分散控制系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化

張 英，豆中州，曹 偉，李修成

(1.國家能源集團(tuán)吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；3.華能吉林發(fā)電有限公司九臺電廠，長春 130501)

隨著火電機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)重要性的提升，保證DCS的可靠性已成為熱工專業(yè)越來越重要的任務(wù)。對于一些老機(jī)組的DCS，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的局限，均存有一定的安全隱患和不完善之處。尤其隨著運(yùn)行年限的增加，故障會越來越多，隱患越來越大。為提高DCS的可靠性，徹底消除固有安全隱患，有必要進(jìn)行DCS改造。為保證改造的效果，要從DCS的選型、程序設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝和調(diào)試驗(yàn)收以及技術(shù)管理等方面采取有效、完善的措施[1]。

某電廠330 MW機(jī)組于2005年投產(chǎn)，原DCS對單元機(jī)組爐、機(jī)、電集中控制，已運(yùn)行十幾年，硬件故障、隱患問題逐年增多，機(jī)組穩(wěn)定性下降，為徹底消除安全隱患，機(jī)組于2019年對控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體改造。

1 原DCS及保護(hù)系統(tǒng)存在的主要問題

1.1 控制器配置問題

DCS控制器配置偏少，個(gè)別分散處理單元(DPU) I/O點(diǎn)數(shù)量較多，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)單對DPU I/O點(diǎn)數(shù)量已接近1 000個(gè)。I/O模件集中布置造成了散熱不暢，模件故障較多。

部分DPU功能過于集中，單個(gè)DPU故障影響面過大，如鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)所有給粉機(jī)監(jiān)控集中在一對DPU，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)、風(fēng)煙監(jiān)控系統(tǒng)集中在一對DPU。CCS曾有一對DPU發(fā)生故障，因監(jiān)控設(shè)備較多，無法在機(jī)組運(yùn)行中及時(shí)處理，造成多次險(xiǎn)情。

部分系統(tǒng)未引入DCS，造成功能受限，如吹灰系統(tǒng)采用獨(dú)立可編程控制器(PLC)，大小機(jī)保護(hù)采用繼電器搭接等。

1.2 I/O點(diǎn)配置問題

部分重要保護(hù)、自動I/O點(diǎn)未冗余配置，可靠性較低，如六大風(fēng)機(jī)停止信號、汽輪機(jī)主控調(diào)節(jié)指令等。部分保護(hù)測點(diǎn)取樣未實(shí)現(xiàn)獨(dú)立取樣，不符合規(guī)范要求，如真空低保護(hù)測點(diǎn)、潤滑油壓力低測點(diǎn)等。

1.3 系統(tǒng)電源問題

DPU電源與就地電源存在混用問題，如FSSS一般檢測電源和DPU采用的一路電源。

只有一面儀表電源柜，用戶過于集中，重要系統(tǒng)(汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)、火檢、大小汽輪機(jī)保護(hù)等)與就地設(shè)備電源共用，存在極高風(fēng)險(xiǎn)；且儀表電源柜兩路電源切換時(shí)間過長，不能實(shí)現(xiàn)無擾切換，無法滿足重要系統(tǒng)不間斷電源的要求。

1.4 保護(hù)系統(tǒng)問題

大小汽輪機(jī)危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)(ETS)由繼電器搭接，未采用DCS或PLC系統(tǒng)，保護(hù)邏輯簡單。存在單點(diǎn)保護(hù)問題，可靠性較低，如快速減負(fù)荷(RB)用風(fēng)機(jī)停止信號、高低加水位保護(hù)、小汽輪機(jī)真空保護(hù)及潤滑油壓低保護(hù)等。

1.5系統(tǒng)接地問題

a.原DCS采用電氣接地網(wǎng)，目前已找不到連接點(diǎn)。

b.機(jī)柜安裝極不規(guī)范，部分機(jī)柜保護(hù)地與屏蔽地均連接至電纜夾層橋架。

c.電纜敷設(shè)不規(guī)范，存在控制電纜與動力電纜交叉、混放情況。

d.部分信號存在較強(qiáng)感應(yīng)電，最高可達(dá)到110 V(AC)，曾多次發(fā)生信號誤發(fā)問題。以上問題的存在，使DCS及其保護(hù)系統(tǒng)存在較大安全隱患，無法保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。多年來雖采取了一些補(bǔ)救措施，基本滿足了系統(tǒng)的安全運(yùn)行需要，但問題一直沒有徹底解決，存在較大安全隱患。

2 采取的完善措施

為徹底消除以上隱患問題，2019年改造中采取了以下完善措施。

2.1 DPU完善措施

系統(tǒng)DPU數(shù)量由17對擴(kuò)展到24對，原則上控制每對DPU I/O點(diǎn)數(shù)不超過400個(gè)；按系統(tǒng)功能對DPU進(jìn)行分散配置，其中FSSS增加1對，將給粉機(jī)、燃油控制按層分散到2對DPU；CCS增加1對DPU，將風(fēng)機(jī)、給水泵、制粉等控制分散到2對DPU；SCS將爐側(cè)風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器和機(jī)側(cè)給水泵、開閉式水泵、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵等主要輔機(jī)進(jìn)行兩側(cè)分散布置。

ETS采用與汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)一體化控制方式。大汽輪機(jī)ETS配置1對控制器，A小汽輪機(jī)ETS與A 小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)共同配置1對控制器, B小汽輪機(jī)ETS與B小汽輪機(jī)MEH共同配置1對控制器。

吹灰、灰渣、膠球清洗等PLC系統(tǒng)改為DCS進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 I/O點(diǎn)完善措施

重要自動、保護(hù)用I/O點(diǎn)按規(guī)范增加了配置，其中CCS至DEH汽輪機(jī)主控指令、CCS至MEH小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)指令信號均由1個(gè)增加為3個(gè)，實(shí)現(xiàn)了三取中邏輯；用于總?cè)剂咸l(MFT)、RB保護(hù)的六大風(fēng)機(jī)停運(yùn)信號、ETS電氣跳閘保護(hù)信號、ETS 的MFT保護(hù)信號均由1個(gè)增加為3個(gè)，實(shí)現(xiàn)了三取二邏輯；高加、除氧水位等均增加為3個(gè)水位計(jì)，水位保護(hù)實(shí)現(xiàn)了三取二邏輯；MFT跳閘板至一次風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)停止指令出口、至各DPU均增加了MFT硬接線信號等[2]。

在DCS邏輯中對I/O點(diǎn)采用了一些防范措施，其中TC模件溫度補(bǔ)償點(diǎn)增加上下限、品質(zhì)判斷；溫度保護(hù)測點(diǎn)增加了品質(zhì)判斷和速率判斷切除邏輯；部分保護(hù)、自動用流量測點(diǎn)采用了定溫度補(bǔ)償，如風(fēng)量、給水流量等；主要自動調(diào)節(jié)回路設(shè)定值均增加上下限值、速率限值；部分手操器輸出取消直接置數(shù)功能，避免誤操作；重要冗余開關(guān)量信號增加了不一致報(bào)警；重要冗余模擬量信號增加了偏差大報(bào)警等。

2.3 電源完善措施

對熱工電源進(jìn)行了重新分配，共配置了4面DCS電源柜和2面儀表電源柜。DCS 控制柜電源、操作員站電源、汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)、火檢系統(tǒng)等均采用DCS電源柜電源。 DCS控制柜不再配置電源切換裝置，兩路電源分別引入DPU柜一套24 V DC電源模塊，兩路24 V DC電源經(jīng)二極管耦合并聯(lián)高選輸出，每套電源模塊均按全負(fù)載配置。

儀表電源柜分為爐側(cè)、機(jī)側(cè)2面電源柜，分別為機(jī)側(cè)、爐側(cè)就地儀表供電；FSSS就地信號檢測電源與DPU電源分開，改至儀表電源柜；各操作臺風(fēng)扇電源、DPU柜風(fēng)扇照明電源均采用儀表電源柜電源。儀表電源柜配置了雙電源自動切換裝置，實(shí)現(xiàn)了雙路電源無擾切換。

完善了各級電源電源異常報(bào)警，包括電源柜、DPU柜等。

2.4 保護(hù)系統(tǒng)完善措施

ETS保護(hù)模件采用三重冗余設(shè)計(jì)，滿足三取二保護(hù)要求。高低加、除氧水位保護(hù)均將電接點(diǎn)水位計(jì)更換為導(dǎo)波雷達(dá)水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三取二保護(hù)邏輯。大小機(jī)真空、潤滑油壓低保護(hù)開關(guān)均改為獨(dú)立取樣，并實(shí)現(xiàn)了三取二保護(hù)邏輯。MFT、ETS硬手操打閘按鈕均配置雙按鈕，接點(diǎn)采取串并聯(lián)連接，一組接點(diǎn)引入DCS，一組直接接入跳閘驅(qū)動回路。大汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)增加了壓力低試驗(yàn)電磁閥，實(shí)現(xiàn)了在線油壓低聯(lián)泵試驗(yàn)功能，解決了試驗(yàn)時(shí)需解除潤滑油壓低保護(hù)問題。冗余配置保護(hù)信號增加了不一致報(bào)警。完善了事件順序記錄(SOE)功能，MFT保護(hù)信號、ETS保護(hù)信號全部實(shí)現(xiàn)了SOE功能。

2.5 接地系統(tǒng)完善措施

受工期所限，為減少工作量，部分機(jī)柜利舊，僅對內(nèi)部模件進(jìn)行了更換，未能徹底解決機(jī)柜外殼連接到地基鋼筋及電纜橋架上問題。為規(guī)范接地系統(tǒng)，采用了以下措施方案。

獨(dú)立配置了DCS接地系統(tǒng)，采用了七井群獨(dú)立接地網(wǎng)，以吸收式石墨接地極作為接地網(wǎng)的垂直體，以傳遞高頻信號較弱的石墨防雷接地體作為水平體，匯流連接至中心接地極(見圖1、圖2，圖中數(shù)字單位 mm)，再通過接地電纜連接至專用接地柜匯流銅排。

圖1 接地網(wǎng)平面示意圖

圖2 接地樁埋設(shè)示意圖

DCS機(jī)柜接地分為保護(hù)接地和屏蔽接地，兩個(gè)接地銅排采用絕緣墊片實(shí)現(xiàn)完全隔離，保護(hù)地連接至鋼筋和電纜橋架，電纜屏蔽芯連接至專用屏蔽地接地銅排。各機(jī)柜屏蔽地接地銅排星形連接到一起，再用接地電纜連接至接地柜匯流銅排。為防止原有電纜屏蔽層與機(jī)柜外殼導(dǎo)通，各電纜屏蔽層均更換為絕緣導(dǎo)線連接至機(jī)柜屏蔽地銅排。

為解決部分電纜無屏蔽層、存在較強(qiáng)感應(yīng)電問題，將部分電纜重新設(shè)計(jì)，更換為計(jì)算機(jī)電纜或控制電纜，主要集中在FSSS保護(hù)信號電纜、SCS部分電動門、保護(hù)開關(guān)電纜、DAS部分溫度信號電纜等。

2.6 其他完善措施

在機(jī)組公用操作臺增加1臺操作員站，僅用于數(shù)據(jù)監(jiān)視，無操作權(quán)限，方便管理及檢修人員查看數(shù)據(jù)，并避免影響監(jiān)盤人員或發(fā)生誤操作。

對各DPU登錄密碼進(jìn)行規(guī)范，設(shè)置統(tǒng)一的只讀用戶名和登錄密碼，各班獨(dú)立設(shè)置DPU寫入用戶名和登錄密碼，嚴(yán)格執(zhí)行分級授權(quán)管理制度。

將各臺工作站USB口進(jìn)行了封閉，杜絕采用U盤等移動介質(zhì)拷貝數(shù)據(jù)。

在安裝調(diào)試過程中明確各單位職責(zé)，施工單位負(fù)責(zé)施工、接線、核線、單體調(diào)試，調(diào)試單位負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)試，DCS廠家負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件上電、軟件下裝等，做到職責(zé)分明，分工協(xié)作，防止推諉或遺漏。

加強(qiáng)聯(lián)鎖保護(hù)傳動試驗(yàn)管理，有效控制試驗(yàn)效果。第一遍試驗(yàn)由調(diào)試單位負(fù)責(zé)，檢修、運(yùn)行部門配合，根據(jù)調(diào)試試驗(yàn)卡逐一試驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)采用物理改變參數(shù)方式，嚴(yán)格進(jìn)行各個(gè)動作條件組合試驗(yàn)和壞點(diǎn)模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證特殊工況下邏輯的正確性，側(cè)重驗(yàn)證保護(hù)邏輯過程的正確性；第二遍試驗(yàn)由運(yùn)行部門負(fù)責(zé)，調(diào)試、檢修人員配合，側(cè)重驗(yàn)證保護(hù)動作結(jié)果的正確性。

3 結(jié)束語

通過上述措施徹底解決了DCS存在的不足之處和安全隱患，保證了改造效果，達(dá)到了改造目的，目前系統(tǒng)已投運(yùn)，并運(yùn)行穩(wěn)定。通過改造，機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到DL/T 659-2016《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》要求，效果顯著，提高了控制系統(tǒng)自動化程度、機(jī)組控制水平及安全穩(wěn)定性。