300MW火力发电机组交流事故保安段分段改造的实施探讨

引言

火力发电厂厂用交流事故保安电源系统负责为机组运行时所有0、I类负荷提供工作电源,同时在全厂停电或单元机组失去厂用电时,它也是保证机炉设备安全或者防止人身伤害等必需的交流电源系统。依据《火力发电厂厂用电设计技术规程》(DL/T5153一2014),交流保安电源宜采用自动快速启动的柴油发电机组,每台300MW机组设置一台柴油发电机组,交流保安母线段应采用单母线接线,按机组分段。

保安电源的接线方式及工作电源、备用电源的切换方式与系统的安全性和可靠性密切相关,并直接关系到主设备的安全运行及人员人身安全,是交流事故保安电源系统设计的主要原则。在火力发电厂中,汽机盘车电机、交流润滑油泵、各种辅机的润滑油泵、火检风机及电厂的UPS工作电源、事故照明等直接影响主设备安全和运行管理的负荷均接在交流事故保安电源系统中,经过长期运行实践,依据《火力发电厂厂用电设计技术规程》(DL/T5153一2014)设计的保安段方案,在安全性、可靠性及运行试验等方面已经表现出一些不足。

1300MW机组保安段现状

本文以国能江油热电有限公司2×300MW机组保安段系统为例,探讨300MW机组保安段的现状。

1.1保安段母线方式及负荷配置

如图1所示,国能江油热电有限公司2×300MW机组汽机保安段现采用单母线方式运行,其负荷基本都是采用双套配置的,同时双套负荷基本分开布置在保安段的两侧。

图1汽机保安段一次系统图

1.2保安段控制切换方式

以汽机保安段为例,保安段电源采用两路PC段供电、一路柴油发电机供电的方式,其切换采用DCS逻辑组态,投联锁后可自动切换。汽机保安段的切换试验如下:

(1)DCS控制回路:保安段任意开关在合位,只要给DCS发低电压信号,DCS联锁投入,DCS将断开工作开关:同时检测柴油发电机进线开关在断位,另一备用开关的上级开关在合位,将发指令合另一备用开关:如低压信号仍在,将继续发刚合上的开关:同时启动柴油发电机,启动正常后合柴油发电机出口开关,继续检测到两路工作电源开关均在断开位置及低电压故障信号,将合保安段柴油发电机进线开关。

(2)电气控制回路:任一进线上级开关将通过进线开关xB1连跳进线开关,或者母线电压低同时柴油发电机出口开关4300合将通过本进线开关出口压板xB2跳保安段工作一或工作二进线开关,同时电气回路通过柴油发电机进线开关断位、一路工作电源开关分位,另一路工作电源开关上级开关合位直接合另一路工作电源开关,不判失压信号:或者通过低压信号加工作电源开关高跳低回路接点和xB3压板直接合另一工作电源进线开关。

(3)DCS回路通过检测两个保安段进线开关断位、低电压信号和柴油发电机进线开关合位自动发合保安段柴油发电机进线开关。

2保安段的失电故障情况及分析

2.1保安段失电事件

近年来,某公司已发生多起非停事件:

(1)2020年12月某电厂31号机组火检冷却风失电非停事件。该机组锅炉MCC2段上某抽屉开关空开上桩头发生三相金属性短路,短路故障导致该机组锅炉PC-A段跳闸。锅炉PC-A段失电引起锅炉保安段失电,同时因中间继电器线圈损坏,PT低电压信号无法送至DCS逻辑,保安段切换失败,最终导致保安段失电,机组跳闸。

(2)2021年7月四川某电厂送风机油站故障非停事件。送风机油泵电机故障时,因未能快速切除故障点,故障进一步扩大,造成380V锅炉保安段电压降低至60%Un。由于保安段上380V负荷控制电源均采用交流控制,取自自身动力电源,电压降低引起本机组锅炉A、B侧送风机油站控制箱内电源均掉电,同时保安段上A/B空预器稀油站、A/B火检风机等运行设备就地控制箱均因保安段电压低掉电,送风机油站油压低,A/B送风机跳闸,"送风机全停"发出,触发"锅炉MFT"动作,机组跳闸。

总结上述两起非停事件,究其根本,均是锅炉保安段失电、失压,最终导致机组停机。上述两起非停事件充分暴露了保安段单段运行供电的弊端,因此保安段单段运行的供电可靠性问题逐渐引起各电厂重视。

2.2防止保安段失电情况分析

火电机组保安段上设备绝大部分为机组0、I类负荷,且危及机组安全运行的设备均为双套配置。对于单段保安段机组,其重要的0、1类负荷均配置于同一段上,《火力发电厂厂用电设计技术规程》中未明确300MW机组保安段分段配置,而在国内相同等级机组的实际运行过程中单母线运行方式频繁出现失电、失压事件,已发生过多起因保安段某一设备故障引起整个保安段失电,最终保安段失电导致机组非停的事件。从近年来新建机组保安段配置情况看,新建机组均采用了保安段分段配置的形式。

综上所述,从火力发电厂机组设计理念和电厂实际运行情况来看,对发电厂保安段进行分段已是电力系统及电厂设计、实际运行的潮流方向。调查研究国内相同容量机组,部分发电厂已提前实施了保安段分段改造,其中就包括广安电厂。通过向广安电厂咨询分段改造后设备运行情况及机组安全情况,得知改造后机组运行良好,双套配置的设备各自运行、互不影响。咨询新建机组天明电厂,其保安段均采用双段分段配置,调试状态良好。

根据国能江油热电现保安段采用单母线方式运行的实际及保安段的负荷配置,可以得出保安段负荷基本都是采用双套配置,同时双套负荷基本分开布置在保安段两侧。从5#、6#柜间将原保安段母线分段(1#~5#柜为保安1段,6#、7#柜为保安Ⅱ段),双套配置的负荷基本能分开布置到分段后保安段的两段上,少量负荷可进行调整。因此,将现有母线分段并双套配置的负荷分段布置更加安全、可靠,也更有利于设备运行,能降低机组的非停风险。

3防止保安段完全失电、失压的解决方案

为防止运行机组所有o、I类负荷同时失电,引起机组非计划停运及设备损坏,提出对现有保安段进行分段改造(分为I段、Ⅱ段)[4],以解决保安段在安全性、可靠性以及运行试验等方面经过长期的运行实践所表现出的问题。根据国能江油热电300MW机组现场实际情况,同时借鉴其他电厂保安段分段经验,提出300MW机组实施保安段分段的3种方案[5]。本文以#3机汽机保安段分段为例,具体如下。

3.1方案1:将保安段分为各自独立运行的两段

分段方案1如图2所示,将保安段分为完全独立的两段,对汽机保安段进行分段改造。

根据300MW机组汽机保安段上现有运行设备布置情况,可将汽机保安段直接分段,将双套配置的设备分别布置在分开后的两段上。分开后的两段保安段工作电源一路取自汽机PC-A段,另一路取自汽机PC-B段。分开后的两段保安段的柴油发电机备用电源采用并联的方式取自原柴油发电机备用电源开关的进线处。

(1)一次系统配置:分段后的两段保安I段、Ⅱ段均设置两路工作电源(分别取自PC-A和PC-B段)、一路柴油机电源(利用原柴油机段的断路器及电缆,在保安段处并接两个断路器,分别为I段、Ⅱ段供电),每段配母线PT柜。分段后系统如图2所示,标准运行方式:保安I段,PA-A段为工作电源,PA-B段为备用电源:保安Ⅱ段,PA-B段为工作电源,PA-A段为备用电源:自动联动。

(2)控制及切换逻辑:需增加热工点位及逻辑控制方式,控制及切换逻辑参照现有保安段控制及切换逻辑(通过DCS组态实现)。

(3)设备增加情况:需增加两面配电柜:含三个电源断路器柜、一个PT柜。机组锅炉PC-A/B段有框架断路器的备用间隔,无须增加配电柜,但需要更换原有断路器。机组汽机PC-A/B段无框架断路器的备用间隔,汽机PC-A/B段需各增加配电柜一面(两个电源断路器)。PC段至新增的保安段及柴油发电机备用电源并联采用动力电缆(RZ-vJV22-13*185+95)。参照现有保安段增加控制及切换逻辑,每段的三路电源可以自动、手动切换,工作/备用电源可自动联动。

本方案分段改造的优缺点如下:

优点:两段完全独立,电源配置完备,可靠性高,能够解决问题:控制及切换逻辑基本按原设计,已实际使用,成熟可靠。

缺点:相比方案2每台机组需多增加两面配电柜(汽机PC段)、4个框架断路器以及PC段至保安段的电缆,投资较方案2高约3o万元:需从PC段新增电源,工程量较大。

3.2方案2:将保安段分成能够互相备投的两段

分段方案2如图3所示,将保安段分成能够互相备投的两段,对汽机保安段进行分段改造。

图3分段方案2

根据300MW机组汽机保安段上现有运行设备布置情况,可将汽机保安段分为两段后中间采用DCS切换或电源切换装置进行两段之间的连接切换。将原保安段上双套配置的设备分别布置在分开后的两段上,将原保安段的两路工作电源分别接至分开后的两段保安段上作为各自的工作电源。分开后的两段保安段的柴油发电机备用电源采用并联的方式取自原柴油发电机备用电源开关的进线处。

(1)一次系统配置:分段后的两段保安I段、Ⅱ段间设置联络开关,每段一路工作电源(I段取自PC-A段,Ⅱ段取自PC-B段),每段设置一路柴油机电源(利用原柴油机段的断路器及电缆,在保安段处并接两个断路器,分别为I段、Ⅱ段供电),每段配母线PT柜。分段后系统如图3所示,标准运行方式:保安I段由PA-A段供电,保安Ⅱ段由PA-B段供电,I段、Ⅱ段通过联络开关互为备用,自动联动。

(2)控制及切换逻辑:需要对现有DCS逻辑进行设计修改,改动较大。此种方案虽然投资较少,但切换时配合环节多,DCS逻辑改动较多,点位增加较多。保安段两段之间存在同级之间的联络关系。

(3)设备增加情况:需增加两面配电柜,含一个联络断路器柜、柴油机电源、一个PT柜。机组汽机、锅炉PC-A/B段无须增加配电柜。增加联络开关及柴油发电机备用电源并联的动力电缆(RZ-yJV22-13*185+95)。I段、Ⅱ段工作/备用电源联络间可自动联动(通过DCS组态或电源切换装置实现),也可不自动联动,通过人工断合。

本方案分段改造的优缺点:

优点:投资较方案1少:无须从PC段新增电源,工程量少。

缺点:切换时两段工作电源间、工作电源与联络开关、柴油机与工作电源和联络开关间相互配合环节多,需重新设计DCS逻辑,有一定风险。

3.3方案3:柴油发电机进线不变,将保安段分成能够互相备投的两段

分段方案3如图4所示,柴油发电机进线不变,将保安段分成能够互相备投的两段,对汽机保安段进行分段改造。

图4分段方案3

方案3与方案2相同之处不再赘述,仅在柴油发电机进线方式上有所不同,分段后的两段保安段根据实际分段情况保持原柴油发电机备用电源进线开关和位置不变,即柴油发电机备用电源进线只上两段保安段的其中一段。采用此方案分段,可最大限度降低投资、减少施工,也是分段变动最小的方案。

(1)一次系统配置:分段后系统如图4所示。

(2)控制及切换逻辑:需要对现有DCS逻辑进行设计修改,增加开关不多,改动不大,可采用电源自动切换装置进行两段间的切换。此种方案投资最少,新增开关不多,切换逻辑变动不大,DCS可实现。

(3)设备增加情况:需增加一个联络断路器、一个PT柜。增加联络开关之间的动力电缆(RZ-YJV22-13*185＋95)。I段、Ⅱ段工作/备用电源联络间可自动联动(通过DCS组态或电源切换装置实现),也可不自动联动,通过人工断合。

本方案分段改造的优缺点:

优点:本方案投资最少,系统变动最小,施工难度小,切换逻辑变动小。

缺点:保安段两段之间存在同级之间的联络关系。

4结语

本文阐述了现行300MW机组保安段电源一次系统母线及各负荷的运行方式,分析提出了保安段电源分段的改造方案、改造过程及优化空间。各300MW机组发电厂在实施机组保安段分段技改时,可根据各自具体情况选择不同的分段方案实施。交流保安电源是发电厂厂用电系统的重要组成部分,在实际供电方式中,各厂还可结合自身的具体情况,采用引入其他方式及可靠电源作为保安电源来提升保安电源系统运行的可靠性、灵活性和经济性。