循环水泵及其出口液控蝶阀露天布置,可以节省大量厂房及基础建设资金,但出口液控蝶阀容易受高温、台风、雷电、潮湿、空气含盐量高、设备腐蚀等恶劣环境影响,给系统的运行带来许多安全隐患。浙江大唐乌沙山发电厂自系统投运以来,多次因为液控蝶阀故障造成循环水系统异常。虽然未造成重大损失,但极大威胁机组运行的安全。因此结合实际情况,对现有设备进行了一系列优化改造,并取到了良好效果。
1 液控蝶阀系统简介与安全问题
1.1 液控蝶阀系统简介
浙江大唐乌沙山发电厂地处浙江象山港湾,机组采用海水冷却方式。每台机组设有两台循环水泵,每台循环水泵出口安装有一台液控蝶阀。整套液控蝶阀系统由铁岭阀门股份有限公司生产每台机组循环水泵出口液控蝶阀共用一个液压油站。
阀门控制柜用于采用一套液压系统控制两台无重锤式液控止回蝶阀的系统上,在一个液压站上设两个油泵,两台油泵互为备用。液压油站控制采用的是SIEMENSS7-200PLC进行控制,主要功能可以实现A、B蝶阀的开启、关闭、维持蝶阀开状态和维持蝶阀关状态等
1.2 存在安全问题分析
露天布置的液控蝶阀跟传统室内布置的液控蝶阀比,更容易受高温、台风、雷电、潮湿、空气含盐量高等恶劣环境影响,而液控蝶阀的设计及安装没有充分考虑室外环境因素,对系统的安全投运带来许多隐患。目前存在的安全问题主要有以下几点:
(1)液控蝶阀24VDC直流控制电源无冗余,一旦电源模块故障会使蝶阀拒动
液控蝶阀控制柜电源分三个等级,分别为380VAC、220VAC、24VDCDC。其中380VAC电源由循泵房两路MCC供应,一用一备,柜内装有电源自动切换模块,作为整个控制柜总电源供应;220VAC电源是从380VAC电源自动切换模块出口单相取出,作为控制柜指示灯、PLC及24VDCDC电源模块供电电源;而24VDC电源只由一块220VAC转24VDCDC的电源模块提供,作为PLC通道供电和电磁阀驱动电源。
由于液控蝶阀控制柜室外布置,仅有一个简易铁棚遮挡,所以夏天高温暴晒、雨季潮气侵蚀,使24VDC电源模块寿命大打折扣。一旦24VDC电源模块故障,所有电磁阀失去供电,导致蝶阀拒动。而且电源模块故障后,液控蝶阀并无明显异常,只能靠人工巡检发现。如果发现不及时,需要蝶阀打开时拒动,会导致循环水泵保护跳闸;需要蝶阀关闭时蝶阀拒动,会导致循环水泄漏,机组因循环水断水而跳机。因此,24VDC电源失去对机组安全运行的威胁是巨大的,而24VDC单电源供电使这种威胁大大增加。
自机组投产以来,已经发生了两次由于24VDC电源模块故障造成蝶阀拒开,导致循环水泵保护跳闸的情况。
(2)特殊的安装环境使蝶阀控制柜内元件极易受到雷击破坏
由于现场安装位置所限,液控蝶阀控制柜紧邻循环水泵检修行车,而控制柜保护接地线与行车防雷接地网过近。在雷击情况下,雷电通过行车引入接地网,接地网无法瞬间完全释放巨大的电流,使防雷接地网与控制柜接地之间形成电位差,造成电流反串,导致瞬间高压电流经过控制柜的接地线窜入PLC模块,造成PLC模块烧毁。
2008年夏天,一次雷暴天气过后,大唐乌沙山发电厂3、4号机组两台液控蝶阀控制柜PLC运算模块及输入输出模块全部烧毁,所幸发现及时,经过及时抢修,未造成事故扩大。
(3)限位开关易因受潮或浸水造成短路,给机组安全运行带来极大威胁
由于液控蝶阀控制柜露天布置,液控蝶阀布置在管道坑中,坑内环境比较潮湿,各个限位开关受潮进水的可能性较大,设备的故障率较高。
液控蝶阀有4种行程状态送DCS进行显示,分别是关位置、关15°(即阀位75°)、开15°(即阀位15°)、开位置,由安装在阀门转动机构上的限位开关来实现。限位开关采用的是OMRON开关。根据循环水泵特性,循环水泵最多允许闷泵运行10s,所以当循泵启动后,6s内出口液控蝶阀关反馈未脱开,保护跳泵。当阀门关闭至开15°(即阀位15°)开关动作,连锁停循环水泵。逻辑如图1所示。
图1 逻辑控制图
从以上逻辑可以看出,如果在循环水泵运行时,液控蝶阀关限位开关因为受潮而短路,会造成循环水泵连锁跳闸。另外,液控蝶阀的驱动级逻辑中,蝶阀的关反馈会屏蔽液控蝶阀的远方关指令,所以当关限位开关误动,循环水泵保护跳闸后,运行人员无法从远方将蝶阀关闭,这势必会造成循环水倒流,轻则循环水泵倒转,重则凝汽器循环水冷却水断水,机组跳闸。如果开15°限位开关受潮短路,当发出循环水泵出口蝶阀关指令时,循环水泵马上会连锁停泵。如果出口蝶阀关闭不及时,同样会造成循环水倒流。可见液控蝶阀关限位开关和开15°限位开关对于循环水泵的安全性十分重要。
自机组投产以来,浙江大唐乌沙山发电厂已经多次发生限位开关受潮短路,导致循环水泵误跳的情况,所幸运行人员处理措施得当,未造成严重后果。
(4)两台液控蝶阀油站之间未设计互为备用联锁功能,油站供油可靠性低
蝶阀油站油泵的主要作用是给蓄能器补压以及在蝶阀开展过程中提供开阀油压。原系统虽然设计了两台油泵,但两台油泵之间并无备用联锁功能,即一台油泵故障或出力不足,另一台油泵不会联锁启动。这样便会造成因供油压力不足造成液控蝶阀拒动,对循环系统安全危害巨大。
2 采取的安全措施与效果
2.1 采取的安全措施与优化方案
针对目前液控蝶阀存在的问题,结合现场安装情况,浙江大唐乌沙山发电厂通过以下几个措施来提高循环水泵出口液控蝶阀的可靠性:
(1)增加24VDC直流电源模块,提高液控蝶阀控制电源的可靠性
在勘察了柜内接线和柜内空间后,决定增加一块电源模块作为热备用电源。具体方法是,从380VAC电源自动切换模块出口另取一路220VAC电源,经过单相断路器后,接入电源模块输入端。24VDCDC输出端与原电源模块输出端并联。这里要注意的是,增加的电源模块要与原电源模块相同电压等级,最好采用相同型号规格的电源模块,以避免电源模块间电压反送损坏电源模块。如图2所示。
图2 总电源自动切换装置图
(2)通过在接地线上串联二级管的方法防止雷电通过接地线窜入蝶阀控制柜
液控蝶阀安装位置距离主厂房较远,将液控蝶阀控制柜接地线与主厂房接地网相连比较困难,而单独为液控蝶阀控制柜安装接地网造价比较昂贵。经过反复研究,考虑通过在接地线上串联二级管的方法防止雷电反窜,既经济又方便实施。在此要注意的是,安装二级管时要注意二级管的极性,不能接反。
(3)通过给限位开关注胶等方法改进限位开关的防水防潮性
由于现场安装条件的限制,无法更换限位开关的型号,因此需要在现有开关的基础上进行改造。
在多次拆解受潮短路的限位开关后发现,潮气主要从限位开关进线口和限位开关拐臂密封面处渗入水汽。于是考虑用给限位开关安装预置电缆,并灌注密封胶的方法来解决此问题。
首先将预置电缆与限位开关接好,然后向开关内灌注防水绝缘密封胶,待密封胶凝固,盖好限位开关封盖,外面喷涂电气设备防潮脱湿保护剂。预置电缆是方便限位开关的安装接线;灌注防水绝缘密封胶可以有效防止外部潮湿空气渗入凝结,还对开关接线端子起到防腐作用;外面喷涂防潮脱湿保护剂,保护剂会在限位开关表面形成一层质密的密封保护膜,增强了限位开关的密封性。经过72小时的水下浸泡试验后,经过处理的限位开关触点动作灵敏,触点断开后绝缘仍能达到50МΩ以上。
注胶后的开关如图3所示。
图3 注胶后的开关
(4)增加两个关限位开关,采用“三取二”信号法提高限位开关的可靠性
当循环水泵运行时,液控蝶阀关限位开关误报会直接导致循环水泵保护跳闸。鉴于蝶阀关限位开关的重要性,依据重要保护测点三取二的原则,现场增加两个关限位开关,在DCS逻辑中进行三取二计算。根据现场安装情况,重新制作了关限位开关的安装支架,三个关限位开关垂直阀门并列安装。并在阀门转动滑块上增加限位杆,调整其位置,使其在阀门全关后同时压住三个限位开关。为减少海水腐蚀的影响,支架加工所用材质均要采用316L不锈钢。如图4所示。
图4 更新后的开关
限位开关支架安装时要注意调节限位开关的拐臂距离,尽量使三个限位开关能在同一时间动作;拐臂动作时不能被其它物件妨碍,保证限位开关动作的灵活性;在限位开关预置电缆接线时,要注意开关的常开、常闭点不能接反;电缆连接最好采用绞焊方式,并用自粘胶带包裹,每根电缆的绞接点之间要错开一定距离,这样既能避免金属线头氧化又能保证电缆间绝缘。
鉴于蝶阀关反馈存在时,远方无法发出关阀指令,增加紧急强制关阀逻辑。当蝶阀关反馈误报且蝶阀实际未关闭时,运行人员可以通过点击控制画面中的强制关阀键,将液控蝶阀强制关闭。同时用循环水泵启状态作为闭锁信号,使此逻辑只有在循环水泵停止运行3s后才有效,这样可以防止运行人员误操作。
(5)改造油泵控制回路,优化油泵联锁逻辑
原油站油泵控制设计思路为,在油泵出口母管安装一块电接点压力表,当油泵启动后3s内压力表触点(定值大于3MPa)未闭合,则视为油泵故障,联锁启动备用泵。但深入分析PLC梯形图和柜内接线图后发现,原逻辑中备用油泵联启条件只有在液控蝶阀切至就地位置时才能生效。并且油泵为柱塞泵,工作压力为15MPa,油泵启动后,出口压力表从0MPa瞬间冲击到15MPa,容易造成压力表损坏或定值漂移,进而影响到油泵的联锁效果。
经过试验,两台油泵同时启动,出口母管压力约为16MPa,而整个油系统的耐压等级为30MPa,所以两台油泵同时启动不会对油系统造成影响。如果将逻辑设为,一台油泵启动3s后,另外一台油泵自动联启,则可以取消油泵出口母管电接点压力表。这样既解决了油泵互为联锁的问题,又避免了因电接点压力表故障造成的联锁失效的问题。如果单台油泵需要检修,只需要将对应油泵的电源空开断开即可。改后PLC逻辑如图5所示。
图5 改后PLC逻辑图
2.1 取得的成效
液控蝶阀控制柜在经过一系列改造后,虽然无法彻底避免控制元件发生故障,但单纯的元件故障已经不会对系统的正常运行造成影响。此后经历了多次雷暴天气,均未对液控蝶阀控制柜造成影响。也没再发生由于电源模块故障造成蝶阀拒动和蝶阀限位开关受潮短路的情况。只需进行日常定期巡检和保养维护即可保证液控蝶阀的安全运行。
整个优化过程只需要三个工作日即可完成,所用的材料也都是电厂日常维护中常用的耗材备件,改造花费平均每台机组仅需3000元,却达到了耗资几十万的进口设备效果,为电厂节省了200万的改造费用。
3 结语
浙江大唐乌沙山发电厂的液控蝶阀系统采用了沿海露天布置方式,同类型的液控蝶阀很少采用此种布置方式,因此从设计选型及施工上未能全面考虑环境因素影响。经过反复试验及论证,在现有设备基础上用极少的投资,解决了设备存在的安全隐患,提高了液控蝶阀油站的可靠性。