電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)改造設(shè)計

馮海波

摘 要：熱控系統(tǒng)在火電廠的生產(chǎn)系統(tǒng)中具有重要作用，是生產(chǎn)單元機(jī)組的基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。為了提高熱控系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，需要對其DCS進(jìn)行優(yōu)化改造，從而解決DCS系統(tǒng)中存在的問題，進(jìn)一步提高DCS設(shè)計改造水平，全面提高熱控系統(tǒng)DCS運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：火電廠;單元機(jī)組;熱控系統(tǒng);分散控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

DCS Transformation Design of Thermal Control System of Unit in

Thermal Power Plant

FENG Haibo

（Henan Hezhong Power Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： thermal control system plays an important role in the production system of thermal power plant. It is the basic control system of production unit. In order to improve the operation efficiency and stability of thermal control system， its DCS needs to be optimized and transformed， so as to solve the problems existing in DCS system， in order to further improve the design and transformation level of DCS and comprehensively improve the operation efficiency of DCS of thermal control system.

Keywords： thermal power plant;unit;thermal control system;distributed control system

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）對火電廠熱控系統(tǒng)運(yùn)行控制具有重要影響。受多種因素的影響，當(dāng)前部分火電廠熱控系統(tǒng)的DCS在選型及設(shè)計方面較為落后，已經(jīng)難以支撐火電廠熱控系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為了提高火電廠發(fā)電效率和安全性，必須對DCS進(jìn)行優(yōu)化改造，采用科學(xué)的設(shè)計方案，選擇合理的DCS，通過改造設(shè)計提高DCS的實(shí)效性，從而全面提升火電廠發(fā)電效率。在此背景下，結(jié)合某火電廠的單元機(jī)組熱控系統(tǒng)實(shí)際情況，提出一種可行的DCS改造設(shè)計方案。

1 熱控系統(tǒng)的DCS改造選型分析

1.1 DCS改造選型基本原則

在對火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)的DCS進(jìn)行改造設(shè)計時，需要完成系統(tǒng)選型。系統(tǒng)選型的基本原則包括六點(diǎn)。第一，可靠性。通常情況下，可靠性需要利用平均無故障工作時間（Mean Time Between Failure，MTBF）進(jìn)行衡量，但是MTBF為統(tǒng)計指標(biāo)，并不代表可直接測量的目標(biāo)。一些供應(yīng)商所提供的MTBF真實(shí)性存在問題，所以在選擇時需要通過常見可靠性設(shè)計、生產(chǎn)及應(yīng)用3個方面進(jìn)行考察，也就是系統(tǒng)設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)、可靠性目標(biāo)及其在系統(tǒng)中的分配，所選擇的元器件極限指標(biāo)余量、模板間、單元間的插件、I/O卡件隔離措施及冗余備份等[1]。第二，維修性。維修性是系統(tǒng)必須具有的重要基礎(chǔ)，即系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的故障診斷功能，能準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)當(dāng)前存在的故障。第三，技術(shù)性。技術(shù)性是指系統(tǒng)是否符合DCS的最新發(fā)展方向和技術(shù)水平，軟件平臺是否先進(jìn)。DCS系統(tǒng)需要采用多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)，在多種不同情況下對DCS系統(tǒng)組件進(jìn)行修改，不會對DCS系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。第四，經(jīng)濟(jì)性。在選擇DCS系統(tǒng)時，需要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，即系統(tǒng)自身的市場價格。因?yàn)镈CS改造設(shè)計需要花費(fèi)較多的費(fèi)用，包括系統(tǒng)改造費(fèi)用以及維護(hù)費(fèi)用等，需要對DCS改造設(shè)計后的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計算。第五，供應(yīng)商能力。需要對供應(yīng)商的技術(shù)水平、服務(wù)能力及生產(chǎn)能力等進(jìn)行評價，從而判斷供應(yīng)商的綜合能力。第六，供貨服務(wù)。因?yàn)闊犭姀S熱控系統(tǒng)DCS改造是一項(xiàng)周期較長的項(xiàng)目，所以必須考慮供應(yīng)商的供貨服務(wù)能力，防止供應(yīng)商在改造過程中無法有效提供支持。

1.2 改造設(shè)計評估

按照不同項(xiàng)目的內(nèi)容，上述6大因素對DCS改造設(shè)計的重要性不同，一般情況下采用加權(quán)因素評估方法。評估人員在確定供應(yīng)商的方案和報價前，需要明確各因素的加權(quán)系數(shù)，以在與供應(yīng)商洽談時進(jìn)行對比，在比較后去除最低分和最高分，按照平均分進(jìn)行計算。每一項(xiàng)原則項(xiàng)目都具有具體的評分標(biāo)準(zhǔn)。例如：在考慮可靠性時，設(shè)計可靠性為4分，需要從DCS系統(tǒng)整體設(shè)計可靠性方面進(jìn)行評價;生產(chǎn)流程為3分，需要對DCS系統(tǒng)制造過程進(jìn)行考察;使用情況為3分，通過走訪用戶等明確故障率。該火電廠DCS系統(tǒng)改造設(shè)計項(xiàng)目的評估見表1和表2。各供應(yīng)商的6項(xiàng)得分相加得到總分，評估出的總分和額定總分比值能反映出供應(yīng)商綜合水平百分比，其中C供應(yīng)商不能選擇，A供應(yīng)商和B供應(yīng)商可以選擇。如果預(yù)算充足，則選擇A供應(yīng)商;如果預(yù)算較為緊張，可以選擇B供應(yīng)商。

2 火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)的DCS設(shè)計

在確定設(shè)備選型后，正式進(jìn)入設(shè)計階段。對于DCS改造，需要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，同時參照典型的設(shè)計方案，根據(jù)當(dāng)前熱控系統(tǒng)DCS的基本情況，盡量保留原有設(shè)備，并減少施工量，提高系統(tǒng)適用性和改造經(jīng)濟(jì)效益，減少經(jīng)濟(jì)投入[2]。以該火電廠的改造設(shè)計方案為例，對其系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹，其系統(tǒng)改造設(shè)計主要內(nèi)容如圖1所示。

2.1 DAS系統(tǒng)改造設(shè)計

在本次分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DCS）改造設(shè)計過程中，除了氣溫記錄表、氣壓記錄表、真空記錄表及部分電接點(diǎn)水位表外，其他監(jiān)測全部包括在DCS系統(tǒng)中，系統(tǒng)具備操作、成組、棒圖及報警等功能，同時能實(shí)現(xiàn)定期記錄、事故記錄、事故追蹤記錄及故障原因記錄等，具有可靠的歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索功能。

2.2 SCS系統(tǒng)改造設(shè)計

在順序控制系統(tǒng)（Sequence Control System，SCS）改造設(shè)計中，只保留了鍋爐安全門、事故放水門、汽機(jī)潤滑油泵等原有的手動操作，其他操作全部接入SCS系統(tǒng)，通過SCS中驅(qū)動級的基本邏輯對其進(jìn)行控制。所有操作都能在DCS系統(tǒng)內(nèi)部邏輯中完成，通過驅(qū)動邏輯對反饋信號、條件信號及操作指令等進(jìn)行分析，從而確定優(yōu)先級，將其輸出到控制回路。SCS具有啟動和停止控制功能，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖及程序啟動功能。設(shè)備聯(lián)鎖中設(shè)計了最高優(yōu)先級指令，手動指令優(yōu)先級高于自動指令，設(shè)備的啟動、停止指令等相互閉鎖，從而提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。在改造前的DCS控制方案中，熱控系統(tǒng)常見跳閘導(dǎo)致無法運(yùn)行的問題，且受到其他信號干擾較大。為此，在本次設(shè)計方案中增加了信號干擾報警器，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時首先進(jìn)行報警提醒，不會立即跳閘，仍保持正常運(yùn)行狀態(tài)，由操作人員對其進(jìn)行處理，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[3]。

2.3 DEH系統(tǒng)改造設(shè)計

在數(shù)字式電氣液壓控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）改造設(shè)計方案中，設(shè)備控制模式設(shè)計為電液切換，保留原有的液壓系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上增加電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)能與液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)相互跟蹤，互為備用。當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，另一套系統(tǒng)能迅速啟動實(shí)現(xiàn)無縫銜接。在外圍系統(tǒng)中，本次設(shè)計方案增加了掛閘油壓檢測系統(tǒng)，保留原有的同步器和油動機(jī)形成檢測系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。從外圍檢測點(diǎn)到電液控制系統(tǒng)的線纜要重新鋪設(shè)，并增加對線纜的抗干擾處理，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力。

2.4 BMS系統(tǒng)改造設(shè)計

在本次DCS系統(tǒng)改造設(shè)計方案中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的主要功能是對程控點(diǎn)火、汽包水位保護(hù)的控制。燃燒器在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)下設(shè)計了4種不同的操作模式，即手動操作、單控操作、對控操作及層控操作。汽包水位保護(hù)系統(tǒng)通過壓力進(jìn)行補(bǔ)充，同時連接到滅火裝置中，利用滅火保護(hù)裝置對水位進(jìn)行防護(hù)，從而提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性[4]。

2.5 系統(tǒng)連接改造設(shè)計

在系統(tǒng)連接改造設(shè)計中，SCS系統(tǒng)依據(jù)反饋信號與設(shè)計信號相互分離的基本理念，將爐側(cè)轉(zhuǎn)機(jī)的原始控制線纜從爐側(cè)調(diào)整到中間轉(zhuǎn)接柜，當(dāng)作和SCS控制柜的中間轉(zhuǎn)接，對反饋信號線纜進(jìn)行重新鋪設(shè)，并在線纜中做好屏蔽保護(hù)措施，提高線纜抗干擾能力。爐側(cè)的電動門從電動抽屜柜中鋪設(shè)到SCS控制柜中，一次風(fēng)選線和二次風(fēng)選線電控系統(tǒng)的繼電器全部去除，設(shè)計為單獨(dú)的控制回路。DCS系統(tǒng)和一次設(shè)備的連接設(shè)計中，電動門開關(guān)和位置反饋信號不采用原有的開關(guān)節(jié)點(diǎn)直接和I/O板相連，而是在設(shè)計改造方案中增加中間繼電器。反饋到DCS系統(tǒng)中的信號線纜設(shè)計為與控制線纜分離的方式。外圍設(shè)備線纜接入DCS的I/O控制柜中，單端接地、傳送模擬量檢測信號設(shè)計為分線屏蔽。引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)及給水泵等系統(tǒng)的轉(zhuǎn)機(jī)啟動、停止?fàn)顟B(tài)反饋分別接入斷路器的輔助接點(diǎn)中，針對控制機(jī)的轉(zhuǎn)機(jī)反饋設(shè)計增加360 V中間繼電器，將其與原有的中間繼電器相連[5]。

2.6 系統(tǒng)電源和地網(wǎng)改造設(shè)計

2.6.1 電源設(shè)計。DCS系統(tǒng)必須具有合理的電源才能正常運(yùn)行，所以必須做好電源設(shè)計。在本次DCS系統(tǒng)改造設(shè)計中，利用電壓380 V不同工作階段中的同相位電路，電源輸出到DCS系統(tǒng)的配電柜中。DCS系統(tǒng)配電柜中設(shè)計4臺不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），能夠在全負(fù)荷狀態(tài)下工作30 min。兩個不同階段的相位電源接入DEH控制柜中，通過熱工交流總電源為電源到繼電器提供支持，從而支持CCS系統(tǒng)執(zhí)行使用。在對電源進(jìn)行改造設(shè)計的過程中，不僅要提升電源可靠性，而且要采用冗余和分散的設(shè)計方式，將電源分散到每個機(jī)柜中，利用相對獨(dú)立的電源設(shè)備，對不同電源分別進(jìn)行整流和穩(wěn)壓處理，再利用二極管裝置等進(jìn)行選樣處理，從而在某電源出現(xiàn)故障時自動切換到其他電源。切換操作要在瞬間完成，以減少DCS對I/O及RAM等硬件的沖擊影響，提升熱控系統(tǒng)的DCS運(yùn)行穩(wěn)定性，并有效避免多重故障。

2.6.2 地網(wǎng)改造設(shè)計。地網(wǎng)是影響DCS系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和安全性的重要內(nèi)容。原有的地網(wǎng)運(yùn)行保護(hù)性不足，所以需要對地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在改造設(shè)計方案中，機(jī)柜之間采用銅線連接的方式，將銅線與多股銅芯相互連接，并將地線和地網(wǎng)相互連接，在連接點(diǎn)區(qū)域一定范圍內(nèi)不能存在大電流設(shè)備，否則會對系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，設(shè)計完成后系統(tǒng)整體接地電阻小于1.5 Ω。DCS系統(tǒng)地網(wǎng)和現(xiàn)場電氣接地網(wǎng)采用共用的設(shè)計方案，能有效應(yīng)對突變電磁場對系統(tǒng)的沖擊影響，相比傳統(tǒng)的獨(dú)立接地方式更加安全可靠，同時降低了設(shè)計改造成本。

3 火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)DCS改造設(shè)計完善內(nèi)容分析

在該火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)DCS改造完成后，將其投入正常生產(chǎn)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自動發(fā)電控制（Automation Generate Control，AGC）功能。運(yùn)行一段時間后，針對DCS系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題，對其進(jìn)行進(jìn)一步完善。第一，運(yùn)行一段時間后，管理人員發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)所配備的UPS可靠性不足，采用電氣直流電源加逆變裝置對其進(jìn)行替代，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。第二，在改造過程中充分考慮了改造投入，盡量以原有的儀表、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及DCS主網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)和管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）互聯(lián)。保留原有的智能巡測儀器作為DCS系統(tǒng)的采集前端使用，參數(shù)能在系統(tǒng)中顯示。一些開關(guān)控制聯(lián)鎖采用原有PLC構(gòu)建，DCS、PLC及巡測儀器共同組成新的DCS，從而降低系統(tǒng)改造成本，減少硬件設(shè)備及軟件的改造投入，在實(shí)踐改造中整體降低投入約30%，有效提升經(jīng)濟(jì)效益。第三，減少傳統(tǒng)儀表和操作站數(shù)量。該火電廠的5個操作站減少到3個，并去除記錄表和報警光字牌。采用DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行管控，減少系統(tǒng)運(yùn)行流程，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，避免其他環(huán)節(jié)對運(yùn)行過程產(chǎn)生干擾。

4 結(jié)語

以火電廠的單元機(jī)組熱控系統(tǒng)DCS改造設(shè)計為例，對DCS系統(tǒng)的選型及系統(tǒng)改造設(shè)計方案進(jìn)行全面闡述。改造設(shè)計方案在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，大大提升了熱控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性及安全性。

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