劉文豐，尋新，劉復(fù)平

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007)

熱工保護(hù)系統(tǒng)是發(fā)電廠熱工自動(dòng)化的重要組成部分，其設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)機(jī)組特點(diǎn)，選用技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的設(shè)備和元器件。雖然目前熱控系統(tǒng)自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但熱工保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況還是時(shí)有發(fā)生，如何防止DCS 系統(tǒng)失靈和熱工保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，仍是當(dāng)前火力發(fā)電廠關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)目前火電機(jī)組機(jī)、爐主保護(hù)硬回路設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，著重介紹鍋爐MFT 和汽機(jī)ETS 硬跳閘回路典型設(shè)計(jì)原理，簡(jiǎn)要分析主保護(hù)跳閘回路可靠性。

1 主保護(hù)系統(tǒng)電源及其硬回路

依據(jù)文獻(xiàn)〔1〕第5.1.2 要求，所有保護(hù)裝置2 路電源互為備用，且能自動(dòng)切換，切換時(shí)間間隔應(yīng)不影響保護(hù)系統(tǒng)的正常功能。對(duì)電廠機(jī)組主保護(hù)的跳閘電氣回路，無(wú)論是直流還是交流系統(tǒng)，均應(yīng)保證有2 路不同源頭的冗余驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)其中1 路電源喪失時(shí)，主保護(hù)回路不會(huì)誤動(dòng)作;當(dāng)跳閘條件成立時(shí)，控制回路能有效實(shí)現(xiàn)停爐或停機(jī)。

另外，按文獻(xiàn)〔1〕第5.2.1 要求，熱工保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)有防止誤動(dòng)和拒動(dòng)的措施，系統(tǒng)內(nèi)單一部分的故障不應(yīng)引起保護(hù)的誤動(dòng)和拒動(dòng)，保護(hù)系統(tǒng)電源中斷或恢復(fù)時(shí)不會(huì)誤發(fā)動(dòng)作指令。該條款應(yīng)主要針對(duì)MFT 和ETS 設(shè)計(jì)中帶電動(dòng)作硬回路而言，當(dāng)硬回路驅(qū)動(dòng)電源失去時(shí)，主保護(hù)均不會(huì)誤動(dòng)作，而DCS/PLC 控制系統(tǒng)邏輯輸出仍能有效地實(shí)現(xiàn)主保護(hù)正確動(dòng)作而停止各重要設(shè)備。該設(shè)計(jì)方式增加了保護(hù)回路拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，在硬驅(qū)動(dòng)回路失電情況下，一旦MFT 或ETS 所在控制器或邏輯輸出卡件、端子板出現(xiàn)故障，就不能可靠實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)、停爐。因此，在現(xiàn)代大型火電機(jī)組機(jī)、爐主保護(hù)硬回路設(shè)計(jì)中，開(kāi)始考慮將帶電動(dòng)作硬回路設(shè)計(jì)成冗余配置的2 套回路，從硬回路的電源、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)、驅(qū)動(dòng)回路到跳閘繼電器，2 套回路完全獨(dú)立，當(dāng)其中一套回路某個(gè)部分出現(xiàn)故障時(shí)，主保護(hù)硬回路仍能正常動(dòng)作，有效規(guī)避主保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)主保護(hù)設(shè)計(jì)為失電動(dòng)作的硬回路，設(shè)計(jì)理念就是回路中驅(qū)動(dòng)電源失去后，各保護(hù)繼電器失電動(dòng)作去跳閘鍋爐重要設(shè)備停爐或者去汽機(jī)AST 電磁閥失電停機(jī)。該設(shè)計(jì)方式增加保護(hù)回路誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，如果硬保護(hù)回路出現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)跳閘、驅(qū)動(dòng)回路接線松動(dòng)、保險(xiǎn)絲熔斷或者繼電器燒毀等故障，均會(huì)導(dǎo)致硬回路失電主保護(hù)誤動(dòng)作。因此，在機(jī)、爐主保護(hù)硬回路設(shè)計(jì)中，對(duì)帶電動(dòng)作回路，應(yīng)著重考慮降低回路保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，如將硬回路驅(qū)動(dòng)電源采用冗余無(wú)擾切換的直流電源、使用足夠容量電源開(kāi)關(guān)、取消驅(qū)動(dòng)回路內(nèi)保險(xiǎn)、采用高可靠性跳閘繼電器等，同時(shí)也應(yīng)避免回路改造帶來(lái)保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于電廠新投產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組，無(wú)論設(shè)計(jì)采用何種機(jī)、爐主保護(hù)跳閘回路，都應(yīng)嚴(yán)格分析其造成保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)鑒定或其它適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)合格后，方可在設(shè)計(jì)中采用。對(duì)采用新保護(hù)回路存在的各種誤動(dòng)、拒動(dòng)因素，均應(yīng)經(jīng)過(guò)全面地模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，確保保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性。

2 MFT 主保護(hù)硬回路典型設(shè)計(jì)及分析

2.1 失電動(dòng)作回路

大多數(shù)大機(jī)組將爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)設(shè)計(jì)為DCS 的子控制系統(tǒng)，其中MFT 是FSSS 的核心部分。MFT 包括DCS 軟邏輯跳閘回路與后備硬跳閘回路兩部分，MFT 后備硬跳閘回路同時(shí)接受DCS 軟邏輯跳閘信號(hào)與手動(dòng)跳閘信號(hào)，可在FSSS控制器故障失效或緊急情況下手動(dòng)停爐，直接切斷燃料。

以某典型的MFT 回路設(shè)計(jì)為例，操作臺(tái)上安裝有2 個(gè)手動(dòng)MFT 按鈕(MFT-PB1，MFT-PB2)，每個(gè)按鈕有4 副觸點(diǎn)(3NO，1NC)，每個(gè)按鈕各取一常開(kāi)NO 節(jié)點(diǎn)串聯(lián)后，分別通過(guò)3 路DI 進(jìn)FSSS 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3 取2 跳閘邏輯，發(fā)2 s 脈沖去動(dòng)作MFT，手動(dòng)MFT 按鈕接線如圖1;對(duì)其中一副常閉NC 觸點(diǎn)，2 個(gè)按鈕并聯(lián)后，再串入MFT電氣硬跳閘回路。

由圖1 可知，按下任意一個(gè)手動(dòng)MFT 按鈕，3個(gè)MFT 的DI 均不會(huì)有輸入，可以有效防止保護(hù)誤動(dòng);在電氣硬跳閘回路中，按下任意一個(gè)MFT 按鈕，同樣整個(gè)跳閘驅(qū)動(dòng)回路也不會(huì)失電誤動(dòng)作。

為了保證跳閘回路的可靠性，采用手動(dòng)跳閘和DCS 輸出指令并行的設(shè)計(jì)原則，即:正常情況下由DCS 系統(tǒng)邏輯判斷產(chǎn)生MFT 條件，并分別通過(guò)3塊不同的DO 端子板輸出1，2，3 號(hào)繼電器，每個(gè)繼電器取2 對(duì)相互獨(dú)立的常閉干節(jié)點(diǎn)A，B，共6對(duì)DO 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)3 取2 硬邏輯，產(chǎn)生MFT;緊急情況或DCS 失去控制的情況下，由操作員操作MFT雙跳閘按鈕產(chǎn)生MFT，該按鈕通過(guò)MFT 電氣跳閘回路即可驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的跳閘對(duì)象。MFT 失電動(dòng)作電氣回路如圖2。

由圖2 可知，控制器MFT 邏輯判斷DO 輸出串入電氣硬跳閘回路，當(dāng)任意一個(gè)輸出的卡件或端子板故障，使DO 輸出的2 對(duì)干節(jié)點(diǎn)保持常閉時(shí)，另外2 個(gè)DO 繼電器共4 對(duì)節(jié)點(diǎn)正確動(dòng)作斷開(kāi)后，仍能使硬回路失電動(dòng)作，并不會(huì)造成主保護(hù)拒動(dòng)。當(dāng)任意一個(gè)輸出的繼電器故障或接線松動(dòng)，造成DO 繼電器的2 對(duì)干節(jié)點(diǎn)保持常開(kāi)時(shí)，另外2 個(gè)DO繼電器正確動(dòng)作斷開(kāi)后，同樣能使硬回路失電動(dòng)作，也不會(huì)造成主保護(hù)誤動(dòng)。(注:后面所有MFT硬跳閘回路原理圖中，電源開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)、復(fù)位、自保持和電源監(jiān)視回路均已省略)。

關(guān)于MFT 輸出至跳閘各設(shè)備的原理，以磨煤機(jī)為例，如圖3。去跳閘磨煤機(jī)A 的電氣6 kV 開(kāi)關(guān)，采用MFT 硬回路繼電器輸出的常閉節(jié)點(diǎn)和FSSS 邏輯判斷輸出的DO 常開(kāi)節(jié)點(diǎn)并聯(lián)后，再串入110 V 直流跳磨驅(qū)動(dòng)回路。當(dāng)FSSS 控制器邏輯判斷DO 動(dòng)作或者M(jìn)FT 硬回路動(dòng)作，均會(huì)使驅(qū)動(dòng)回路閉合帶電，去跳閘磨煤機(jī)。

2.2 帶電動(dòng)作回路

MFT 帶電動(dòng)作硬回路與失電動(dòng)作回路最大的不同之處在于其有保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，一般對(duì)其硬跳閘回路設(shè)計(jì)有2 套完全獨(dú)立的冗余回路，其中一回路帶電后硬回路MFT 保護(hù)均會(huì)輸出。對(duì)只有1 套跳閘電氣回路的原理如圖4 和圖5，由圖4 可知，如果主驅(qū)動(dòng)回路電源失去、保險(xiǎn)絲熔斷或回路接線松斷，均會(huì)造成MFT 硬回路輸出拒動(dòng)。

以磨煤機(jī)為例，在圖5 中，去跳閘磨煤機(jī)A的6 kV 開(kāi)關(guān)，采用MFT 帶電動(dòng)作單硬跳閘回路輸出繼電器的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)和FSSS 邏輯判斷輸出的DO常開(kāi)節(jié)點(diǎn)并聯(lián)后，再串入110 V 直流跳磨驅(qū)動(dòng)回路。當(dāng)FSSS 控制器邏輯判斷DO 動(dòng)作或MFT 硬回路動(dòng)作，均會(huì)使驅(qū)動(dòng)回路閉合帶電，去跳閘磨煤機(jī)。

如果是冗余配置完全獨(dú)立的電氣硬跳閘回路，如圖6 所示，對(duì)串入回路的手動(dòng)MFT 按鈕接線，則采用各取1 個(gè)按鈕上的1 對(duì)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)后接入電氣回路。按下任意一個(gè)MFT 按鈕，2 套硬驅(qū)動(dòng)回路均不會(huì)帶電;只有同時(shí)按下2 個(gè)按鈕后，MFT硬回路才會(huì)動(dòng)作。

由DCS 系統(tǒng)邏輯判斷產(chǎn)生MFT 條件，并分別通過(guò)3 塊不同的DO 端子板輸出至#1—#3 繼電器，每個(gè)繼電器取2 對(duì)相互獨(dú)立的常開(kāi)干節(jié)點(diǎn)A，B，共6 對(duì)DO 節(jié)點(diǎn)去硬回路1 實(shí)現(xiàn)3 取2 硬邏輯，主驅(qū)動(dòng)回路1 閉合帶電產(chǎn)生MFT;另外，由邏輯判斷MFT 輸出分別通過(guò)3 塊不同的DO 端子板輸出至#4—#6 繼電器，每個(gè)繼電器取2 對(duì)相互獨(dú)立的常開(kāi)干節(jié)點(diǎn)A 和B，共6 對(duì)DO 節(jié)點(diǎn)去硬回路2 實(shí)現(xiàn)3取2 硬邏輯，主驅(qū)動(dòng)回路2 閉合帶電產(chǎn)生MFT。與前文圖2 回路邏輯輸出原理類似，任意一個(gè)輸出的卡件故障、端子板故障、輸出繼電器故障或接線松動(dòng)，都不會(huì)造成控制器邏輯判斷主保護(hù)輸出至硬回路誤動(dòng)、拒動(dòng)。

其中MFT 輸出去跳閘各設(shè)備的原理，以磨煤機(jī)為例，如圖7。去跳閘磨煤機(jī)A 的6 kV 開(kāi)關(guān)，采用2 套MFT 硬回路輸出繼電器的常開(kāi)節(jié)點(diǎn)和FSSS 邏輯輸出的DO 常開(kāi)節(jié)點(diǎn)并聯(lián)后，再串入110 V 直流跳磨驅(qū)動(dòng)回路。當(dāng)FSSS 邏輯判斷輸出DO動(dòng)作或者任意一套MFT 硬回路動(dòng)作，均會(huì)使驅(qū)動(dòng)回路閉合帶電，去跳閘磨煤機(jī)。

3 ETS 主保護(hù)硬回路典型設(shè)計(jì)及分析

汽機(jī)本體危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)(ETS)，主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控影響汽機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)，當(dāng)其超過(guò)設(shè)定值時(shí)控制就地汽輪機(jī)遮斷電磁閥動(dòng)作，快速泄掉AST 油管油壓，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，以避免重大事故發(fā)生。

傳統(tǒng)的ETS 保護(hù)邏輯控制實(shí)現(xiàn)一般采用冗余配置且獨(dú)立于DCS 系統(tǒng)的PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，任意一套PLC 故障或失電，均不會(huì)引起汽輪機(jī)跳閘。對(duì)于手動(dòng)停機(jī)回路一般采用停機(jī)信號(hào)進(jìn)PLC 的開(kāi)關(guān)量輸入通道，邏輯判斷輸出;為了滿足規(guī)程要求，部分電廠同時(shí)將手動(dòng)停機(jī)按鈕常閉干節(jié)點(diǎn)輸出，直接串入AST 電磁閥回路，來(lái)實(shí)現(xiàn)硬回路打閘停機(jī)。

目前新建火電廠中，開(kāi)始將ETS 保護(hù)的控制實(shí)現(xiàn)納入DCS 一體化設(shè)計(jì)，如鍋爐主保護(hù)一樣，ETS 主保護(hù)回路同樣也有了明確意義上的軟、硬保護(hù)回路。典型的ETS 電氣硬回路原理如圖8，控制回路設(shè)計(jì)同樣需充分考慮電源及回路接線等因素引起的誤動(dòng)、拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

在圖8 的ETS 動(dòng)作跳閘電氣回路中，集控室來(lái)手動(dòng)停機(jī)按鈕各取2 組常開(kāi)結(jié)節(jié)點(diǎn)，并聯(lián)后再串入繼電器驅(qū)動(dòng)回路，按下任意一個(gè)按鈕，保護(hù)均不會(huì)動(dòng)作。ETS 邏輯判斷輸出分別通過(guò)3 塊不同的DO 端子板輸出至#1—#3 繼電器，每個(gè)繼電器各取2 對(duì)相互獨(dú)立的常開(kāi)干節(jié)點(diǎn)A 和B 共6 對(duì)DO 節(jié)點(diǎn)，串入繼電器驅(qū)動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)3 取2 硬邏輯，與前文圖2回路邏輯輸出原理類似，任意一個(gè)輸出的卡件故障、端子板故障、輸出繼電器故障或接線松動(dòng)，都不會(huì)造成控制器邏輯判斷輸出至硬回路誤動(dòng)、拒動(dòng)。

主驅(qū)動(dòng)回路閉合帶電使繼電器JR1—JR8 動(dòng)作，AST1—AST4 電磁閥失電跳機(jī)。其中AST1 和AST3 任意一個(gè)電磁閥失電，且AST2 和AST4 任意一個(gè)電磁閥失電，就地AST 裝置泄油壓跳機(jī)。另外，從ETS 輸出的試驗(yàn)1 至試驗(yàn)4 的DO 節(jié)點(diǎn)直接串入AST 電磁閥回路，既可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)電磁閥的在線試驗(yàn)，又可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)跳機(jī)保護(hù)，其中試驗(yàn)1、試驗(yàn)3 輸出DO 點(diǎn)取自1 塊端子板及模件，試驗(yàn)2、試驗(yàn)4 輸出DO 點(diǎn)取自另外1 塊端子板及模件。當(dāng)任意一塊DO 端子板或模件故障時(shí)，不會(huì)造成跳機(jī)主保護(hù)誤動(dòng)。

一路UPS 電源給AST1，AST3 電磁閥供電，另一路保安電源給AST2，AST4 電磁閥供電，任意一路電源失去后，繼電器驅(qū)動(dòng)回路不會(huì)失電，汽輪機(jī)也不會(huì)誤動(dòng)跳機(jī)。如果UPS 電源和保安電源均失去，繼電器驅(qū)動(dòng)回路會(huì)失去供電，同時(shí)去就地AST1—AST4 電磁閥全部失電動(dòng)作停機(jī)。綜合看來(lái)，圖8 的ETS 動(dòng)作跳閘電氣回路保護(hù)基本無(wú)保護(hù)拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，造保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)也較小。

4 常見(jiàn)問(wèn)題及建議

1)對(duì)主保護(hù)硬回路所使用的兩路電源，無(wú)論是直流還是交流，都應(yīng)取自不同的源頭，DCS 應(yīng)有任意一路電源失去的聲光報(bào)警，電源監(jiān)視點(diǎn)應(yīng)取自電源空氣開(kāi)關(guān)輸出并經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲之后。特別是對(duì)失電保護(hù)動(dòng)作回路，電源設(shè)計(jì)的可靠性尤為重要。

2)多數(shù)機(jī)、爐主保護(hù)硬回路中，都有串入保險(xiǎn)絲，防止回路中過(guò)流。對(duì)失電動(dòng)作保護(hù)的硬回路，一旦保險(xiǎn)絲熔斷，控制回路就會(huì)動(dòng)作導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。因此，建議僅保留足夠容量的空氣開(kāi)關(guān)，將保險(xiǎn)絲置于切換裝置之前或取消保險(xiǎn)絲環(huán)節(jié)。

3)關(guān)于硬回路的冗余配置，單一失電動(dòng)作硬回路，有保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，如果設(shè)置冗余控制回路，其中任意一回路失電均會(huì)動(dòng)作主保護(hù)，則會(huì)進(jìn)一步增大誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn);如果冗余回路設(shè)計(jì)成兩路同時(shí)失電后才動(dòng)作主保護(hù)，又容易引起保護(hù)拒動(dòng)，因此應(yīng)重點(diǎn)從提高單一硬回路可靠性的角度來(lái)考慮設(shè)計(jì)。

4)DCS 輸出去主保護(hù)硬回路中，一般會(huì)設(shè)計(jì)用DO 輸出硬回路實(shí)現(xiàn)3 取2。對(duì)新建機(jī)組的主保護(hù)硬回路，從DCS 邏輯判斷輸出DO 至硬回路動(dòng)作，應(yīng)確認(rèn)所有輸出節(jié)點(diǎn)的有效性，考慮不會(huì)因控制器故障或者端子板失電等因素，引起硬保護(hù)回路誤動(dòng)。

5)在大型汽輪機(jī)組安全油保護(hù)系統(tǒng)中，ETS主保護(hù)一般采用AST 電磁閥失電跳機(jī)。對(duì)就地4個(gè)AST 電磁閥的工作電源應(yīng)分成2 組，任意一路電源失去均不應(yīng)引起保護(hù)誤動(dòng)。特別應(yīng)注意的是，對(duì)設(shè)計(jì)有ETS 硬回路的驅(qū)動(dòng)電源與就地AST 工作電源應(yīng)具有獨(dú)立性，相互不干擾。當(dāng)就地電磁閥回路短路時(shí)，不應(yīng)引起硬保護(hù)回路的驅(qū)動(dòng)電源喪失，避免主保護(hù)的誤動(dòng)、拒動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代火電廠機(jī)、爐主保護(hù)系統(tǒng)是保障機(jī)組安全重要組成部分，根據(jù)機(jī)組的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)MFT 和ETS 硬回路選用科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方式，能有效降低因保護(hù)回路故障引起誤動(dòng)、拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，保障機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行。

〔1〕國(guó)家能源局. DL/T 5428—2009 火力發(fā)電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定〔S〕. 北京:中國(guó)電力出版社，2009.

〔2〕靳允立. 大機(jī)組MFT 硬跳閘回路設(shè)計(jì)分析〔J〕. 熱力發(fā)電.2010，39 (11):73-76.

〔3〕賈新蕊，董雄鷹. 汽輪機(jī)ETS 系統(tǒng)的控制原理及改進(jìn)〔J〕.華北電力技術(shù)，2007，S2:41-44.