山西崇光發(fā)電有限責(zé)任公司 趙 玉

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，電廠設(shè)備逐漸朝著智能化的方向發(fā)展，以此使社會用電需求得到滿足。而熱控保護技術(shù)的應(yīng)用，是保護火電廠發(fā)電設(shè)備正常運行的重要舉措。為此，電廠技術(shù)人員需要加強對此項技術(shù)的研究，以此發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用價值。本文以本火電廠為例，對火電廠熱控保護技術(shù)優(yōu)化展開研究。

1 項目概況

1.1 項目背景

在經(jīng)濟快速發(fā)展的時期，社會用電需求增加，火力發(fā)電廠作為主力軍，需要滿足社會用電需求。但由于發(fā)電設(shè)備長期處在超負荷的工作狀態(tài)，其性能必然會受到影響，容易在運行過程中出現(xiàn)故障。為此，需要應(yīng)用熱控保護技術(shù)對故障加以控制，避免由于事故擴大，使設(shè)備受損。由此可見，熱控保護技術(shù)的應(yīng)用，是確?；鹆Πl(fā)電廠運行安全的重要舉措[1]。本文以本火電廠為例，該火電廠配備2×35萬kW 低熱值煤超臨界循環(huán)流化床發(fā)電機組，在實際建設(shè)過程中，通過優(yōu)化主機設(shè)備、簡化煙風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了超低排放。

1.2 熱控保護技術(shù)應(yīng)用問題

在測量不穩(wěn)定信號時運用了熱控保護技術(shù)，但系統(tǒng)出現(xiàn)誤動概率較大。在研究后發(fā)現(xiàn)，單點式信號測量屬于系統(tǒng)中的主要觸發(fā)式信號。在熱控系統(tǒng)中，各設(shè)備和系統(tǒng)均處在電磁場內(nèi)，且這個電磁場較為強大，容易受到內(nèi)外部環(huán)境的影響，具體表現(xiàn)為干擾回路，這里所說的回路主要是指單點式信號，之后誤動現(xiàn)象就會隨之出現(xiàn)。

1.3 具體解決對策

針對上述項目中存在的熱控問題，可以在檢修或新設(shè)備邏輯設(shè)計階段，對容錯式設(shè)計理念加以應(yīng)用。在此過程中，依據(jù)國家相關(guān)標準要求，對#1/#2機組重要輔機設(shè)備部分單點保護邏輯進行優(yōu)化，主要優(yōu)化內(nèi)容包括以下幾個方面[2]。

一次風(fēng)機部分保護邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯當中，一次風(fēng)機油站油泵均停運，延時15s 跳閘；根據(jù)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求將其優(yōu)化為，一次風(fēng)機油站油泵均停運且潤滑油壓＜0.25MPa（三取中），延時15s跳閘；原邏輯為一次風(fēng)機工變頻模式均消失，延時2s 跳閘；經(jīng)過優(yōu)化將其修改為，一次風(fēng)機工變頻模式均消失（工頻模式下且電流＜50A 與變頻模式下且電流＜50A），延時2s 跳閘。

二次風(fēng)機部分保護邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯中，二次風(fēng)機運行60s 后出口關(guān)斷門在關(guān)位，延時跳閘；優(yōu)化后改為，二次風(fēng)機運行60s 后出口關(guān)斷門在關(guān)位且二次風(fēng)機出口壓力＜1kPa，延時5s 跳閘；原邏輯中，二次風(fēng)機運行60s 后入口調(diào)節(jié)擋板開度小于5%，延時跳閘；優(yōu)化后，二次風(fēng)機運行60s 后入口調(diào)節(jié)擋板開度小于5%且品質(zhì)信號正常，延時5s 跳閘。

流化風(fēng)機部分保護邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯中，流化風(fēng)機運行60s，風(fēng)機入口調(diào)門＜5%跳閘。優(yōu)化修改后變?yōu)?，流化風(fēng)機運行60s，風(fēng)機入口調(diào)門＜5%且品質(zhì)信號正常，延時5s 跳閘。

2 火力發(fā)電廠熱控DCS 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 I/O 點數(shù)統(tǒng)計

筆者所在火力發(fā)電廠基于生產(chǎn)特點，以及各信號點的統(tǒng)計和控制要求，選擇DCS 系統(tǒng)所需的硬件。在實際展開I/O 點數(shù)統(tǒng)計的過程中，為降低生產(chǎn)事故發(fā)生的概率，根據(jù)相關(guān)要求，在重要參數(shù)測點、參與機組或設(shè)備保護的測點進行冗余配置，值得注意的是，冗余I/O 測點需要分配在不同模件上，確保任一測點出現(xiàn)故障時不會對其他冗余測點采集產(chǎn)生影響。在硬件選擇和設(shè)計階段，應(yīng)確保所選硬件與數(shù)據(jù)監(jiān)控要求相吻合，同時還要考慮到系統(tǒng)后續(xù)的擴展需求，簡言之就是留有余地。

在系統(tǒng)設(shè)計階段，需要以I/O 點表為基礎(chǔ)。將設(shè)備I/O 類型和數(shù)量作為依據(jù)，對全部設(shè)備子系統(tǒng)對I/O 提出的要求加以明確，這里所說的要求分別為數(shù)量和類型。其中類型可以通過點表確定，在此基礎(chǔ)上對卡件需求加以明確?？膽?yīng)用能夠使信號和系統(tǒng)相互連接，可以為后續(xù)軟件設(shè)計創(chuàng)造有利的條件。本電廠所設(shè)計的DCS 系統(tǒng)，單臺機組，其I/O 信號總點數(shù)為4100個，其中1200個點為模擬量輸入，130個點為模擬量輸出，而開關(guān)輸入點的數(shù)量為2000個，輸出點為770個，表1為I/O 點統(tǒng)計表。

表1 I/O 點統(tǒng)計表

將現(xiàn)場輸入輸出信號類型作為依據(jù)，可以將信號點分為四種，分別為兩類輸入和兩類輸出信號，所針對的對象包括模擬量和開關(guān)。本電廠在設(shè)計DCS 控制系統(tǒng)時，所應(yīng)用的卡件如下。

輸入模塊：這里所說的輸入模塊，主要針對模擬量，其由兩部分組成，分別為調(diào)理電路以及處理器系統(tǒng)，各個輸入通道，所設(shè)置的電流和電壓輸入模式均相同，其信號范圍處在0～20mA 的區(qū)間范圍內(nèi)，同時，在通道內(nèi)安裝采樣電阻，其強度為250Ω，該電阻可以完成對電流信號的轉(zhuǎn)化，使其成為電壓信號；輸出模塊：該模塊的組成，與輸入模塊相同，但作用存在差異，輸出模塊具有模擬輸出作用，可以為電壓和電流輸出提供支持[3]；開關(guān)量輸出模塊。該模塊的組成同樣為調(diào)理電路和處理器系統(tǒng)，該模塊可以對命令進行讀取；開關(guān)量輸入模塊。在開關(guān)輸入后，模塊會將狀態(tài)指示顯示在面板上，同時還具有記錄功能，且精度非常高。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為保障設(shè)計的合理性，避免出現(xiàn)分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)事故，要求分散控制系統(tǒng)與管理信息大區(qū)間，及廣域網(wǎng)的縱向交接處，必須設(shè)置經(jīng)國家指定部門檢測認證的電力專用橫向單向安全隔離裝置，及縱向加密認證裝置，并使用具有訪問控制功能的設(shè)備、防火墻等實現(xiàn)邏輯隔離，嚴禁采用高風(fēng)險的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，并在重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)當中運用加密機制。此外，還需要在分散控制系統(tǒng)與無線通信網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等進行連接時設(shè)置安全接入?yún)^(qū)。

本電廠在設(shè)計系統(tǒng)硬件的過程中，對現(xiàn)場配置情況進行了考慮，同時兼顧以太網(wǎng)的特點，故對光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)加以運用。究其原因，主要是可以直接與I/O 網(wǎng)絡(luò)相連接，避免中斷和延時問題。并且，I/O 網(wǎng)絡(luò)以IEC1588協(xié)議為基礎(chǔ)，能夠在最大限度上增強模塊同步精度[4]。

3 火力發(fā)電廠熱控DCS 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本電廠在設(shè)計熱控DCS 軟件過程中，將熱控系統(tǒng)功能作為依據(jù)對系統(tǒng)模塊進行劃分，并實施針對性設(shè)計，其要點如下所述。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在實際進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計過程中，為保障系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及可靠性，除特殊要求外，其他所有設(shè)備均需要采用脈沖信號控制方式，避免分散控制系統(tǒng)失電導(dǎo)致停機停爐，造成設(shè)備損壞。此外，所有設(shè)備需采用“三取二”“四取二”等可靠邏輯判斷方式，確保保護信號相對獨立，并設(shè)計保護誤動及拒動措施。值得注意的是，熱工保護系統(tǒng)輸出的指令應(yīng)優(yōu)先于其他任何類型指令，并對控制系統(tǒng)回路進行冗余配置。

3.2 模擬量控制系統(tǒng)

模擬量控制系統(tǒng)的設(shè)計需避免發(fā)生模擬量調(diào)節(jié)事故，保障系統(tǒng)功能設(shè)計的合理性。一方面應(yīng)確保系統(tǒng)設(shè)計滿足相關(guān)標準要求，并定期對模擬量控制系統(tǒng)進行試驗，包括協(xié)調(diào)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)等；另一方面，為保障模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)測量信號、執(zhí)行機構(gòu)運行的可靠性，應(yīng)確保系統(tǒng)在出現(xiàn)綜合信號故障、設(shè)定值與被調(diào)量相差過大等情況下可發(fā)出警報，并切換為手動模式。此外，模擬量控制系統(tǒng)還應(yīng)具備全工況、全過程的無擾切換功能[5]。

在系統(tǒng)設(shè)計時，所采用的設(shè)計方法為層次化。將系統(tǒng)分為多個組成部分，分別進行針對性設(shè)計。其中，主控系統(tǒng)屬于第一級系統(tǒng)，該系統(tǒng)會向下方的主控系統(tǒng)發(fā)送負荷指令；鍋爐和汽機主控系統(tǒng)屬于第二級系統(tǒng)，其在接收主控系統(tǒng)發(fā)出的指令后會實施相應(yīng)的控制。其中，前者會通過調(diào)整燃料和送風(fēng)量的方式，使鍋爐燃燒效率增加或減少，同時還會設(shè)定DEH 功率值，對汽機負荷指令予以執(zhí)行。上述系統(tǒng)的控制方式較為靈活，手動和自動均可；第三級為子控制回路線，負責(zé)各類發(fā)電設(shè)備回路的調(diào)整；控制驅(qū)動級屬于最下方的層級。以鍋爐氣溫控制為例，系統(tǒng)可以構(gòu)建反映過熱氣溫的模型如下：

導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)：G1（s）=-1/（48s+1）4，惰性區(qū)的傳遞函數(shù)：G2（s）=-2/（33s+1）4，在上述模型基礎(chǔ)上，即可構(gòu)建與之相匹配的空間表達式：

在上述公式中，導(dǎo)前溫度由y1表示；主蒸汽溫度由輸出y表示；狀態(tài)變量由x表示；其中y=x1。在現(xiàn)場系統(tǒng)可以直接對y1和y進行測量。

3.3 順序控制系統(tǒng)

本電廠所設(shè)計的順序控制系統(tǒng)，其針對的設(shè)備分別為鍋爐和汽輪機。鍋爐順序控制系統(tǒng)由三個級別構(gòu)成，第一級為機組、第二級為功能組、第三級為設(shè)備。將其功能作為依據(jù)，可將其作為兩個子系統(tǒng)，分別為風(fēng)煙和汽水。前者可以通過聯(lián)鎖邏輯將各類風(fēng)機和輔助設(shè)備相關(guān)聯(lián)，而后者具有控制汽水系統(tǒng)的作用，且能夠在設(shè)備出現(xiàn)故障時，通過聯(lián)鎖和保護的方式對故障進行控制。汽機順序控制系統(tǒng)的組成部分較多，如高低加、凝結(jié)水系統(tǒng)等。

3.4 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

本電廠設(shè)計該系統(tǒng)時，采用了分過程的設(shè)計方式，簡言之就是將該系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，分別展開設(shè)計。設(shè)計要點如下。

吹掃系統(tǒng)。為確定爐膛內(nèi)是否存在雜物，在點火前需要關(guān)停鍋爐，并對內(nèi)部實施吹掃，值得注意的是，吹掃必須連續(xù)進行。在吹掃階段還要滿足相應(yīng)的條件，即將全部燃料源切斷。同時還要保證通風(fēng)量達標，且吹掃時間不能超過5min。此外，在吹掃階段，若上述任何一個條件不滿足均不能吹掃。

爐焰檢測系統(tǒng)。除對火球進行檢測外，還要對燃燒器內(nèi)是否存在火焰進行檢測。在對前者檢測時，僅需對火焰強度檢測即可，但檢測后者時還要考慮脈沖頻率；主燃料跳閘。在該系統(tǒng)中，此項子系統(tǒng)十分重要。其能通過持續(xù)監(jiān)測的方式對系統(tǒng)運行條件予以明確，若在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)異常，為防止設(shè)備受損和控制事故規(guī)模，系統(tǒng)會切斷進入爐膛內(nèi)的燃燒。并且在特殊情況下系統(tǒng)還會控制負荷，防止鍋爐受損[6]。

3.5 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)中該系統(tǒng)屬于新型系統(tǒng)，其存在諸多的優(yōu)勢，如體積小、功能多和質(zhì)量高等?；趯嶋H需求，本電廠在設(shè)計過程中將系統(tǒng)分為多個部分，分別為數(shù)據(jù)顯示、運行方式、控制方式、汽機啟動方式等。

3.6 應(yīng)用結(jié)果

在本電廠應(yīng)用DCS 控制系統(tǒng)后，主要運行參數(shù)均處在設(shè)備允許范圍之內(nèi)，并且各參數(shù)在運行過程中其曲線并無明顯的波動。故得出如下結(jié)論：本電廠所設(shè)計的系統(tǒng)，其應(yīng)用可以滿足火電廠熱控保護需求，具有推廣價值。總而言之，DCS 系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域的標志。雖然本次設(shè)計能夠保證火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)的性能，但依然存在諸多不足，需要在后續(xù)研究中優(yōu)化和改善。