范永江

（神華國(guó)華寧海電廠，浙江 寧波 315612）

0 引言

大型火力發(fā)電廠許多重要輔助系統(tǒng)均配置了旁路門，如給水旁路門、定子冷卻水旁路門、發(fā)電機(jī)冷氫溫度調(diào)節(jié)旁路門，這些系統(tǒng)的旁路門通常不是調(diào)節(jié)門，而是普通的帶中停的電動(dòng)門。正常運(yùn)行時(shí)，這些旁路門是關(guān)閉的。在一些異常工況下，系統(tǒng)主回路的調(diào)節(jié)門發(fā)生故障，造成主調(diào)節(jié)門異常關(guān)閉，使被控對(duì)象失去控制，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成很大影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致跳機(jī)事故的發(fā)生。此時(shí)，及時(shí)開(kāi)啟旁路門能避免事故的發(fā)生，或防止事件進(jìn)一步擴(kuò)大。

某火力發(fā)電廠2×1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)有限公司采用德國(guó)西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界一次中間再熱雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，其型號(hào)為1000/26.25/600/600（TC4F）；型式為高中壓聯(lián)合啟動(dòng)、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。鍋爐為上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom-Power公司的1 000 MW超超臨界一次再熱、單爐膛單切圓燃燒直流爐，其型號(hào)為SG3091/27.56-M54X。

汽輪機(jī)采用定-滑-定運(yùn)行方式。單元機(jī)組采用爐、機(jī)、電單元控制室集中控制方式，發(fā)電機(jī)采用水-氫-氫冷卻方式。

DEH（數(shù)字式電液控制系統(tǒng)）設(shè)置冷氫溫度高保護(hù)，其原理為：用于冷卻發(fā)電機(jī)的氫氣在其工作壓力下對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)很低，一般稍低于其工作溫度，如果定冷水溫度比其低的話，會(huì)造成冷氫結(jié)露，影響其冷卻效果，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)正常工作。1 000 MW機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)冷氫溫度在38~41℃，發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)水溫度在40~45℃，為了防止上面定冷水比冷氫溫度低這種情況發(fā)生，必須要保證冷氫溫度比定冷水溫度低，所以該機(jī)組設(shè)計(jì)冷氫溫度高保護(hù)邏輯。

1 主調(diào)節(jié)門故障引起跳機(jī)事件經(jīng)過(guò)

1.1 ETS（汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)）動(dòng)作前機(jī)組狀態(tài)

2月15日11∶42，5號(hào)機(jī)組負(fù)荷793 MW，協(xié)調(diào)投入，AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）方式，主蒸汽壓力23.2 MPa，主蒸汽溫度590.7℃，再熱蒸汽壓力4.16 MPa，再熱蒸汽溫度561.29℃，總煤量267.6 t/h，總給水量2 190 t/h，總風(fēng)量2 291 t/h，A，B，C，D，E共5套制粉系統(tǒng)運(yùn)行，主機(jī)真空-99.88 kPa，5A和5B真空泵運(yùn)行，5A和5B汽泵運(yùn)行，雙引、雙送、雙一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行，脫硫、脫硝系統(tǒng)運(yùn)行正常。

1.2 事件經(jīng)過(guò)

2 月 15 日 11∶42∶39∶708， 5 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī) ETS動(dòng)作，首出原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)冷氫B溫度高。

2月 15日 11∶41∶19， 5 號(hào)機(jī)組負(fù)荷 793 MW，發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門反饋由23.96%升至 71.42%；11∶41∶37，A 側(cè)、B 側(cè) 6點(diǎn)冷氫溫度均開(kāi)始上升；11∶42∶09時(shí)，溫度升到報(bào)警值48℃，DCS（分散控制系統(tǒng)）操作員站發(fā)出5號(hào)機(jī)冷氫溫度高報(bào)警，大屏光字牌“COLD H2 TEMP H”報(bào)警；11∶42∶38時(shí)，B側(cè) 3個(gè)冷氫溫度超過(guò) 53℃跳機(jī)值（3選2邏輯，A側(cè)冷氫溫度高溫度也同時(shí)升高，滯后于B側(cè)9 s達(dá)到53℃跳機(jī)值），延時(shí)1 s后，B側(cè)冷氫溫度高ETS保護(hù)動(dòng)作，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列，高旁動(dòng)作，鍋爐維持運(yùn)行。跳機(jī)前后閥位、指令、溫度歷史趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 跳機(jī)前后閥位、指令、溫度歷史趨勢(shì)

1.3 故障處理

ETS動(dòng)作后，立即去就地檢查發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門（氣動(dòng)門型號(hào)為COPES-VULCAN 0810-150609-1-2，定位器為SIEMENS 6DR5210-OEN00-0AA0）。在檢查中發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門定位器反饋大部分時(shí)間指示在72%，偶爾跳變到0%。當(dāng)定位器反饋指示在72%時(shí)，調(diào)門實(shí)際閥桿處于關(guān)到位狀態(tài)，而當(dāng)定位器反饋跳變時(shí)，調(diào)門實(shí)際閥位也處于波動(dòng)狀態(tài)，跳機(jī)前后發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門閥位反饋與指令趨勢(shì)見(jiàn)圖2，可見(jiàn)閥位反饋大幅波動(dòng)跳變。為判斷發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門本體是否故障，進(jìn)行了調(diào)門開(kāi)啟試驗(yàn)：將調(diào)門開(kāi)啟，用聽(tīng)棒聽(tīng)見(jiàn)水流聲；試驗(yàn)時(shí)，調(diào)門開(kāi)度最大開(kāi)啟60%，閉冷水泵出口壓力由0.85 MPa下降到0.79 MPa。通過(guò)試驗(yàn)，可以判斷西門子定位器故障，而調(diào)門本體無(wú)故障，閥芯無(wú)脫落現(xiàn)象。因此，更換發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門的西門子定位器，更換后恢復(fù)系統(tǒng)重新開(kāi)機(jī)。

圖2 跳機(jī)前后閥位趨勢(shì)

在此次事件中，由于發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門就地定位器故障，使該氣動(dòng)門關(guān)閉，造成發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水中斷，使冷氫溫度在80 s內(nèi)由40.9℃迅速升高至53℃，造成5號(hào)機(jī)組冷氫溫度高ETS保護(hù)動(dòng)作，使汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。

2 旁路門控制邏輯修改設(shè)想

造成ETS動(dòng)作的直接原因是：發(fā)電機(jī)氫冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門的定位器故障，導(dǎo)致氫冷卻器冷卻水主管路斷水，如果氫冷器旁路門在冷氫溫度達(dá)報(bào)警值時(shí)能及時(shí)開(kāi)啟，則可以避免冷卻器回路斷水，從而降低或延緩故障，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

為此，提出旁路門參與控制的設(shè)想：當(dāng)主調(diào)節(jié)門故障關(guān)閉時(shí)，旁路門及時(shí)打開(kāi)，參與控制；當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，旁路門根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)關(guān)閉。旁路門參加控制作為設(shè)備故障的應(yīng)急手段之一，可以提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。

由于旁路門與主管路的管徑大部分是一致的，也有個(gè)別旁路門管徑與主管路尺寸不一樣，所以旁路門打開(kāi)的方式、開(kāi)度、開(kāi)啟時(shí)間等要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)旁路門參與控制的邏輯。

3 旁路門開(kāi)啟試驗(yàn)

旁路門開(kāi)啟試驗(yàn)的目的是確定主調(diào)節(jié)門故障時(shí)旁路門的目標(biāo)開(kāi)度，其中，以最大需求流量對(duì)應(yīng)的開(kāi)度為最大目標(biāo)開(kāi)度，此開(kāi)度為旁路門開(kāi)啟后的開(kāi)度上限。

以冷氫溫度調(diào)節(jié)門為例，進(jìn)行旁路門開(kāi)啟試驗(yàn)，驗(yàn)證旁路門開(kāi)啟效果，確定旁路門的目標(biāo)開(kāi)度。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，其冷氫溫度調(diào)節(jié)門開(kāi)度一般在21%~28%，正常無(wú)功需求工況下，其冷氫溫度調(diào)節(jié)門開(kāi)度為25%時(shí)即可滿足冷卻流量需求。

因此，在冷氫溫度調(diào)節(jié)門開(kāi)度為25%時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。首先，冷氫溫度調(diào)門開(kāi)度由25%左右逐漸切換至旁路電動(dòng)門調(diào)節(jié)，最終試驗(yàn)結(jié)果顯示旁路電動(dòng)門開(kāi)度為30%時(shí)，與冷氫溫度調(diào)門25%開(kāi)度通流量基本一致，如表1所示。

表1 調(diào)門、旁路門流量特性

假設(shè)旁路門開(kāi)足仍達(dá)不到相應(yīng)的比例，則直接開(kāi)足旁路門也會(huì)對(duì)被調(diào)量有相應(yīng)的影響，可以延緩事故的擴(kuò)大化。

4 優(yōu)化后旁路門參與控制的邏輯

以發(fā)電機(jī)冷氫溫度調(diào)節(jié)旁路門為例，考慮到無(wú)法判斷主調(diào)節(jié)門是因?yàn)榭刂破鳌⒃?、信?hào)電纜故障，還是主調(diào)節(jié)門本身故障（如閥芯脫落）。但無(wú)論是哪種故障，均表現(xiàn)為被調(diào)量“定冷水溫度”異常。如果定冷水溫度低，對(duì)機(jī)組的安全性沒(méi)有影響，但定冷水溫度上升則會(huì)造成很大的風(fēng)險(xiǎn)。為此，只要針對(duì)定冷水溫度高進(jìn)行有針對(duì)性的邏輯修改即可。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出主調(diào)節(jié)門故障時(shí)旁路門的目標(biāo)開(kāi)度，旁路門打開(kāi)的觸發(fā)條件是被調(diào)量的異常值，該值可以根據(jù)機(jī)組的實(shí)際工況來(lái)設(shè)定。補(bǔ)充停止打開(kāi)條件、旁路門關(guān)閉的條件就可以設(shè)計(jì)出帶有旁路門的氣動(dòng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)門的控制邏輯，從而確保異常工況下，旁路門自動(dòng)開(kāi)啟，快速的動(dòng)作，確保機(jī)組正常運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)的旁路門有3種：帶中停的電動(dòng)門并有開(kāi)度指示、帶中停功能的不帶開(kāi)度指示和全開(kāi)全關(guān)型，針對(duì)3種電動(dòng)旁路門分別制定控制邏輯。

4.1 帶中停且有開(kāi)度指示的電動(dòng)旁路門控制邏輯

對(duì)于帶中停功能的電動(dòng)旁路門，具體邏輯為：

（1）開(kāi)啟閥門的條件：當(dāng)定冷水溫度達(dá)到高2值時(shí)，立即發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)去開(kāi)旁路門。邏輯如圖3所示。

圖3 旁路門開(kāi)邏輯

（2）旁路門的停止打開(kāi)條件：溫度降到高1值；運(yùn)行人員手動(dòng)停止開(kāi)門；達(dá)到目標(biāo)開(kāi)度。

這3個(gè)條件是“或”的關(guān)系，任一條件滿足時(shí)，旁路門不再開(kāi)啟而是保持在一定的開(kāi)度上。

（3）關(guān)門條件：由運(yùn)行人員手動(dòng)關(guān)門。

4.2 帶中停但無(wú)開(kāi)度指示的電動(dòng)旁路門控制邏輯

（1）可以發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)控制開(kāi)旁路門的時(shí)間，而這個(gè)脈沖的脈寬，則需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，記錄1 s脈沖、5 s脈沖、10 s脈沖時(shí)該電動(dòng)門的開(kāi)度，并根據(jù)試驗(yàn)值來(lái)確定發(fā)出的脈沖寬度，該脈沖的時(shí)間即為邏輯圖中可調(diào)脈沖寬度，開(kāi)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。需注意的是，脈沖時(shí)間要考慮DCS發(fā)出指令經(jīng)I/O卡件后返回的時(shí)間。

表2 脈沖時(shí)間與實(shí)際開(kāi)度的對(duì)照表

（2）旁路門停止打開(kāi)條件：溫度降到高1值；溫度大于高2值脈沖信號(hào)取非；運(yùn)行人員手動(dòng)停止開(kāi)門。

這3個(gè)條件為“或”的關(guān)系，任一條件滿足時(shí)，旁路門不再開(kāi)啟，停留在一定開(kāi)度。邏輯如圖4所示。

圖4 旁路門復(fù)位條件

（3）旁路門關(guān)閉的指令則仍然為手動(dòng)指令，此指令由運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組的實(shí)際工況進(jìn)行。

4.3 全開(kāi)全關(guān)型電動(dòng)旁路門的控制

如果不是帶中停功能的電動(dòng)旁路門，而是直接接收開(kāi)指令、然后直接開(kāi)到位的電動(dòng)門，則應(yīng)增加復(fù)位中停功能，需要斷掉電動(dòng)門中的自保持回路，修改電動(dòng)門的硬接線，并將閥門的開(kāi)指令改為長(zhǎng)信號(hào)，而不是脈沖信號(hào)。如果無(wú)法改變電動(dòng)門的自保持回路，那么只能實(shí)現(xiàn)旁路門全開(kāi)，此時(shí)被調(diào)量“定冷水溫度”將直線下跌，但即使下跌也只是影響經(jīng)濟(jì)性，安全性仍然可以保障。

5 邏輯優(yōu)化的推廣應(yīng)用

梳理1 000 MW機(jī)組全部熱力系統(tǒng)，在不增加投資的情況下，下列系統(tǒng)的旁路門可以采用該優(yōu)化邏輯。

5.1 發(fā)電機(jī)定子水冷卻器冷卻水回水旁路門

（1）在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)水溫度在40~45℃，將發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)水溫度報(bào)警值從53℃修改至50℃。

（2）增加發(fā)電機(jī)定子水冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門閥門指令與反饋偏差大于10%報(bào)警信號(hào)，并送至大屏，以提醒定位器出現(xiàn)故障。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)定子線圈進(jìn)水溫度大于53℃時(shí)，開(kāi)啟定子水冷卻器冷卻水回水可調(diào)氣動(dòng)門旁路電動(dòng)門到30%，將“開(kāi)到位或運(yùn)行發(fā)關(guān)旁路電動(dòng)門指令時(shí)”，作為復(fù)位條件，運(yùn)行即可以手動(dòng)操作該旁路電動(dòng)門。

5.2 勵(lì)磁機(jī)冷卻水水溫調(diào)節(jié)旁路門

（1）將勵(lì)磁機(jī)后熱風(fēng)溫度報(bào)警值從75℃修改至65℃。

（2）增加勵(lì)磁機(jī)冷卻水水溫調(diào)節(jié)門閥門指令與反饋偏差大于10%報(bào)警信號(hào)，并送至大屏以提醒定位器出現(xiàn)故障。

（3）當(dāng)勵(lì)磁機(jī)后熱風(fēng)溫度大于73℃時(shí)，開(kāi)啟勵(lì)磁機(jī)冷卻水溫度調(diào)節(jié)門旁路電動(dòng)門到20%，“開(kāi)到位或運(yùn)行發(fā)關(guān)旁路電動(dòng)門指令時(shí)”作為復(fù)位條件，運(yùn)行即可以手動(dòng)操作該旁路電動(dòng)門。

對(duì)于被控對(duì)象是有上、下限要求的旁路門，則不能采用該邏輯，如汽輪機(jī)潤(rùn)滑油溫控制系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油溫的高低對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行具有危害性，此類旁路門則不宜采用該邏輯。

6 結(jié)語(yǔ)

在資金充裕的情況下，硬件優(yōu)化的最優(yōu)選擇是將旁路電動(dòng)門更換為調(diào)節(jié)門，雖然需要增設(shè)指令線及反饋線等控制電纜，DCS也需要重新分配卡件通道進(jìn)行組態(tài)，但后期調(diào)節(jié)效果好。次之是更換為帶中停功能的電動(dòng)門。

該研究在不增加投資、不進(jìn)行設(shè)備改造的情況下，僅僅利用現(xiàn)有設(shè)備通過(guò)做試驗(yàn)，計(jì)算流量比，設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了旁路門優(yōu)化的控制功能，補(bǔ)充機(jī)組重要設(shè)備故障時(shí)的應(yīng)急手段，從而提高機(jī)組的安全性能，可供其他同類型機(jī)組借鑒。

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