百万千瓦火电机组给水泵汽轮...全评估与国内外风险分析比较_姜志成.pdf

热点聚焦 Hotspot Focus22023.1水泵及配套汽轮机系统出现故障，将导致整个机组出现非正常停机的重大事故。因此对于给水泵及配套汽轮机系统安全可靠性的要求相应更高，其重要性几乎等同于汽轮机主机设备。基于上述考虑，本文依托项目在设计阶段即充分重视给水泵汽轮机系统的安全性要求，给水泵、给水泵汽轮机主设备均成套采购了进口原厂设备，特别是对于给水泵汽轮机控制与保护系统，订货时提出要求制造商进行风险分析，提供经过安全完整性等级SIL认证的给水泵汽轮机保护系统，并且由建设方牵头组织对给水泵汽轮机系统进行了完整的功能安全评估工作。3 给水泵汽轮机系统功能安全评估本项目给水泵汽轮机系统功能安全评估工作，遵循功能安全标准GB/T 21109(IEC 61511)规定的工作流程与分析方法，结合火电项目的工艺系统特点，确定了危险与可操作性HAZOP分析、保护层LOPA/SIL定级分析、安全完整性等级SIL验证三项主要的评估工作内容。3.1 给水泵汽轮机系统危险与可操作性HAZOP分析本项目对给水泵汽轮机系统的HAZOP分析，由业主方牵头成立HAZOP分析工作组，工作组成员包括电厂工程部、设备部、运行部专业人员，设计院工艺、控制专业人员，给水泵、汽轮机主要设备厂家技术人员，给水泵汽轮机控制系统供货商以及功能安全技术专家，工作组成员覆盖相关领域的全部专业，确保充分辨识系统风险点，客观准确判定风险后果影响、发生频率等分析内容。给水泵汽轮机系统HAZOP分析结果统计分布如图2所示，共形成299条项记录，其中高（b/4/3）风险15项，中（3/2）风险133项，低（1/a/-）风险34项，其它讨论类117项，共提出建议措施37项。图2 给水泵汽轮机系统HAZOP分析结果分布图3.2 给水泵汽轮机系统LOPA/SIL定级分析对于给水泵汽轮机系统SIL定级分析，根据HAZOP分析的结果提取需要进行SIL定级的安全功能回路，采用保护层LOPA分析方法对回路进行SIL定级。给水泵汽轮机系统SIL定级结果见表1。表1 给水泵汽轮机系统回路SIL定级结果系统SIL3SIL2SIL1SILa给水泵汽轮机11212其中给水泵汽轮机超速停机保护回路安全完整性要求需达到SIL3等级。3.3 给水泵汽轮机系统SIL验证分析项目组对LOPA分析确定的安全仪表回路开展SIL验证，根据建设方收集到的设备安全数据，采用可靠性框图方法，进行验证计算。验证计算结果表明，依托项目给水泵汽轮机保护系统回路中，主要是执行单元的架构约束及设备失效率方面限制了回路的SIL等级水平，建议通过选用SIL3认证的执行设备、增加冗余配置等方式提高SIL能力。3.4 给水泵汽轮机系统功能安全评估典型改进建议火电机组给水泵汽轮机控制与保护系统方案，大多是厂家成套集成供货的标准配置，在项目建设过程中针对给水泵汽轮机系统进行功能安全评估，其中重要的目的在于结合具体项目的系统特点、运行方式与用户需求，充分发掘给水泵汽轮机系统在整个机组运行中的风险点，针对薄弱环节进行改进，从而保证机组长期的安全稳定运行。最终的评估成果也实现了以上目的，典型的改进建议如：给水泵汽轮机超速保护回路设置方案。评估过程中发现目前给水泵汽机超速保护与转速控制使用同一组转速探头（3个），不符合重要测点按保护与控制分别独立设置的原则，并且给水泵汽机控制系统使用的为其中2个探头测量取大值，极易产生由于1点故障而导致的误动作误停机。工作组提出建议考虑以下改进措施：（1）增加3套转速探头及相应的测速卡，单独进给水泵汽机控制系统，实现保护与控制分别独立设置；（2）在不具备改进条件的情况下，建议将3组转速探头信号全部上传至给水泵汽机控制系统，在控制系统内按三取二方式进行逻辑判断。给水泵汽轮机保护控制系统由进口厂家成套供货，厂家按照紧凑型小型工业汽轮机的设计思路进行的设计。但是对于本工程来讲，由于单台给水泵的特殊性，而且还带动了广义变频发电机，对于给水泵汽机的安全稳定运行水平的要求其实等同于主机，应该具备更安全可靠地保护系统配置方案，这也体现了针对具体项目进行功能安全评估的必要性。4 国内外风险分析比较本文依托项目鉴于系统创新型以及给水泵汽轮机系统的重要性，在设备选型订货阶段即要求国外供货商依据IEC 61508标准进行风险分析与SIL定级，执行阶段又由建设单位组织相关各方进行了完整的功能安全评估，收集到的国内外两方面的风险评估分析成果对于了解国外火电机组风险评估方法及技术现状、规范化国内火电机组项目建设、更好参与国外项目等均具有借鉴意义。4.1 风险分析标准依据对比国内外火电机组功能安全评估所依据的母标热点聚焦 32023.1准是相同的，即IEC 61508Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems（国内等同转化标准GB/T 20438电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）。以及过程行业标准IEC 61511 Functional safetySafety instrumented systems for the process industry sector（国内等同转化标准GB/T 21109过程工业领域安全仪表系统的功能安全）。具体到汽轮机的功能安全评估，德国厂家遵循的是德国的技术导则VDMA 4315Turbomachinery and generators Application of the principles of functional safety（涡轮机械和发电机功能安全原则的应用）。该技术标准对涡轮机和发电机设备风险评估方法进行了指导，对于火电厂汽轮机设备风险分析针对性较强，而我们国内尚无此类技术标准。本次工作组进行功能安全评估依据的是国内过程行业广泛使用的通用技术导则GB/T 35320危险与可操作性（HAZOP）分析应用指南、GB/T 32857保护层分析（LOPA）应用指南。4.2 风险分析方法对比从给水泵汽轮机系统风险分析方法上对比，国外厂家依据VDMA 4315-5所规定的方法，采用了风险图（Risk Graph）的方法进行风险分析与SIL定级，方法示意图如图3。图3 风险图（Risk Graph）分析方法而国内项目工作组SIL分析采用的是保护层LOPA方法。LOPA分析是一种半定量的方法，比定性分析方法能够提供更为客观准确的分析结果，避免主观因素对风险控制决策的影响。LOPA分析可以了解不同独立保护层在降低风险过程中的贡献，从而选择最经济有效的风险降低措施，避免安全仪表系统过度配置、过度保护的情况出现。4.3 分析结果对比给水泵汽轮机系统SIL定级分析国外供货商与国内项目工作组结果对比如表2所示。表2 SIL定级结果对比给水泵汽轮机系统SIL定级SIL3SIL2SIL1SILa国外厂家定级结果1509工作组定级结果11212对比上述分析结果，可以发现对于超速保护停机回路SIL定级都是SIL3级，在其它保护回路定级以及安全仪表回路总数上国内外两次分析存在差异。除了所依据的标准与使用的分析方法区别之外，国外供货商进行的风险分析范围仅限于其供货范围内的系统，而国内项目工作组的风险分析则是整个给水泵汽轮机系统；此外，国内风险分析针对给水泵汽轮机在本项目的实际作用，充分考虑单台100%给水泵的重要性（跳闸停机等同于整个机组非正常停机），以及带动的整个轴系设备影响后果等方面进行的危害程度界定，而国外供货商的分析仅仅针对该型号的汽轮机本身，并未充分考虑实际应用以及用户更高的安全要求，所以在危害程度界定上存在差异。5 结束语火力发电机组作为典型的过程行业场景和重要能源基础设施，是功能安全技术应用的重点领域，针对火电机组的风险评估与保护系统配置要求，在国外已经建立了比较完整的技术标准体系。本次针对国内火电机组给水泵汽轮机系统进行的功能安全评估工作，通过国内外分析结果对比反映了国内外火电机组风险分析标准与方法的差异，体现了针对具体项目进行功能安全评估工作的必要性，为功能安全技术在国内火电机组的推广应用提供了借鉴参考。在此也呼吁国内火电行业尽快完善相关标准规范，提出火电机组风险分析与风险定级方面的规范要求与方法指导，从而与国际接轨，推动国内电力企业更好的“走出去”参与国际竞争。参考文献1 GB/T 21109-2007 过程工业领域安全仪表的功能安全2 GB/T 20438-2017 电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全3 GB/T 35320-2017 危险与可操作性（HAZOP）分析应用指南4 GB/T 32857-2016 保护层分析（LOPA）应用指南5 VDMA 4315 Turbomachinery and generators Application of the principles of functional safety6 中国电力百科全书（第三版）火力发电卷.中国电力出版社7 电力工程设计手册.火力发电厂仪表与控制设计，水利电力出版社8 贾永，辛星，赵焱，等.国产百万千瓦超超临界火电机组功能安全评估研究及应用J.中国仪器仪表，2022（9）