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火電廠熱工自動化安全技術(shù)配置指導(dǎo)思想探討

   2011年09月22日 11:22  
  上過程工業(yè)領(lǐng)域的安全問題引起了高度關(guān)注,以電工委員會(IEC)為首的標(biāo)準(zhǔn)化組織對此快速做出了反應(yīng),分別于1998年和2003年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)《電氣/電子/可編程安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》(IEC61508)和《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》(IEC61511),與此同時,安全儀表系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品也飛速得到應(yīng)用和發(fā)展。
  
  我國火電廠隨著以DCS為中心的*設(shè)備的應(yīng)用,以及控制和保護(hù)技術(shù)的完善,大型火電機(jī)組的安全狀況有了很大的改善。但是,應(yīng)當(dāng)看到,近年來,汽機(jī)超速、爐膛(煙道)爆炸、汽包滿缺水導(dǎo)致鍋爐爆管和汽機(jī)帶水、大軸彎曲,甚至造成人身傷害的重大事故仍時有發(fā)生,熱工自動化系統(tǒng)造成的機(jī)組、甚至全廠非計劃停運(yùn)的事故也頻頻發(fā)生。因此,我們?nèi)詰?yīng)對火電廠的安全問題給予高度關(guān)注。
  
  目前,我國火電廠熱工自動化安全技術(shù)雖有了長足的進(jìn)步,也積累了較豐富的實踐經(jīng)驗,但是,要使這些技術(shù)成為共識、形成規(guī)范需要我們從安全指導(dǎo)思想層面對它進(jìn)行討論,統(tǒng)一認(rèn)識。因此,本文重點不探討具體的安全技術(shù)問題,而著重于探討熱工自動化安全技術(shù)配置的指導(dǎo)思想問題。
  
  一、熱工保護(hù)設(shè)計指導(dǎo)思想
  
  如何處理“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”和“保發(fā)電”的關(guān)系,以及如何對待事故處理中依靠人還是依靠熱工保護(hù),決定了火電廠熱工保護(hù)設(shè)計的指導(dǎo)思想,而不同的指導(dǎo)思想又決定了各個歷史階段的具體熱工保護(hù)系統(tǒng)的配置。縱觀歷史,我國火電廠熱工保護(hù)發(fā)展經(jīng)歷了不同指導(dǎo)思想的三個發(fā)展階段:
  
  1)熱工保護(hù)的低級階段
  
  上世紀(jì)八十年代,我國火電廠熱工保護(hù)處于發(fā)展的低級階段,它的特征是:以報警為主,跳閘保護(hù)項目很少;事故處理時強(qiáng)調(diào)人的作用,依靠運(yùn)行人員處理;處理事故的原則是盡量不跳機(jī)、保發(fā)電。這在當(dāng)時熱工自動化技術(shù)落后、可靠性低,機(jī)組容量小、參數(shù)變化慢,以及電網(wǎng)容量小、比較脆弱的情況下,這種指導(dǎo)思想是*正確的。
  
  2)熱工保護(hù)適應(yīng)大機(jī)組的發(fā)展階段
  
  上世紀(jì)九十年代,我國電力行業(yè)逐步進(jìn)入大電網(wǎng)、大機(jī)組的時期,熱工自動化技術(shù)飛躍發(fā)展,這種背景下,產(chǎn)生了一種全新的熱工保護(hù)設(shè)計理念,主要體現(xiàn)在以下兩個方面:
  
 ?、賵猿?ldquo;保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”*的安全指導(dǎo)思想,在大電網(wǎng)條件下,決不可將不跳機(jī)、保發(fā)電等同于保電網(wǎng)。
  
 ?、诎l(fā)揮人的能動性主要體現(xiàn)在精心設(shè)計和選型、精心調(diào)試上,而在事故處理的緊急情況下,則應(yīng)首先依靠熱工保護(hù),運(yùn)行人員則發(fā)揮輔助作用。
  
  根據(jù)新的保護(hù)指導(dǎo)思想,大機(jī)組熱工跳閘保護(hù)項目相當(dāng)完善;事故處理時主要依靠保護(hù);保護(hù)設(shè)計原則是保人身、保設(shè)備的安全*,“寧愿誤動,不應(yīng)拒動”。在新舊兩種保護(hù)理念更替中,引起了激烈的爭論,有些問題至今仍爭論不斷,其中zui典型的問題表現(xiàn)在要不要堅持設(shè)置“停爐停機(jī)”保護(hù)問題的爭論。目前有一部分電廠沒有按照設(shè)計規(guī)程執(zhí)行,停爐不停機(jī),理由是:停爐后不停機(jī),運(yùn)行人員可通過手動操作把負(fù)荷降下來,利用鍋爐蓄熱,汽輪機(jī)帶低負(fù)荷運(yùn)行,一旦檢查沒有什么大故障,便立即點爐啟動,省去汽機(jī)啟動并網(wǎng)過程。首先,這種做法潛伏著重大人身傷害和設(shè)備損壞事故的危險。實踐告訴我們,鍋爐MFT和汽機(jī)快速降負(fù)荷需要運(yùn)行人員監(jiān)視大量信息,并執(zhí)行一系列操作,稍有不慎,可能因操作不當(dāng)而擴(kuò)大事故。汽機(jī)降低負(fù)荷不及時,汽壓急劇下降有可能導(dǎo)致蒸汽帶水、管道和汽輪機(jī)水沖擊;此外,這種降負(fù)荷過程以及突降到低負(fù)荷下運(yùn)行將造成汽包和汽機(jī)極大的熱應(yīng)力和脹差。實踐證明,這類事故并不少見;至于帶廠用電的好處,對于大電網(wǎng)和多機(jī)組電廠來說,作用并不明顯;而對于孤網(wǎng)運(yùn)行,且由于系統(tǒng)解列導(dǎo)致鍋爐MFT停運(yùn)情況,帶廠用電是有重要意義的。但是,目前傳統(tǒng)的DEH和AVR系統(tǒng)無法滿足這方面要求,對于這類特殊電廠需要做專門設(shè)計。
  
  談到恢復(fù)快和電網(wǎng)考核,這屬于經(jīng)濟(jì)方面的考慮了。大型單元機(jī)組解列與否對恢復(fù)時間的差別并不是很大,此外,這種考核方法也值得商討,不正確的考核會產(chǎn)生錯誤的導(dǎo)向。對于電網(wǎng)來說,如果機(jī)組帶不上負(fù)荷,并網(wǎng)與否差別不大(僅差帶無功),電廠多臺機(jī)組,恢復(fù)略慢所差負(fù)荷*可有其它機(jī)組補(bǔ)上。為了經(jīng)濟(jì)上這點區(qū)區(qū)小利而冒如此大的風(fēng)險,而將如此大的責(zé)任壓到運(yùn)行人員身上,顯然是不妥的。
  
  3)熱工保護(hù)向進(jìn)一步完善化的發(fā)展階段
  
  我國大機(jī)組熱工保護(hù)理念及其配置從引進(jìn)到現(xiàn)在的十多年來,人身傷害和設(shè)備損壞等重大事故大幅減少,但是,保護(hù)誤動造成非計劃停運(yùn)的事故與初期相比雖有所減少,但仍然高達(dá)平均每臺機(jī)組2-4年發(fā)生一次,由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失仍然不可忽視,因此,客觀上要求熱工保護(hù)進(jìn)一步完善化,即在堅持“保人身、保電網(wǎng)、保設(shè)備”的前提下盡可能減少誤動,以獲取機(jī)組的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益?!痘鹆Πl(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)指南》(文獻(xiàn)1)中規(guī)定的一些保護(hù)邏輯修改正是反映了這一發(fā)展階段的部分成果,例如:
  
 ?、偎慕菄娙煎仩t的中速磨煤機(jī)跳閘條件應(yīng)改為:A(B/C/D/E)層相鄰兩角或三角火焰喪失,且相鄰層火焰和該層點火能源都喪失。
  
 ?、趯τ谄麢C(jī)振動保護(hù)常誤動、可靠性差以致該保護(hù)不能投入的機(jī)組,允許汽機(jī)振動大跳機(jī)的邏輯修改為:一個軸承振動達(dá)到事故值,且相鄰軸承任一振動達(dá)到報警值,經(jīng)一定延時后應(yīng)立即停機(jī)。邏輯修改后,當(dāng)任一軸承振動達(dá)到事故值時,應(yīng)有明顯的聲光報警,此時,運(yùn)行人員應(yīng)及時進(jìn)行判別,除非明確斷定是振動信號誤發(fā),否則運(yùn)行人員應(yīng)及時手動停機(jī)。
  
  二、分散控制系統(tǒng)及其后備監(jiān)控設(shè)備配置指導(dǎo)思想
  
  目前DCS不僅覆蓋了熱工自動化方面所有功能,還包括了電氣監(jiān)控功能,后備監(jiān)控設(shè)備也幾乎全部取消。這在提高儀表與控制(I&C)水平的同時也使DCS對火電廠安全性的影響日益增大,DCS故障導(dǎo)致機(jī)組安全隱患、機(jī)組非計劃停運(yùn),甚至全廠(或兩臺機(jī)組)停電事故的機(jī)率明顯增加,為了進(jìn)一步提高火電機(jī)組運(yùn)行的安全性,需要我們進(jìn)一步發(fā)展DCS的安全技術(shù)。
  
  DCS安全技術(shù)包括兩個方面:
  
  1)提高DCS可靠性,從源頭上減少DCS故障發(fā)生率,例如,提高DCS電磁兼容性,開發(fā)安全控制器等。
  
  2)合理配置DCS及其后備監(jiān)控設(shè)備,減少DCS故障的影響程度。這是本章要重點討論的課題。
  
  根據(jù)當(dāng)DCS故障時zui大限度減小對機(jī)組安全運(yùn)行的影響這一指導(dǎo)思想,《火力發(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)指南》中提出一系列新的DCS配置要求,例如:
  
  1)對于循環(huán)水泵、空冷機(jī)組的冷卻水泵以及儀用空壓機(jī)等重要公用系統(tǒng)(或擴(kuò)大單元系統(tǒng)),應(yīng)按單元或分組納入單元機(jī)組DCS中,以免因公用DCS故障而導(dǎo)致全廠或兩臺機(jī)組同時停止運(yùn)行。
  
  2)控制器宜按工藝系統(tǒng)功能區(qū)配置。重要的多臺冗余或組合的輔機(jī)(輔助設(shè)備)應(yīng)按下列原則配置,以確保一對控制器故障不會造成機(jī)組被迫停止運(yùn)行:
  
 ?、偎惋L(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、凝結(jié)水泵和循環(huán)水泵等兩臺冗余的重要輔機(jī),以及A、B段廠用電應(yīng)分別配置在不同的控制器中,但允許送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等縱向組合在一個控制器中。
  
 ?、诮o水泵、磨煤機(jī)和油燃燒器等多臺冗余或組合的重要設(shè)備應(yīng)適當(dāng)分組配置到幾個控制器中。
  
  3)為了減少一對控制器故障對模擬量控制系統(tǒng)失靈造成的影響,重要模擬量控制回路應(yīng)適當(dāng)分散配置,影響同一重要參數(shù)的控制回路應(yīng)盡量配置在不同控制器中,例如,主汽一級和二級減溫控制系統(tǒng)、再熱汽擺動火嘴和噴水控制系統(tǒng)、送風(fēng)和引風(fēng)控制系統(tǒng)等不宜配置在同一對控制器中。
  
  4)控制器(包括汽包水位)的配置必須嚴(yán)格遵循重要保護(hù)和控制分開配置的獨立性原則。
  
  5)DEH控制器應(yīng)按失電或故障時自動停止機(jī)組運(yùn)行的故障安全原則配置。FSS和ETS控制器在其繼電器執(zhí)行回路已按故障安全原則配置時,其跳閘輸出可按帶電動作原則配置。
  
  6)除DEH控制器外,當(dāng)任何一對控制器故障時,為確保短時恢復(fù)期間機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷能安全運(yùn)行,除應(yīng)按照要求配置硬接線后備監(jiān)控設(shè)備外,至少對下列重要安全參數(shù),應(yīng)在二對控制器中同時予以配置:
  
  ①汽包水位(超臨界壓力機(jī)組除外)
  
 ?、谥髡羝麎毫?br />  
 ?、壑髡羝麥囟?br />  
 ?、茉贌嵴羝麥囟?br />  
 ?、轄t膛壓力
  
  至于DCS后備監(jiān)控設(shè)備,我們也應(yīng)根據(jù)下述問題對目前的配置方案重新進(jìn)行思考:
  
  1)在DCS局部故障時能否維持短時穩(wěn)定負(fù)荷下運(yùn)行?
  
  2)DCS在發(fā)生全局性或重大故障而緊急停機(jī)過程中能否確保機(jī)組真正安全?遺憾的是,系統(tǒng)分析和實踐無法給我們以肯定無誤的回答。
  
  當(dāng)DCS發(fā)生全局性或重大故障時,目前機(jī)組配置的后備操作設(shè)備為我們提供了發(fā)出停機(jī)、停爐,啟動交、流潤滑油泵,打開真空破壞門等指令的手段,但是,停機(jī)、停爐是一個復(fù)雜的過程,需要進(jìn)行一系列操作,這將全部依賴獨立于DCS的保護(hù)和聯(lián)鎖回路去自動執(zhí)行。任何一個熟悉運(yùn)行的人都很清楚,其中有相當(dāng)一部分操作如果沒有被正確執(zhí)行將不能保證停機(jī)過程中機(jī)組的安全,例如:發(fā)出停爐指令后一臺磨煤機(jī)沒有停止運(yùn)行、給水閥門或減溫水閥門沒有關(guān)閉,發(fā)出停機(jī)指令后主汽門或調(diào)速汽門沒有關(guān)閉,抽汽逆止門沒有關(guān)閉,潤滑油泵不能正常供油等這都將嚴(yán)重危及機(jī)組安全。事故調(diào)查也證明,保護(hù)和聯(lián)鎖拒動的現(xiàn)象也不是*罕見的。
  
  當(dāng)DCS發(fā)生局部故障時,例如,一對冗余的給水控制器、汽溫控制器或爐膛負(fù)壓控制器故障,如果我們?nèi)韵刖S持短時運(yùn)行,那么目前的DCS控制器配置以及后備監(jiān)控設(shè)備配置是否能滿足要求呢?答案也是否定的。
  
  根據(jù)上述配置指導(dǎo)思想,作者認(rèn)為目前的后備監(jiān)控儀表和報警裝置應(yīng)按下列要求修改配置:
  
  1)后備監(jiān)視儀表
  
 ?、馘仩t汽包電接點水位表(必須選用經(jīng)實踐證明安全可靠,全程測量準(zhǔn)確)
  
 ?、阱仩t爐膛火焰工業(yè)電視
  
 ?、勰髡婵毡?br />  
  ④汽機(jī)轉(zhuǎn)速表
  
  ⑤發(fā)電機(jī)功率表
  
  2)后備報警裝置
  
  根據(jù)前面論述,為了確保DCS故障時維持機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷下短時運(yùn)行或緊急停機(jī)過程中安全,必須監(jiān)視一些重要安全參數(shù)是否在安全范圍內(nèi),主要跳閘或聯(lián)鎖保護(hù)是否正確動作,但是,由于裝設(shè)過多后備儀表和后備操作設(shè)備問題較多,因此,適當(dāng)增加后備報警裝置,用較小代價換取機(jī)組的安全就是的選擇了。因此,我們建議單元機(jī)組必須按下列原則配置足夠數(shù)量的報警信號:
  
 ?、僦饕踩珔?shù)達(dá)到Ⅱ值和Ⅲ值。
  
 ?、谥饕娫春蜌庠聪А?br />  
 ?、蹤C(jī)組跳閘和主要保護(hù)聯(lián)鎖動作。
  
  三、“開放”思想,引進(jìn)電控安全技術(shù)
  
  目前DCS不僅覆蓋機(jī)組熱工自動化功能,而且早已將機(jī)組電控也納入其中,甚至不久將出現(xiàn)在一個電廠內(nèi)用同型DCS實現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。但是,由于DCS的開發(fā)和應(yīng)用長期來一直以熱工自動化專業(yè)為主體,因此,為了推動DCS技術(shù)進(jìn)步,開發(fā)和應(yīng)用DCS的熱工自動化公司和人員應(yīng)當(dāng)“開放”思想,跳出狹隘的圈子,研究電控的需要,引進(jìn)電控的技術(shù),特別是安全技術(shù),使DCS的開發(fā)和應(yīng)用全面吸收二個專業(yè)發(fā)展的技術(shù)成果,并使DCS充分滿足機(jī)組(或全廠)的,而不是某個專業(yè)用的自動化系統(tǒng)。舉例來說,在電氣專業(yè)領(lǐng)域內(nèi),為了確保可靠性,規(guī)定繼電保護(hù)裝置EMC試驗(包括靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌(沖擊)抗擾度以及磁性抗擾度等試驗)各項指標(biāo)應(yīng)達(dá)到GB/T17626(IEC61000-4)Ⅳ級要求,測控單元應(yīng)達(dá)到Ⅲ級要求。但是,目前國內(nèi)外DCS對EMC等級均無明確要求,僅有個別DCS通過測試正式宣布達(dá)到Ⅲ級有以上。這種現(xiàn)狀很不適應(yīng)DCS應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展和安全性提高的要求。因此,我們應(yīng)參考電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)制訂的EMC要求??紤]到目前實際情況,《火力發(fā)電廠熱工自動化安全技術(shù)應(yīng)用指南》建議“DCS的EMC等級應(yīng)達(dá)到GB/T17626Ⅲ級及以上等級要求”,其中個別項目暫時達(dá)到有困難時,“zui低也不允許低于Ⅱ級”,但是應(yīng)盡快改進(jìn)以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。
  
  四、結(jié)束語
  
  我國火電廠熱工自動化安全技術(shù)飛速發(fā)展,并積累了豐富的經(jīng)驗,為了統(tǒng)一認(rèn)識正確總結(jié)經(jīng)驗需要我們有一個適應(yīng)形勢發(fā)展的新的安全技術(shù)指導(dǎo)思想。但是,當(dāng)這些安全技術(shù)還沒有成為行業(yè)規(guī)范或適當(dāng)?shù)男姓噶顣r,一個設(shè)計單位或電力企業(yè)往往是不敢應(yīng)用的。例如,汽包水位測量和保護(hù)技術(shù)近七、八年有了重大突破,并已取得大量成功應(yīng)用經(jīng)驗,但由于沒有一個與之相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),嚴(yán)重束縛了它的推廣應(yīng)用,使不少電廠仍存在嚴(yán)重隱患;又如,十年前人們已經(jīng)認(rèn)識到許多參數(shù)使用變送器代替開關(guān)量儀表取得保護(hù)信號更為可靠,但是,由于規(guī)程至今沒有修改,設(shè)計依然照舊??梢姡訌?qiáng)行業(yè)技術(shù)管理,、不適時機(jī)的制訂安全技術(shù)規(guī)范和行政指令是何等重要。遺憾的是,我國電力行業(yè)技術(shù)管理相對比較落后,特別是國家電力公司解體以來,行業(yè)技術(shù)管理明顯削弱,業(yè)內(nèi)人士無不憂心重重。由于這涉及深層次體制問題,也超出了本文范圍,因此,只是提出來作為本文的結(jié)束語。

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