熱控系統(tǒng)的容錯設計

李芝華　白琮宇

【摘 要】通過對熱控系統(tǒng)故障導致機組跳閘原因的分析，提出采用容錯設計來提高熱控系統(tǒng)的可靠性。討論了冗余配置、邏輯優(yōu)化、信號鑒別、壞值剔除、容錯控制、軟測量技術與故障診斷等幾種容錯設計方法。

【關鍵詞】邏輯優(yōu)化；容錯控制；軟測量技術；故障診斷；冗余配置；可靠性

熱控系統(tǒng)的正確與完善，是大機組安全運行的基礎。通過故障分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)故障都是局部的設備故障所引起。為什么局部故障會導致機組跳閘？熱控系統(tǒng)的整體可靠性該如何評價？有沒有科學的方法來避免熱控系統(tǒng)的誤動？

1.熱控系統(tǒng)可靠性不高的原因

1.1設計上對可靠性考慮不夠

雖然近年來熱控系統(tǒng)在設計、安裝、調(diào)試方面都有了很大的進步，但熱控系統(tǒng)在可靠性上還是存在著不足，由熱控設備小故障所造成的機組非計劃停運事件常有發(fā)生。尤其是新建機組投產(chǎn)后的前幾年，熱控專業(yè)通常都要進行大量的改進和完善工作。

1.2單點信號保護是系統(tǒng)的隱患

由于設備安裝位置條件的限止或傳統(tǒng)設計上的原因，在熱工聯(lián)鎖保護系統(tǒng)中還大量存在著使用單點信號作保護的情況，這些單點信號造成了保護系統(tǒng)誤動甚至機組跳閘，降低了熱控系統(tǒng)的可靠性。某300MW機組磨煤機保護跳閘邏輯中，“一次風與爐膛差壓低低”動作將跳所有磨煤機，設計中僅采用一個邏輯開關，誤動造成機組跳閘的概率非常大。

分析認為：溫度測量系統(tǒng)、絕對振動信號、位置開關、變送器等，由于故障時常發(fā)生，不宜用作單點保護。同時，單點保護還大大增加了因檢修維護不當造成誤動的風險。

1.3冗余不足

DCS的設計應采用合適的冗余配置、合理的分散度，使其具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一組件（電源、控制器、通訊模件、I/O模件、交換機、網(wǎng)絡等）發(fā)生故障，都不應影響整個系統(tǒng)的工作。但實際運行中的DCS卻很難完全滿足上述要求，冗余失效和局部故障導致機組跳閘的事故時有發(fā)生。

有些系統(tǒng)雖然是按冗余系統(tǒng)設計，但并未做到真正的冗余。比如，將冗余的通訊口做在了同一塊模件（有的甚至在同一個插接件），將冗余的保護信號組態(tài)在了同一塊模件，當模件（插接件）發(fā)生故障時冗余失效。

對于冗余的獨立取樣系統(tǒng)同樣存在以下問題：雖然設計了冗余的變送器，但采用了同一取樣點，甚至共用了同一個一次閥門，或共用了同一個排污門。某600MW機組整套啟動階段發(fā)生的2次MFT，都是由于取樣系統(tǒng)的冗余存在問題。

上述問題的存在，與熱控系統(tǒng)的投資、技術手段有關，更與熱控系統(tǒng)的設計理念有關。

2.熱控系統(tǒng)的容錯設計

2.1提高熱控設備的冗余度

為了使熱控系統(tǒng)具有較高的可靠性，合理的投入是很有必要的，也是最基本的保證。合理的投入是指選用高質(zhì)量的熱控設備，以及足夠的冗余度。

保護信號首先要可靠，尤其是一次測量元件。如果選取的測量信號本身不可靠，將其用作跳閘信號時則會大大增加誤動的概率。如大型輔機的電機線圈溫度，目前已有許多機組將其由原來的跳閘改為報警，因為大量的運行實踐表明，線圈溫度測量信號的故障率非常高，輔機啟動時常常不得不將故障的線圈溫度測量信號強制撤出。

冗余也就能容錯，因此，引入冗余信號、避免單點故障引起跳機是常見的容錯設計方法。對重要開關量輸入信號進行冗余邏輯判斷，已經(jīng)成為火電廠控制系統(tǒng)普遍采用的設計準則，如采用三選二正確性判斷邏輯。當重要邏輯信號由模擬量信號轉換產(chǎn)生時，對外部模擬量輸入信號通常采用三取中冗余判斷，并設置輸入信號量程及變化速率等壞信號檢查手段。對重要邏輯輸出信號進行正確性檢查判斷，常采用二并、二串、二并二串的結構。并聯(lián)輸出降低了拒動的可能，但提高了誤動的可能。串聯(lián)輸出降低了誤動的可能，但提高了拒動的可能。采用二并二串的結構，可實現(xiàn)高可靠性的冗余控制輸出。

2.2硬件優(yōu)化和軟件優(yōu)化

在許多情況下，可以通過對硬件和軟件進行適當?shù)貎?yōu)化配置，使控制系統(tǒng)可靠性得到提高。

在熱控系統(tǒng)設計中，在進行控制模件任務分配時，應注意將成對或多臺組合配置的輔機控制（如磨煤機、給水泵、循環(huán)水泵、兩側煙風系統(tǒng)等）分配在不同控制模件中實現(xiàn)，以降低模件失效所帶來的影響。過去曾出現(xiàn)過許多因模件分配不當，導致冗余失效的工程實例。如某600MW機組DEH系統(tǒng)3路“安全油壓力低”信號共用了同一塊模件，當該模件異常時導致汽機跳閘。

2.3引入故障鑒別信號改善單點保護

應盡量避免單點信號用于保護，當不得不采用單點信號作保護時，建議應引入故障鑒別信號。

對不可靠的單點信號保護（比如汽機振動）增加邏輯條件后，新加入的任何條件（與原信號相與）都將改變原來的保護機理。但如果采用引入故障鑒別信號的邏輯優(yōu)化方式，原來的保護機理未改變，也就不會增加保護系統(tǒng)拒動的風險。如對于汽機軸向位移單點保護，可以引入汽機高中低壓脹差作為故障鑒別信號。

2.4保護信號故障剔除

發(fā)電廠熱工輔機保護邏輯中，常采用軸承和電機線圈的溫度測量信號，當測量信號超過定值時觸發(fā)保護動作，但由于溫度測量回路中的熱電阻很容易發(fā)生接觸不良或斷線的故障，使得保護誤動。通常可以利用DCS I/O通道的故障診斷功能，如開路檢測、超量程檢測等對保護邏輯增加信號正確性判斷，出現(xiàn)異常時及時將故障信號從保護回路中退出。對緩慢變化的溫度信號進行正確性判斷，速率鑒別是最有效的方法。

2.5容錯控制技術的研究

目前，容錯控制技術在火電廠熱工自動控制系統(tǒng)的應用，大多是針對模擬量控制系統(tǒng)變送器、執(zhí)行器的故障。

容錯設計方法將特定的容錯控制技術應用于火電廠熱工自動控制系統(tǒng)的設計，更廣泛地探討提高控制系統(tǒng)可靠性的方法和途徑。比如在模擬量控制系統(tǒng)中采用的控制指令方向性閉鎖、禁開/禁關邏輯保護措施，以及在RB控制策略中的容錯控制回路等等。

2.6軟測量技術與故障診斷

將軟測量技術應用于熱工保護系統(tǒng)的故障診斷，可以大大提高熱控系統(tǒng)的容錯控制能力。

軟測量技術是一門新興的應用技術，它是通過構造數(shù)學模型使不可測變量可視化，并形成“推斷控制”。目前，軟測量技術在電廠熱工過程中的研究和應用尚處于起步階段，主要試圖解決一些熱工測量上存在的難題，如煙氣含氧量、飛灰含碳量等等。

本文在前面提出，可以引入汽機高中低壓脹差作為汽機軸向位移單點保護的故障鑒別信號。事實上，汽機軸向位移還與許多汽機參數(shù)相關，比如汽機調(diào)節(jié)級壓力P。若利用軟測量技術，建立汽機軸向位移與調(diào)節(jié)級壓力P之間的對應關系曲線，也是實現(xiàn)軸向位移故障信號鑒別的另一種思路。

盡管軟測量技術在電廠的應用還是初步的嘗試，但已經(jīng)顯示出它的巨大潛力。由于軟測量選取可靠性較高的參考信號，由DCS系統(tǒng)構造的數(shù)學模型穩(wěn)定，是非常理想的主保護鑒別信號。

3.結束語

對火電廠熱控系統(tǒng)的可靠性研究，是當前熱控專業(yè)技術發(fā)展的熱點之一。在熱控系統(tǒng)中引入容錯設計方法，為邏輯優(yōu)化提出了明確的目標；我們可以按容錯的要求，主動梳理控制邏輯，尋找保護系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，有針性地進行完善。我們可以引入熱控系統(tǒng)容錯度的概念，作為評價熱控系統(tǒng)設計的量化指標；讓熱控系統(tǒng)在設計、制造兩個重要環(huán)節(jié)中的優(yōu)勢顯現(xiàn)出來，引導設計者、設備供應商去追求更高的可靠性目標。

本文提出的熱控系統(tǒng)容錯設計思想，只是一個拋磚引玉的作用，容錯設計方法需要更多案例積累。希望通過進一步地研究，形成一整套典型的容錯設計方案，并推廣應用，以指導以后的火電廠熱工自動化系統(tǒng)設計。 [科]