劉 興 璽

(國(guó)投大同能源有限公司電廠，山西 大同 037001)

關(guān)于煙氣在線設(shè)備(CEMS)防雷的分析

劉 興 璽

(國(guó)投大同能源有限公司電廠，山西 大同 037001)

結(jié)合具體實(shí)例，論述了某電廠煙氣在線監(jiān)測(cè)CEMS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)人員分析技改后提高了設(shè)備的可靠性，保證了環(huán)保設(shè)施的投運(yùn)率，在目前環(huán)保要求日益嚴(yán)重的形勢(shì)下有助于企業(yè)提高設(shè)備管理水平。

CEMS，防雷，監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)改造

1 概述

某電廠投產(chǎn)1年后煙氣在線監(jiān)測(cè)CEMS系統(tǒng)接連發(fā)生兩次雷擊事故。事故經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單回顧如下：

1)事故經(jīng)過(guò)：2011年6月14日晚上發(fā)生雷雨天氣，雷聲大作，晚上0:32分2號(hào)機(jī)組六大風(fēng)機(jī)跳閘，后鍋爐降負(fù)荷，直到0:57分機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行，后檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐DCS畫(huà)面部分溫度、壓力測(cè)點(diǎn)、煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)顯示異常，全部壞點(diǎn)。

2)2012年6月19日下午14:03發(fā)生雷雨天氣，雷電在天空中煙囪附件弧線比較長(zhǎng)，1號(hào)機(jī)組高壓流化風(fēng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)消失，后檢查發(fā)現(xiàn)DCS卡件過(guò)電流損壞，檢查其他設(shè)備無(wú)故障。同時(shí)發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組煙氣在線畫(huà)面有2個(gè)點(diǎn)損壞，其他3個(gè)煙氣壓力點(diǎn)損壞。

2 過(guò)程分析

由于設(shè)備可能與雷擊有關(guān)，所以我們先從雷擊侵入可能途徑入手分析：

1)雷電侵入儀表系統(tǒng)的途徑。雷電對(duì)儀表控制系統(tǒng)的危害主要是通過(guò)直擊雷和雷電電磁脈沖干擾兩種形式。主要是通過(guò)以下的幾種耦合途徑給PLC系統(tǒng)帶來(lái)危害的：

a.直擊雷造成的地電位浮動(dòng)而導(dǎo)致的雷電反擊。控制系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過(guò)引下線流入接地裝置，會(huì)使局部的地電位浮動(dòng)并產(chǎn)生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨(dú)立的，它和控制系統(tǒng)的接地體沒(méi)有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會(huì)產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱(chēng)為雷電反擊，它會(huì)對(duì)控制室內(nèi)的PLC控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞；

b.當(dāng)控制系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線內(nèi)會(huì)通過(guò)強(qiáng)大的瞬間雷電流，如果在引下線周?chē)囊欢ň嚯x內(nèi)設(shè)有連接PLC系統(tǒng)的電纜(包括電源、通信以及I/O電纜)，則引下線內(nèi)的雷電流會(huì)對(duì)PLC的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波(高電位)引入PLC系統(tǒng)，干擾或損壞PLC系統(tǒng)；

c.當(dāng)控制系統(tǒng)周?chē)l(fā)生雷擊放電時(shí)，空間輻射的電磁場(chǎng)會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓(包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng))，從而使PLC系統(tǒng)失效或損壞。

2)原因分析。由于電廠的煙囪有180 m高，屬于高大建筑防雷接地是單獨(dú)設(shè)計(jì)，有單獨(dú)的接地網(wǎng)，全部是80的鍍鋅扁鋼環(huán)形焊接而成?？梢员Ｗo(hù)到周邊100 m的半徑范圍內(nèi)。平時(shí)如果一般的雷(指持續(xù)時(shí)間短1 s以?xún)?nèi))即使順著下引線沖擊下來(lái)后，馬上會(huì)被接地網(wǎng)吸收掉，但是如果雷擊持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(超出2 s),就煙囪本身地網(wǎng)而言變得吸收較平時(shí)慢一些，但是殘余雷擊波高電壓會(huì)對(duì)在范圍內(nèi)的弱電設(shè)備(比如地位上附的控制系統(tǒng)設(shè)備)通過(guò)耦合放電。所以說(shuō)上述三種方式綜合形成的原因就是對(duì)內(nèi)部附有控制系統(tǒng)放電，而一旦控制系統(tǒng)接地系統(tǒng)存在接地不良或沒(méi)有泄壓通道，那么就會(huì)在控制系統(tǒng)最薄弱的地方形成泄壓通道，由于時(shí)間短電壓大所以破壞力強(qiáng)。而且由于目前控制系統(tǒng)一般的接地主要有兩種措施：浮空、單點(diǎn)接地，本系統(tǒng)如果采用浮地的話，會(huì)出現(xiàn)由于儀表的外殼要進(jìn)行保護(hù)接地，當(dāng)雷電較強(qiáng)時(shí)，儀表外殼與其內(nèi)部電子電路之間可能出現(xiàn)很高的電壓，將兩者之間絕緣間隙擊穿，造成電子線路損壞，故這種方式不能采用。而采用單點(diǎn)接地時(shí)的突出優(yōu)點(diǎn)是可以就近接地，接地線的感應(yīng)電感小。但是如果較強(qiáng)的雷電波通過(guò)保護(hù)地進(jìn)入系統(tǒng)，電子電路同樣會(huì)因承受高壓而損壞。綜合兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)本系統(tǒng)應(yīng)該采用首先將控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的接地線全部匯總回到“一點(diǎn)”，為了防止感應(yīng)電壓從此點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，將匯總后的單點(diǎn)引到煙囪保護(hù)范圍邊緣地帶，實(shí)現(xiàn)降壓、消壓的目的。

3)現(xiàn)場(chǎng)處理經(jīng)過(guò)。第一次事故后專(zhuān)業(yè)人員對(duì)就地CEMS系統(tǒng)機(jī)柜檢查，PLC系統(tǒng)采用為西門(mén)子S-300系統(tǒng)，接地系統(tǒng)為機(jī)柜與CEMS小間就地地網(wǎng)相連，小間接地線與煙囪主地網(wǎng)相連，對(duì)外信號(hào)輸出方式為 PLC控制系統(tǒng)的DO卡件加上隔離器輸出送到遠(yuǎn)方集控室的DCS控制系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)通過(guò)CEMS系統(tǒng)送來(lái)的SO2/NOx調(diào)節(jié)鍋爐側(cè)石灰石給料閥的轉(zhuǎn)速。該廠當(dāng)年接地網(wǎng)已委托有資質(zhì)的當(dāng)?shù)胤览诇y(cè)試所測(cè)試沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。第一次故障后檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)柜里從就地傳感器回來(lái)的信號(hào)線的屏蔽地線有部分未與機(jī)柜外殼連通，遂懷疑可能是由于對(duì)地的瞬間感應(yīng)殘余高壓通過(guò)電磁場(chǎng)耦合導(dǎo)致未接地的屏蔽線感應(yīng)出高壓，此高壓通過(guò)DO卡件通道釋放導(dǎo)致卡件擊穿。由于時(shí)間比較緊隨后把此部分地線全部與機(jī)柜內(nèi)部銅排接地連好，機(jī)柜地線與室內(nèi)接地網(wǎng)也可靠連接后恢復(fù)系統(tǒng)，后經(jīng)過(guò)兩次雷雨天氣系統(tǒng)未發(fā)生故障。第二次事故后事后專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員組織仔細(xì)分析系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)全部是鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)損壞，后發(fā)現(xiàn)跟這個(gè)系統(tǒng)使用同一卡件的煙氣在線系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)也全部損壞，由于煙氣在線測(cè)點(diǎn)全部安裝在煙囪附近，而煙囪是全廠的最高點(diǎn)，初步判斷是從煙囪帶過(guò)來(lái)的感應(yīng)電導(dǎo)致卡件損壞進(jìn)而損壞其他測(cè)點(diǎn)。后據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行人員描述，當(dāng)時(shí)雷電放電時(shí)間比較長(zhǎng)，整個(gè)煙囪白茫茫的一片，而且引風(fēng)機(jī)房頂部的滑觸線有檢修人員看到有放電冒火現(xiàn)象。種種描述都說(shuō)明當(dāng)時(shí)放電時(shí)間是比較長(zhǎng)的，由于瞬間的高電壓對(duì)整個(gè)煙囪接地網(wǎng)的沖擊，接地網(wǎng)的感應(yīng)電壓瞬間升高，而正好煙囪的接地大網(wǎng)在引風(fēng)機(jī)房這一點(diǎn)可能有不良現(xiàn)象，造成離煙囪比較近的煙氣在線監(jiān)測(cè)控制室控制機(jī)柜內(nèi)部地網(wǎng)的感應(yīng)電壓也瞬間升高。由于CEMS系統(tǒng)的PLC柜廠家已經(jīng)考慮了柜內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)部元件的防雷設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)從煙囪本體的測(cè)量?jī)x表回柜內(nèi)PLC傳輸部分廠家全部配制了防雷抗浪涌功能，但是往DCS傳輸部分沒(méi)有考慮，從而造成柜內(nèi)跟DCS相連的系統(tǒng)傳輸部分發(fā)生損壞，見(jiàn)圖1。

通過(guò)咨詢(xún)CEMS廠家設(shè)計(jì)人員了解到設(shè)計(jì)意圖也是由于所有電廠一般CEMS系統(tǒng)設(shè)備都處在煙囪下屬于雷擊隱患多發(fā)區(qū)域，所以對(duì)內(nèi)部設(shè)備加裝了隔離器、電源防浪涌保護(hù)器，對(duì)內(nèi)部一次、二次設(shè)備全部隔離保護(hù)。導(dǎo)致每次故障發(fā)生后出現(xiàn)CEMS系統(tǒng)內(nèi)部故障最少甚而沒(méi)有故障。而薄弱的地方都是DCS側(cè)的設(shè)備，包括DCS同一機(jī)柜內(nèi)的需要供電的輸出儀表(變送器、執(zhí)行器等)。由于現(xiàn)場(chǎng)儀表(變送器、執(zhí)行器等)是采用金屬的儀表外殼通過(guò)儀表箱接地實(shí)現(xiàn)防雷屏蔽，儀表箱要與其他現(xiàn)場(chǎng)的金屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，并接入防雷接地系統(tǒng)。此接地的缺點(diǎn)是不能抑制儀表的信號(hào)傳輸內(nèi)部的感應(yīng)電壓，特別容易導(dǎo)致儀表內(nèi)部過(guò)電壓損壞。如果能在DCS控制系統(tǒng)輸出側(cè)加裝隔離器或防雷器，就可以起到保護(hù)作用。通過(guò)調(diào)研本公司采用北京平和公司的PH1033型號(hào)的一進(jìn)一出的4 mA～20 mA類(lèi)型的隔離器加裝在DCS控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道上。同時(shí)選用該公司的PH-A型防雷器(In(8/20 μs)=5 kVA;Imax(8/20 μs)=10 kVA;Up≤90 V)，沖擊電流可以達(dá)到10 kVA,能滿(mǎn)足系統(tǒng)安全使用。從PLC系統(tǒng)到DCS直接增加防雷擊抗浪涌功能，保證系統(tǒng)內(nèi)部的防雷擊能力，由于DCS卡件瞬間抗雷擊電壓只能到500 V,但是不能持續(xù)，所以為系統(tǒng)配制防雷器+隔離器增加系統(tǒng)的防雷功能。系統(tǒng)連接見(jiàn)圖2。

4)實(shí)施過(guò)程細(xì)節(jié)。首先從根本上解決接地網(wǎng)的問(wèn)題，由于整個(gè)煙囪接地網(wǎng)比較龐大，如果開(kāi)挖找出某一點(diǎn)接地不良好比大海撈針一樣困難，耗費(fèi)人力時(shí)間而且造價(jià)較高不易實(shí)現(xiàn)，所以把CEMS系統(tǒng)機(jī)柜全部重新接地線，從附近接地系統(tǒng)比較好的除塵器鋼梁上引接，并重新敷設(shè)6 mm2的專(zhuān)用地線保證接地的良好。由于除塵器鋼梁至少有10處與接地體焊接而且距離煙囪已經(jīng)有至少30 m就是有殘余高電壓引到此處已經(jīng)消耗殆盡。施工中要求模擬量信號(hào)先進(jìn)入防雷器(PH-A)，再進(jìn)入隔離器，為了施工方便默認(rèn)為1+，2-，GND1為防雷線端子要求選用2.5 mm2的導(dǎo)線，GND2為防雷器外殼地端子要求選用0.75 mm2的導(dǎo)線，所有的GND1匯總后接到柜內(nèi)的接地銅牌上，所有的GND2匯總后接到柜內(nèi)的外殼接地線上，GND1和GND2匯總后通過(guò)6 mm2的專(zhuān)用地線與除塵器鋼梁連接。系統(tǒng)改造后要經(jīng)常在檢修期間檢查線路連接是否松動(dòng)，這些細(xì)節(jié)如果平時(shí)不檢查很容易形成隱患后期造成設(shè)備損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)改造后經(jīng)過(guò)兩年時(shí)間運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)無(wú)數(shù)次的雷電天氣檢驗(yàn)證實(shí)方案可行，提高了設(shè)備的利用率而且方案費(fèi)用低。為了防止或減少因雷擊導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)儀表及PLC系統(tǒng)的故障和損壞，確保PLC及機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在遵守有關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要對(duì)整個(gè)儀控系統(tǒng)根據(jù)等電位聯(lián)結(jié)的原則加以設(shè)計(jì)，從主控室、PLC的I/O模件、現(xiàn)場(chǎng)儀表等多方面綜合考慮，采用隔離、防雷、屏蔽等多種措施，同時(shí)在設(shè)計(jì)階段需要電氣、熱控等專(zhuān)業(yè)協(xié)同合作來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資成本的經(jīng)濟(jì)性，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] GB 50343-2004,建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[2] DL/T 5190.5-2004,電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范 第5部分：熱工自動(dòng)化[S].

[3] GB 50093-2002,自動(dòng)化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4] HG/T 20513-2000,儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

On analysis of Continuous Emission Monitoring System’s lightening protection

LIU Xing-xi

(PowerPlant,SDICDatongEnergyCo.,Ltd,Datong037001,China)

Combining with factual examples, the paper indicates the design defects in the Continuous Emission Monitoring System at some power plant, indicates the reliability of equipment can be enhanced and the operating rate of the environment-friendly facilities can be ensured according to the technical reform by professional staff, so as to be helpful for improving the equipment management under the increasingly higher environmental protection demands.

CEMS, lightening protection, inspection, systematic reconstruction

1009-6825(2014)35-0156-02

2014-09-22

劉興璽(1979- )，男，工程師

TM862

A