630MW火电机组横向联锁保护的优化

引言

大型单元机组的特点是炉、机、电在生产中组成一个有机整体,加之有大量复杂的控制系统及装置,其相互间的关系又非常密切,当其中某些环节发生故障后,将会影响整个机组的安全运行,严重的故障可能导致机组停机,甚至危及设备和人身安全。为了维持整个生产过程的连续性,保护设备安全,应设计一套比较完善的联锁保护装置。

横向联锁保护的作用就是将炉、机、电联系起来,无论哪一部分出现故障,其他部分都会做出相应的反应[1]。横向联锁一般包含机跳炉跳电、电跳机跳炉、炉跳机跳电。

1机组概述

某燃煤发电厂630MW机组锅炉部分为上海锅炉厂引进美国ALSToM公司技术制造的超临界变压运行螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风:汽轮机为上海汽轮机厂生产的N630-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、反动式、凝汽式汽轮机:发电机由上海电机厂制造。

单元机组控制采用上海FoxBoRo公司I/A'S分散控制系统,设计包含DAS、BMS、MCS、SCS系统。汽轮机控制系统采用上海汽轮机有限公司的DEH控制系统。

2优化方案实施背景

典型事故案例:某公司#32机组ETS保护动作,首出故障原因是"MFT动作",但DCS系统检查不到MFT动作信号,MFT发送到ETS系统的信号回路绝缘完好。

原因分析及整改建议:锅炉MFT跳闸回路发送到汽轮机保护ETS系统的动断触点信号仅有一路,冗余度不足。MFT动作继电器辅助触点、硬接线回路、信号输入I/O通道等均有可能故障或受外界影响误发信号,引发"炉跳机"保护动作。根据《火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则》(DL/T261一2012)第6.2.3.4条要求,对原安装设计设备回路进行检查,必要时更换继电器及其信号传输回路。MFT继电器应送出三路动断触点至ETS装置,在ETS内进行"三取二"逻辑判断后跳闸,三路保护信号从取样到I/O数据采集,应全程保持独立性。

根据国家能源局下发的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》(国能安全(2014)161号)中9.4.3条规定,所有重要的主、辅机保护都应采用"三取二"的逻辑判断方式,保护信号应遵循从取样点到输入模件全程相对独立的原则,确因系统原因测点数量不够,应有防保护误动措施。

该燃煤电厂三期工程机、炉、电横向保护信号及汽轮机TSI装置和ETS系统之间的振动、轴向位移等跳闸信号为单点设计,不满足反措要求,保护信号单一回路异常将引起保护非正常动作,影响机组安全稳定运行。

鉴于电力行业单点保护典型事故案例频发,同时为适应国家能源局最新要求,使横向联锁保护动作更加可靠和安全,既防误动又防拒动,需要对机跳炉、炉跳机保护信号进行冗余处理。

3策略选择

对于"三选"的动作保护,一般来说是比较重要的信号采用,不是联锁保护就是调节控制,所以会加上一些判断条件和切除条件,逻辑设计中常常需要可切换的两组甚至三组保护逻辑。"三取二""三取中""三取均"等,这些可能在一个保护逻辑中用到。

3.1策略概念

3.1.1"三取二"信号法

"三取二"是指开关量控制时的投票制,同一信号采用三冗余信号进行表决,两个满足即认为条件满足。"三取二"是为了判断准确、可靠,防止误动,常用于保护回路。其逻辑图如图1所示。

3.1.2"三取中"信号法

"三取中"是指模拟量信号采用三冗余输入,取其中值为实际使用值,常用于主要调节回路。一般三个同一位置的测量点出现过大偏差时,就要查清楚问题原因,并安全、快速地处理,万万不可抱侥幸心理。除了取中,一般功能块还提供选择:高选、低选、平均或三个中的一个。

3.1.3"三取均"信号法

"三取均"也是针对模拟量,三个数取平均值,能有效克服系统误差,但仪表故障造成的随机误差难以避免。

3.2逻辑组态注意事项

3.2.1"三取二"策略

"三取二"策略一般用于保护取样信号的逻辑判断,为确保信号的可靠性,可以加入质量判断、切除等逻辑。

3.2.2"三取中"策略

正常时取中间值,当出现一个点为坏点或偏差超限时自动剔除坏点变为剩余两点取平均,一个设计良好的逻辑是能够做到在指定单点值、中值、平均值间任意指定的。

"三取中"在调节系统中用得最多,可以实现三个信号相互做偏差检查,剔除其中一个不正确的信号,剩余两个信号取均值:如果再坏一个,自动取第三个信号:如果全坏,就应该保持正常输出时的值,同时发出报警。

3.2.3"三取均"策略

"三取均"策略下可以加入判断信号,当三路信号全正常时,取三个平均值:当有一个信号不正常时取两个数的平均值:当两个信号不正常时,取另一个正常的数值。这种方法在自动调节中应用最为广泛。

4机跳炉联锁保护

4.1原控制策略

该电厂三期工程#5机组原机跳炉控制策略为:汽机信号取自安全油压AST信号"三取二"再取反,送到输出模块ASLN,再送到1R11继电器,表征汽机跳闸,通过电缆硬接线送到锅炉DCS机柜FC5009卡件U50905第15点,从而实现联锁与保护的目的,但实际上为单点保护。

4.2优化控制策略

增加两路"机跳炉"信号,然后在FSSS系统里增加"三取二"逻辑保护。

4.2.1电缆布置

从#5机组DEH501机柜到FC5009机柜放两根2×2×1.5规格电缆。

4.2.2DEH系统

原机跳炉单Do点:CP5018下5oAIoⅠAS:N.CoUT(地址:5D2122-L)。

现增加两个Do点:CP5018下5oAIo:AS:N2.CoUT(地址:5D2124-15)、CP5019下5ATCIo:AS:N3.CoUT(地址:5D3132-1)。

为了保障安全可靠,增加的两个Do点分别放到两个不同的卡件5D2124E-15(1R13)、5D2132E-1(1R14),以上三个点由继电器板同时输出至FSSS机柜。

4.2.3FSSS系统

原机跳炉单DI点:CP5005下50MFTⅠMCIN3.CIN5(地址:U50905-15)。

现增加两个DI点:CP5005下50D:Z:MCIN1.CIN15(地址:U50925-15)、CP5005下50DLZ:MCIN4.CIN15(地址:U50933-15)。

FSSS增加"三取二"逻辑:CP5005下50MFT:038LoG3模块中,FSSS修改原50MFT:038TTRIP逻辑中BI02取值,由单点(50MFT:MCIN3.CIN5)改为新增"三取二"逻辑的出口(50MFT:038:oG3.Bo01)。

修改后逻辑如图2、图3所示。

图2修改后机跳炉逻辑(BI02改为新增逻辑块038LoG3.Bo01)

图3新增逻辑块038LoG3,"三取二"逻辑实现

4.2.4试验

全面进行ETS保护试验、DEH保护试验、横向联锁保护试验,经设备运行与管理双方确认,本次逻辑异动结果达到预期。

5炉跳机联锁保护

5.1原控制策略

该电厂三期工程#5机组原炉跳机控制策略为:MFT信号在RC5009柜通过J1/J2/J3继电器"三取二"输出,表征锅炉跳闸。在DCS系统里(RC5004柜)通过Do点输出至各个系统及设备,实现联锁与保护的目的。其中炉跳机保护,MFT信号通过Do091714单点送到ETS系统Tricon机柜0103卡第15通道。

5.2优化控制策略

对MFT输出到ETS系统的保护信号进行冗余处理,增加两路炉跳机信号,然后在Tricon系统里面增加"三取二"逻辑保护。

5.2.1电缆布置

从#5机组RC5004柜到TRI501柜放两根2×2×1.5规格电缆。

电缆敷设时应充分考虑到新增电缆的布局、选型及防火防爆性能,正确的电缆选型和合理布局可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种电缆之间的相互干扰,提高DCS系统运行的稳定性。

5.2.2MFT系统

原炉跳机单Do点:CP5005下50MFTⅠMFT5CoUT(地址:U50917-14)。

现增加两个Do点:CP5005下50MFTⅠMFT17CoUT(地址:U5092L-14)、CP5005下50MFTⅠMFT18CoUT(地址:U50934-1L)。三个MFT信号,分别取自三块不同的DCS底板,保证设备安全性。

5.2.3Tricon系统

DI卡有两块一0103和0105。原有的MFT输入信号为0103卡的第15通道,故取0105卡的第25、26备用通道(接线端子排号U3:50、U3:51)做两个DI点进行组态。Tricon系统组态实现如图4所示。

5.2.4试验

全面进行FSSS保护试验、DEH保护试验、横向联锁保护试验,经设备运行与管理双方确认,本次逻辑异动结果达到预期。

6结论

本次改造鉴于事故案例和行业最新反措要求成功开展,不难看出,对于任何系统及设备,它们的高可靠性和可用率是人们所期望的。为了提高一个系统或者设备的可靠性,必须保证组成系统的各个设备及元件的高可用率,并且有相应的冗余,防止个别元件损坏,造成系统或者设备不能运行。因此,"三取二"逻辑作为一种冗余配置原则在不同领域逐步得到了应用。

同时,根据可靠性分析的马尔科夫过程原理,并考虑不同的保护输出逻辑,分别计算误动率和拒动率:假设一套保护故障误动率和拒动率各为0.01,则两套相同保护相"与"输出,误动率相乘为0.0001,拒动率相加为0.02:而两套相同保护相"或"输出则相反,误动率相加为0.02,拒动率相乘为0.0001:三套保护相同输出"三取二",则误动率为0.0003,拒动率为0.000008。这充分说明不计保护装置本身监护功能的作用,两个相同的保护通道,不论采取什么输出逻辑,都不能解决误动与拒动之间的矛盾,而"三取二"方式的误动率和拒动率都比较低,很好地解决了此矛盾。

因此,采用"三取二"的逻辑判断方式对机跳炉、炉跳机保护信号进行冗余处理,使横向联锁保护动作更加可靠和安全,既防误动又防拒动,减少了设备非停事故,极大地提高了机组运行安全性能,充分说明了此次改造选取的方案和改造成果是可靠的。

目前,该电厂三期工程汽轮机TSI装置和ETS系统之间的振动、轴向位移等跳闸信号尚为单点设计,这些控制保护模块应尽快采用"三取二"逻辑,进一步提高运行可靠性,防止设备误动导致的非停事故发生。