冷却风机，后对气源进行改造，增加1路冷一次风作为火检冷却风备用气，提高了气源的可靠性。

6号炉投产后，炉前油系统中油角阀阀芯经常出现堵塞，经过分析和检查，发现油角阀气源中含有杂质，堵塞了电磁阀的阀芯。利用6号炉小修时机为油角阀气源加装过滤减压阀，提高气源质量，避免了油角阀堵塞。

1.6 继电器输出可靠性的分析

捞渣机控制系统中，捞渣机运行指令由除渣系统PLC保持，一旦PLC故障或逻辑丢失，捞渣机将跳闸。通过大修将捞渣机运行指令改为就地继电器保持，减少了捞渣机停运的危险，提高捞渣系统的可靠性。

MFT保持继电器初期设计为由单个继电器进行保持，当保持继电器故障，1和3号触点接触不良时，锅炉将发生MFT。为防止继电器误动，增加了保持继电器2，提高了MFT控制系统的可靠性。

1.7 热工单点保护信号的优化

热工单点保护是指由1个输入信号就可以触发动作的热工保护回路。热工单点保护容易产生保护系统的误动和拒动，是热工控制系统隐患。

宁海电厂在投产初期对热工单点保护信号进行了梳理，将报警后能够通过人员操作处理、保证安全的保护改为报警信号，如将“磨煤机前后轴承温度单点保护大于95℃磨煤机跳闸”改为报警。并针对进入保护联锁系统的模拟量信号，合理设置变化速率保护、延时时间和缩小量程等故障诊断功能，设置保护联锁信号坏质量切除及报警逻辑，减少了因接线松动、干扰信号或设备故障引起的信号突变而导致保护动作的情况。

1.8 电焊、对讲机或电话引起的故障

总线信号很容易受动力电缆、电焊、对讲机和电话的干扰。2010年8月7日18时至次日凌晨6时，5号机组FGD吸收塔浆液密度、pH值等数据频繁跳变，并连续3天晚上出现相同情况。

分析认为照明动力电缆是疑似干扰源，于8月10日15时做总线干扰试验。就地模拟实际光线，使所在区域照明灯打开。15时36分，密度计等数据均出现瞬间跳变。据此判断PA总线数据异常为照明灯动力电缆干扰所致。

2 提高热工可靠性的措施和建议

由于技术水平和施工环境等因素的影响，机组控制系统误动和拒动情况仍然经常发生。结合实际情况及工作经验，提出以下热工保护系统的可靠性建议。

（1）现场总线系统电缆与设备相连的部分非常容易松动和断裂，机组运行时已经屡次出现此类故障，建议对电动门分体安装。

（2）弱电信号电缆应避免和强电导线平行敷设，更不能捆扎在同一束电缆中，或两种信号使用同一根电缆。

（3）工作频率低于1MHz时，为了防止静电干扰，电缆屏蔽层应采用单端接地。工作频率在10MHz以上、接地线较长，或外部有电击、雷雨及强电流干扰的情况下，应采用多点接地，以防止接地线阻抗太大，干扰噪声电压太高。

（4）建议对重要设备或信号采取双路DO通道串联方式进行控制，对设备的重要保护信号应更多地考虑防止拒动。

（5）控制系统的电源应进行冗余配置：UPS及DCS电源冗余切换时间要求小于5 ms；为保证硬接线回路在电源切换过程中不失电，对提供硬接线回路电源的电源继电器，其切换时间应不大于60 ms；UPS的二次侧未经批准不能随意接入新的负载；在发生冗余电源丧失、电源超压、两路电源偏差大、风扇故障等异常时，控制室内电源故障声光报警信号要能够正常显示。

（6）尽量避免单点保护，在新建机组逻辑设计或运行机组检修时，应采用容错逻辑设计方法，对运行中容易出现故障的设备、部件和原件，从控制逻辑上进行优化和完善。

（7）机组运行时，易受干扰的测量元件、仪表、传感器处应放置警示牌，严禁磁性物体接近；控制系统的电子间内严禁使用对讲机、手机等通信设备；参与保护联锁的现场设备和机柜，在实验确定的距离内，不宜进行电焊作业，不宜使用手提机械转动、切割工具作业。

3 结语

提高火电厂热工控制的可靠性已成为系统工程，涉及基建、调试、生产维护、检修和整改等多个过程。只有在整个过程中不断认真总结事故教训，做好热工设备隐患排查，发现问题及时进行整改，才能提高热工保护的可靠性。

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