讨论火电厂热工自动化安全系统的设计

摘要：热工自动化安全控制系统为火电厂的发展以及稳定的电力供应提供了强有力的保障，而热工自动化安全控制系统的设计就显得尤为重要。本文主要对火电厂自动化安全控制系统的设计进行了探讨，分析了热工自动化安全系统发展过程中各个阶段的设计理念。

关键词： 火电厂；热工自动化；安全系统；设计

中图分类号：S611文献标识码： A

随着国民经济的发展，整个社会对于电力的需求越来越大，南方部分城市已经发生了电荒，这就迫使电厂不得不加速运行，以保障供电的稳定性。火电厂在全国电厂中占有重要地位，它的安全运行影响着全国的电力供应，因此，火电厂热工自动化安全控制系统的应用显得格外重要，只有安全控制系统正常运作，火电厂才能在无事故中健康发展。

一、热工保护的设计理念

（一）初级阶段

上个世纪 80 年代左右， 我国的火电厂热工保护设计状态正处于比较初级的阶段，其以报警为主， 跳闸保护项目很少，事故处理时强调人的作用， 主要依靠运行人员来操作。处理事故的主要原则是尽可能不跳机、保发电，这种设计理念在当时热工自动化技术落后、可靠性低、机组容量小、参数变化慢及电网容量较小、较为脆弱的情况下，也是完全合理的。

（二）适应大机组的发展阶段

20 世纪 90 年代，我国电力行业逐步进入大电网、大机组时期。热工自动化技术飞跃发展，这种背景下，产生了一种全新的热工保护设计理念。主要体现在以下 两个方面：

1、坚持“保人身、保电网、保设备”第一的安全指导思想， 在大电网条件下，决不可将不跳机、保发电等同于保电网。

2、发挥人的能动性主要体现在精心设计和选型、精心调试上，事故处理的紧急情况下应首先依靠热工保护，运行人员则发挥辅助作用。

当设备运行情况异常或参数超过允许值时，及时发出警报并进行必要的动作，以免发生危及设备和人身安全事故，因此必须要进行精心的设计和选型。锅炉的自动保护主要由：灭火自动保护，汽包高低水位自动保护，超温、超压自动保护、再热汽保护、主蒸汽压力保护、辅机启停及其事故状态的联锁保护。汽轮机自动保护主要由：超速、轴向位移、振动、胀差、给水加热器、低真空等的保护。

而工作人员主要是巡视和检查，发现热工自动化系统可能存在一些会影响发电机组安全、经济、稳定运行的隐患时，要及时的进行处理和检查，保证发电机组的安全、稳定运行。并要对那些必须停运的设备和停炉停机现象及须解除系统才能消除的隐患和缺陷，要做好相应的记录工作，并进行必要的、及时的处理。假如不能处理好工作人员要做照相应的记录，并说明原因，还要积极和相关部门或者设备厂家进行联系，做好相应的安全防范措施。

（三）进一步完善化的发展阶段

从目前的资料来看，我国的大机组热工保护理念以及相关配置从引进到现在的 10 多年来，人身伤害和设备损坏等重大事故大幅减少，而保护误动造成非计划停运的事故与初期相比虽然有所减少，但是平均每台机组的事故率仍然较高，由此也带来不小的经济损失。因此，客观上要求热工保护进一步完善化，即在坚持“保人身、保电网、保设备”的前提下尽可能减少误动，以获取机组最好的发电经济效益。《火力发电厂热工自动化安全技术指南》中规定的一些保护逻辑修改正是反映了这一发展阶段的部分成果, 例如:

1、在四角喷燃锅炉的中速磨煤机跳闸的条件应当修改成为：A(或者是B/C/D/E)层相邻 2 角或 3 角火焰丧失，且相邻层火焰和该层点火能源都丧失。

2、我们对汽轮机振动保护经常误动以及可靠性较差，导致该保护不能投入的机组的情况来说，应当将允许“汽轮机振动大”跳机的逻辑修改为：1个轴承振动达到事故值，并且相邻轴承任一振动达到报警值，经一定延时后应立即停机。逻辑修改后，当任一轴承振动达到事故值时，应有明显的声光报警，此时，运行人员应及时进行判别，除非明确断定是振动信号误发，否则运行人员应及时手动停机。

二、DCS 及其后备监控设备配置的设计理念

目前 DCS 不仅覆盖了热工自动化方面的所有功能，还包括了电气监控功能，后备监控设备也几乎全部取消。这在提高仪表性能与自动化控制水平的同时也使 DCS 对火电厂安全性的影响日益增大，DCS 故障导致机组安全隐患、机组非计划停运，甚至全厂(或 2 台机组)停电事故的机率明显增加。为进一步提高火电机组运行的安全性，需进一步发展 DCS 的安全技术。

基于当 DCS 故障时最大限度减小对机组安全运行影响的设计理念，《火力发电厂热工自动化安全技术指南》中提出一系列新的 DCS 配置要求，例如：

1、控制器最好按照工艺系统功能区来配置。重要的多台冗余或组合的辅机( 辅助设备) 应按下列原则配置，以确保控制器故障不会造成机组被迫停止运行：a.送风机、引风机、一次风机、凝结水泵和循环水泵等2 台冗余的重要辅机及 A、B 段厂用电应分别配置在不同的控制器中, 但允许送风机和引风机等纵向组合在 1个控制器中。b.给水泵、磨煤机和油燃烧器等多台冗余或组合的重要设备应适当分组配置到几个控制器中。

2、为了减少控制器故障对模拟量控制系统失灵造成的影响，重要模拟量控制回路应适当分散配置, 影响同一重要参数的控制回路应尽量配置在不同控制器中，如主蒸汽一级和二级减温控制系统、再热蒸汽摆动火嘴和喷水控制系统、送风和引风控制系统等不宜配置在同一对控制器中。

3、DEH 控制器应当按照失电或故障时自动停止机组运行的故障安全的原则来配置。炉膛安全系统(FSS) 和汽轮机紧急跳闸系统(ETS) 控制器在其继电器执行回路已按故障安全原则配置时, 其跳闸输出可按带电动作原则配置。

4、除了 DEH 控制器之外，应当在任何一对控制器故障时，为了确保短时恢复期间机组在稳定负荷能安全运行，除应按要求配置硬接线后备监控设备外，至少对下列重要安全参数应在2对控制器中同时予以配置：汽包水位( 超临界压力机组除外)、主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度、炉膛压力。

当 DCS 发生全局性或重大故障时，目前机组配置的后备操作设备提供了发出停机、停炉、启动交、直流油泵，打开真空破坏门等指令的手段。但停机、停炉是一个复杂的过程，需要进行一系列操作，这将全部依赖独立于 DCS 的保护和联锁回路去自动执行。熟悉运行的人都很清楚，其中有相当一部分操作如果没有被正确执行将不能保证停机过程中机组的安全，如发出停炉指令后有任1台磨煤机没有停止运行、给水或减温水阀门没有关闭，发出停机指令后主汽门或调速汽门没有关闭，抽汽逆止门没有关闭，油泵不能正常供油等都将严重危及机组安全。事故调查也证明，保护和联锁拒动的现象也时有发生。

我们都知道，在实践中，当 DCS 发生局部故障时, 若一对冗余的给水控制器、汽温控制器或炉膛负压控制器故障，如仍想维持短时运行，则目前的DCS 控制器配置及后备监控设备配置是否能满足要求，答案也是否定的。根据上述配置指导思想，笔者认为目前的后备监控仪表和报警装置应按下列要求修改配置：

1、后备监视仪表：a. 锅炉汽包电接点水位表(必须选用经实践证明安全可靠，全程测量准确)；b.锅炉炉膛火焰工业电视；c. 凝汽器真空表；d. 汽轮机转速表；e.发电机功率表。

2、后备报警装置：为确保 DCS 故障时维持机组稳定负荷下短时运行或紧急停机过程中的安全，必须监视一些重要安全参数是否在安全范围内，主要跳闸或联锁保护是否正确动作，但装设过多后备仪表和后备操作设备带来的问题较多。因此，适当增加后备报警装置，用较小代价换取机组的安全是最好的选择。建议单元机组必须按下列原则配置足够数量的报警信号：a、主要安全参数达到二值和三值；b、主要电源和气源消失； c、机组跳闸和主要保护联锁动作。

三、电控安全技术的引进

目前的DCS不但覆盖了机组热工自动化功能，并且早已经将机组电控也收至麾下，这样说来可以在不久的将来实现在一个电厂内用同型 DCS 实现电气网络监控功能。但 DCS的开发和应用长期以来一直以热工自动化专业为主体，因此，为了推动 DCS 技术进步，开发和应用 DCS的热工自动化公司和技术人员应当“开放”思想，研究电控的需要，引进电控技术，特别是安全技术，使 DCS 的开发和应用全面吸收 2个专业发展的技术成果，并使 DCS 成为充分满足机组( 或全厂) 而不是某个专业用的自动化系统。举例说明：在电气专业领域内，为了确保可靠性，规定继电保护装置电磁兼容性(EMC) 试验( 包括静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌( 冲击) 抗扰度及磁性抗扰度等试验) 各项指标应达到GB/T17626(IEC61000- 4)4 级要求，测控单元应达到 3 级要求。

四、结语

目前，我国火电厂热工自动化安全控制系统的技术正快速的发展，但与国外发达国家相比，技术水平还是较为落后的，这就需要我们共同去努力，去创新技术，并要加强技术的管理工作，从而追赶并要超越国外的先进技术水平。

参考文献：

[1]张洪刚.火电厂热工自动化的安全系统研究[J].中国机械,2013,(11).

[2]马丹.关于火电厂热工自动化的安全系统分析[J].科技传播,2014,(1).

[3]蔡新鹏,赵清燕,陈杰.关于火电厂热工自动化的安全系统分析[J].商情,2013,(28).

作者简介：王凯 男 2009年毕业于西安工业大学 自动化专业