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(duì)其DCS進(jìn)行優(yōu)化改造，從而解決DCS系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提高DCS設(shè)計(jì)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(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(duì)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(jì)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(duì)DCS進(jìn)行優(yōu)化改造，采用科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，選擇合理的DCS，通過(guò)改造設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)的DCS進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，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(wú)故障工作時(shí)間（Mean Time Between Failure，MTBF）進(jìn)行衡量，但是MTBF為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，并不代表可直接測(cè)量的目標(biāo)。一些供應(yīng)商所提供的MTBF真實(shí)性存在問(wèn)題，所以在選擇時(shí)需要通過(guò)常見(jiàn)可靠性設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行考察，也就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)是否先進(jìn)。DCS系統(tǒng)需要采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在多種不同情況下對(duì)DCS系統(tǒng)組件進(jìn)行修改，不會(huì)對(duì)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(shí)，需要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，即系統(tǒng)自身的市場(chǎng)價(jià)格。因?yàn)镈CS改造設(shè)計(jì)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(duì)DCS改造設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行計(jì)算。第五，供應(yīng)商能力。需要對(duì)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(píng)價(jià)，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(zhǎng)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(guò)程中無(wú)法有效提供支持。

1.2 改造設(shè)計(jì)評(píng)估

按照不同項(xiàng)目的內(nèi)容，上述6大因素對(duì)DCS改造設(shè)計(jì)的重要性不同，一般情況下采用加權(quán)因素評(píng)估方法。評(píng)估人員在確定供應(yīng)商的方案和報(bào)價(jià)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(shí)進(jìn)行對(duì)比，在比較后去除最低分和最高分，按照平均分進(jìn)行計(jì)算。每一項(xiàng)原則項(xiàng)目都具有具體的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。例如：在考慮可靠性時(shí)，設(shè)計(jì)可靠性為4分，需要從DCS系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)可靠性方面進(jìn)行評(píng)價(jià);生產(chǎn)流程為3分，需要對(duì)DCS系統(tǒng)制造過(guò)程進(jìn)行考察;使用情況為3分，通過(guò)走訪用戶等明確故障率。該火電廠DCS系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目的評(píng)估見(jiàn)表1和表2。各供應(yīng)商的6項(xiàng)得分相加得到總分，評(píng)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(jì)

在確定設(shè)備選型后，正式進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。對(duì)于DCS改造，需要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參照典型的設(shè)計(jì)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(jì)方案為例，對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹，其系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如圖1所示。

2.1 DAS系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

在本次分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DCS）改造設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)全部包括在DCS系統(tǒng)中，系統(tǒng)具備操作、成組、棒圖及報(bào)警等功能，同時(shí)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(chǔ)和檢索功能。

2.2 SCS系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

在順序控制系統(tǒng)（Sequence Control System，SCS）改造設(shè)計(jì)中，只保留了鍋爐安全門(mén)、事故放水門(mén)、汽機(jī)潤(rùn)滑油泵等原有的手動(dòng)操作，其他操作全部接入SCS系統(tǒng)，通過(guò)SCS中驅(qū)動(dòng)級(jí)的基本邏輯對(duì)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(guò)驅(qū)動(dòng)邏輯對(duì)反饋信號(hào)、條件信號(hào)及操作指令等進(jìn)行分析，從而確定優(yōu)先級(jí)，將其輸出到控制回路。SCS具有啟動(dòng)和停止控制功能，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖及程序啟動(dòng)功能。設(shè)備聯(lián)鎖中設(shè)計(jì)了最高優(yōu)先級(jí)指令，手動(dòng)指令優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)指令，設(shè)備的啟動(dòng)、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(jiàn)跳閘導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題，且受到其他信號(hào)干擾較大。為此，在本次設(shè)計(jì)方案中增加了信號(hào)干擾報(bào)警器，當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)首先進(jìn)行報(bào)警提醒，不會(huì)立即跳閘，仍保持正常運(yùn)行狀態(tài)，由操作人員對(duì)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(jì)

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(jì)方案中，設(shè)備控制模式設(shè)計(jì)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(wèn)題后，另一套系統(tǒng)能迅速啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接。在外圍系統(tǒng)中，本次設(shè)計(jì)方案增加了掛閘油壓檢測(cè)系統(tǒng)，保留原有的同步器和油動(dòng)機(jī)形成檢測(cè)系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從外圍檢測(cè)點(diǎn)到電液控制系統(tǒng)的線纜要重新鋪設(shè)，并增加對(duì)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(jì)

在本次DCS系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）的主要功能是對(duì)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(jì)了4種不同的操作模式，即手動(dòng)操作、單控操作、對(duì)控操作及層控操作。汽包水位保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)壓力進(jìn)行補(bǔ)充，同時(shí)連接到滅火裝置中，利用滅火保護(hù)裝置對(duì)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(jì)

在系統(tǒng)連接改造設(shè)計(jì)中，SCS系統(tǒng)依據(jù)反饋信號(hào)與設(shè)計(jì)信號(hào)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(duì)反饋信號(hào)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(dòng)門(mén)從電動(dòng)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(jì)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(jì)中，電動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)和位置反饋信號(hào)不采用原有的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)直接和I/O板相連，而是在設(shè)計(jì)改造方案中增加中間繼電器。反饋到DCS系統(tǒng)中的信號(hào)線纜設(shè)計(jì)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(cè)信號(hào)設(shè)計(jì)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(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)反饋分別接入斷路器的輔助接點(diǎn)中，針對(duì)控制機(jī)的轉(zhuǎn)機(jī)反饋設(shè)計(jì)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(jì)

2.6.1 電源設(shè)計(jì)。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(jì)。在本次DCS系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)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(jì)4臺(tái)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(gè)不同階段的相位電源接入DEH控制柜中，通過(guò)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(duì)電源進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的過(guò)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(jì)方式，將電源分散到每個(gè)機(jī)柜中，利用相對(duì)獨(dú)立的電源設(shè)備，對(duì)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(shí)自動(dòng)切換到其他電源。切換操作要在瞬間完成，以減少DCS對(duì)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(jì)。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(duì)地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在改造設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，設(shè)計(jì)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(chǎng)電氣接地網(wǎng)采用共用的設(shè)計(jì)方案，能有效應(yīng)對(duì)突變電磁場(chǎng)對(duì)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(shí)降低了設(shè)計(jì)改造成本。

3 火電廠單元機(jī)組熱控系統(tǒng)DCS改造設(shè)計(jì)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(dòng)發(fā)電控制（Automation Generate Control，AGC）功能。運(yùn)行一段時(shí)間后，針對(duì)DCS系統(tǒng)運(yùn)行存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步完善。第一，運(yùn)行一段時(shí)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(duì)其進(jìn)行替代，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。第二，在改造過(guò)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(guò)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(cè)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(kāi)關(guān)控制聯(lián)鎖采用原有PLC構(gòu)建，DCS、PLC及巡測(cè)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(gè)操作站減少到3個(gè)，并去除記錄表和報(bào)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(duì)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

以火電廠的單元機(jī)組熱控系統(tǒng)DCS改造設(shè)計(jì)為例，對(duì)DCS系統(tǒng)的選型及系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面闡述。改造設(shè)計(jì)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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