DCS改造中鍋爐側(cè)順序控制邏輯優(yōu)化

趙娜，張振偉

（1.天津華能楊柳青熱電有限責任公司，天津 300380；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

DCS改造中鍋爐側(cè)順序控制邏輯優(yōu)化

趙娜1，張振偉2

（1.天津華能楊柳青熱電有限責任公司，天津 300380；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

闡述了天津華能楊柳青熱電有限責任公司三期＃5機組分散控制系統(tǒng)（DCS）改造后期調(diào)試中，鍋爐側(cè)順序邏輯系統(tǒng)（SCS）優(yōu)化完善的過程。對前期設(shè)計、組態(tài)、調(diào)試等各階段SCS存在的主要問題進行了分析，并針對原設(shè)計邏輯存在的缺陷提出了解決方法。優(yōu)化后的SCS運行平穩(wěn)，機組聯(lián)鎖保護動作更加準確、可靠。

分散控制系統(tǒng)；改造；順序控制；邏輯優(yōu)化

1 機組概述

天津華能楊柳青熱電有限責任公司三期＃5機組于1996年建成投產(chǎn)，裝機容量300MW。采用西門子公司的TELEPERM XP／ME型分散控制系統(tǒng)（DCS）。由于控制理念、關(guān)鍵技術(shù)先進性等原因，原DCS已經(jīng)嚴重制約機組自動化水平的進一步提高，且隨著設(shè)備逐年老化，備品備件庫存不足，其中的安全隱患也越來越多。因此需要對DCS進行全面改造，升級為更先進、處理能力更強大的西門子公司T3000系統(tǒng)，并對原設(shè)計邏輯中存在的缺陷進行優(yōu)化。

順序控制系統(tǒng)［1］（SCS）的作用是在機組啟、停時盡量減少或取消運行人員的常規(guī)操作，縮短機組的啟、停時間，減輕運行人員的勞動強度，避免人為誤操作，保證機組安全、穩(wěn)定運行。由于SCS的控制對象涉及面廣、量大，且在機組試運行階段就要陸續(xù)正常投入，所以該系統(tǒng)的調(diào)試情況直接影響機組的試運進度。該公司鍋爐側(cè)SCS主要包括風煙系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)及煙冷器系統(tǒng)等。

2 改造原則

SCS的主要功能是對各輔機系統(tǒng)及設(shè)備進行順序控制，還包括輔機系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)中各泵、閥門及擋板等設(shè)備的聯(lián)鎖保護功能。在機組進行啟、停及連續(xù)運行期間，SCS保證鍋爐、汽輪機輔助設(shè)備能正確地進行單獨操作和順序啟、停操作，并且對輔機設(shè)備本身和機組進行保護，以保證機組安全、可靠運行。

改造中SCS的設(shè)計需遵循以下原則。

（1）對有斷路器的電氣控制回路采用脈沖式操作指令；對特殊的小型電氣控制回路，如電磁閥、執(zhí)行機構(gòu)等控制設(shè)備，采用持續(xù)式操作指令。

（2）對大多數(shù)開關(guān)量輸出均采用繼電器控制，即經(jīng)邏輯判斷后的輸出接點由數(shù)字量輸出（DO）卡輸出至繼電器，繼電器的輸出經(jīng)過端子排再驅(qū)動各動力設(shè)備。

（3）啟、停程序中一般采用步序型邏輯，個別條件下采用時序型邏輯和時序、步序混合邏輯，如脫硝反應(yīng)器聲波吹灰器順序控制，運行人員可以根據(jù)實際工況來調(diào)整順序控制進行的間隔時間。

（4）保護信號具有最高的優(yōu)先權(quán)，可以超越允許條件直接發(fā)出設(shè)備啟動或停止的指令，這類保護信號的邏輯關(guān)系不同于備用設(shè)備的聯(lián)鎖關(guān)系。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

SCS的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用分層控制的思想［2］，層次結(jié)構(gòu)包括組級、子組級和設(shè)備級，如圖1所示。分層結(jié)構(gòu)不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、嚴謹，同時有利于投運后系統(tǒng)的運行管理和維護。運行人員可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇各級控制，如運行人員可以單獨操作啟、停某臺送風機電動機、油泵或閥門，完成設(shè)備級控制，實現(xiàn)單設(shè)備操作，也可以啟動送風機子組，完成送風機子組相應(yīng)單元級的控制，甚至可以通過風煙大順序控制功能組，協(xié)調(diào)引風機子組、送風機子組、空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）子組的關(guān)系，共同完成整個功能組級的控制。

圖1 SCS分層結(jié)構(gòu)

4 SCS優(yōu)化的具體實現(xiàn)

4.1 SCS總體設(shè)計

SCS的設(shè)計是按子功能組的順序級別進行的［3］。各子功能組的劃分以1臺主設(shè)備為核心，與之相關(guān)的各輔助設(shè)備一同作為子功能組的控制對象。本次改造對每一個子組的程序啟、停都設(shè)計了軟手操塊，運行人員通過集中控制顯示器（CRT）可以監(jiān)視程序啟、停的步序條件是否滿足以及當前執(zhí)行的步序，在當前步操作成功且反饋信號到達后，程序會自動進行下一步（運行人員也可根據(jù)實際工況進行跳步），所有順序控制過程受到密切監(jiān)控。在程序啟、停過程中，可以人為中斷或暫停操作，中斷后程序的啟、停將從第一步順序執(zhí)行，暫停后程序可由當前暫停步繼續(xù)執(zhí)行。如果在程序啟、停過程中產(chǎn)生非人為中斷或該步監(jiān)控時間超時，則程序停在條件不滿足的步序，并發(fā)出報警信息，提醒運行人員注意；當所停步序的條件滿足時，程序不會自動向下一步序進行，需要運行人員確認是否繼續(xù)進行，需要繼續(xù)運行時要重新投入程序啟、停。對于SCS中單個設(shè)備的單獨操作，可在CRT的過程畫面中通過鼠標來操作。

4.2 鍋爐側(cè)SCS的分布

為保障機組的安全、穩(wěn)定運行，SCS的分配應(yīng)遵循風險分散的原則，將重要輔機設(shè)備的SCS分散在不同的控制器中，并盡量減少控制器之間的通信負荷。該公司＃5機組DCS鍋爐側(cè)SCS子功能組分布于10對冗余控制器中（AP501，AP502，AP503，AP504，AP506，AP507，AP508，AP509，AP510，AP511），具體布置如下：

（1）風煙大順序控制子功能組（AP501，AP502，AP503，AP504）包括空預(yù)器子功能組、引風機子功能組、送風機子功能組、進口導(dǎo)葉及進、出口風門擋板等順序控制。

（2）＃1，＃2空預(yù)器子功能組（AP501，AP502）包括空預(yù)器主、輔電動機和入口煙氣擋板等順序控制。

（3）＃1，＃2送風機子功能組（AP501，AP502）包括送風機、風機潤滑油系統(tǒng)、進口導(dǎo)葉及進、出口風門擋板等順序控制。

（4）給水系統(tǒng)功能組（AP502）包括強制循環(huán)泵、再循環(huán)水調(diào)節(jié)門、再循環(huán)水截止門、NPSH噴水調(diào)節(jié)門、NPSH噴水截止門及暖管截止門等順序控制。

（5）＃1，＃2引風機子功能組（AP503，AP504）包括引風機、引風機變頻器系統(tǒng)、風機軸承冷卻風機、進口導(dǎo)葉及進、出口風門擋板等順序控制。

（6）＃1，＃2一次風機子功能組（AP503，AP504）包括一次風機、一次風機變頻器系統(tǒng)、進口導(dǎo)葉及進、出口風門擋板等順序控制。

（7）脫硝、煙冷器系統(tǒng)子功能組（AP506）包括選擇性催化還原（SCR）蒸汽吹灰器、SCR聲波吹灰器、煙冷器吹灰器及疏灰等順序控制。

（8）鍋爐吹灰系統(tǒng)子功能組（AP507）包括吹灰器、疏水門及進汽門等順序控制。

（9）制粉系統(tǒng)子功能組（AP508，AP509，AP510，AP511）包括磨煤機、給煤機、冷熱風擋板、潤滑油系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)及分離器系統(tǒng)等順序控制。

（10）燃燒系統(tǒng)子功能組（AP508，AP509，AP510，AP511）包括油槍、點火槍、油閥、油調(diào)門及風門擋板等順序控制。

4.3 原設(shè)計中存在的主要問題

（1）在對順序控制系統(tǒng)的具體調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)原邏輯設(shè)計過于復(fù)雜，且存在一定缺陷，與機組的實際運行要求不適應(yīng)，且效率低下，不利于機組安全、有效運行。如磨煤機啟、停順序控制過于復(fù)雜，造成磨煤機啟、停效率低下，不便于熱控人員維護。

（2）邏輯判斷條件過于苛刻。在步序中，只有在當前步的操作成功且反饋信號到達后，程序才會自動進行下一步，而原邏輯中對于部分反饋信號的判斷條件過于苛刻，容易導(dǎo)致步序不能繼續(xù)進行，如風煙大順序控制過程中對于二次風門的判斷條件嚴重影響了順序控制啟動的效率。

（3）步序監(jiān)控時間設(shè)計不合理。機組經(jīng)過常年運行，許多控制設(shè)備老化，無法在原設(shè)計監(jiān)控時間內(nèi)完成開、關(guān)等操作。因此，在此次改造中對設(shè)備的啟、停時間進行詳細記錄，適當調(diào)整步序監(jiān)控時間，如將風煙系統(tǒng)部分風的擋板開、關(guān)監(jiān)控時間延長。

4.4 SCS功能組優(yōu)化

4.4.1 風煙大順序控制的優(yōu)化

鍋爐風煙系統(tǒng)大順序控制［4］是鍋爐側(cè)重要的順序控制程序之一，是鍋爐啟動點火前的必要條件，其主要完成風煙系統(tǒng)各主、輔設(shè)備（空預(yù)器、引風機、送風機等）的依次啟動，對鍋爐進行啟動前的吹掃，確保鍋爐順利安全點火。

此次針對風煙大順序控制的邏輯主要進行了以下3處修改。

（1）修改燃燒器擋板的判斷條件。該公司＃5機組鍋爐為雙燃燒室鍋爐，燃燒室頂部布置有16個旋流燃燒器，共配有16支油槍，每個燃燒器配有2個二次風擋板、1個中心風擋板、1個旋流擋板，燃燒器擋板總數(shù)達64個。原風煙大順序控制指令將所有燃燒器擋板開至吹掃位100%，以建立空氣通道，并在反饋中檢查所有風門擋板開度。原邏輯中二次風1、二次風2、中心風、旋流擋板開滿100%信號4取3即為二次風門開到位，條件要求每渣室二次風門開到位信號8取7順序控制才能繼續(xù)。如此嚴格的條件常常導(dǎo)致個別二次風擋板未開滿100%而影響風煙大順序控制邏輯的繼續(xù)進行，嚴重影響機組啟動效率。根據(jù)機組多年運行經(jīng)驗判斷，所有燃燒器擋板只要開度在60%左右即能建立空氣通道順利通風，故本次邏輯修改將燃燒器擋板在吹掃位的判斷條件改為開度反饋大于55%。

同理，在執(zhí)行原邏輯中將所有燃燒器擋板關(guān)至冷卻點火位置0%的指令時，反饋要求所有擋板關(guān)限位已到才能繼續(xù)下一步，在新邏輯中將二次風、中心風反饋要求改為開度小于5%即可。經(jīng)實踐證明，該項邏輯修改大大節(jié)省了風煙大順序控制啟動的時間，提高了執(zhí)行效率。

（2）取消順序控制中對三次風擋板的操作指令。該廠三次風取自二次風母管，在機組運行過程中，它的作用主要是補充煤粉燃盡階段所需要的氧氣。在風煙大順序控制中，制粉系統(tǒng)尚未啟動，因此需將三次風擋板開滿進行通風。在原風煙大順序控制過程中，所有三次風擋板的控制為先全部開滿，再全部關(guān)閉，控制過程不夠科學。故在新的風煙大順序控制邏輯中只保留三次風擋板開滿指令，而對其具體控制操作在磨煤機順序控制中實現(xiàn)。此項修改不會影響機組的順利啟動，同時也為風煙大順序控制節(jié)省了時間。

（3）刪減風煙系統(tǒng)無效邏輯。由于近年該公司對鍋爐風煙系統(tǒng)設(shè)備一次、二次風暖風器進行了改造，相應(yīng)地進行了控制邏輯的修改和刪減，因此，原有的風煙系統(tǒng)大順序控制邏輯對一次、二次風暖風器的控制不能正常執(zhí)行，程序運行過程中需運行人員進行干預(yù)才能順利進行。在風煙大順序控制中對一次、二次風暖風器的邏輯進行了刪除，保證程序安全、快速進行。

（4）新增渣室預(yù)選、排點火預(yù)選。在原順序控制啟動邏輯中，四排二次風擋板均需要先開至吹掃位100%，再關(guān)至鍋爐冷卻點火位置0%，待準備啟動磨煤機時，再將本排二次風擋板打開，如此一來效率大大降低。故新邏輯中新增了渣室預(yù)選和排點火預(yù)選，對該排進行預(yù)選后，在順序控制中會自動跳過該排二次風擋板的關(guān)閉指令，保留該排二次風擋板的打開狀態(tài)，避免了啟動磨煤機時二次風擋板被反復(fù)操作。

（5）將鍋爐重新吹掃功能加入風煙大順序控制。鍋爐點火前、后突然滅火或3次點火未成功時，均需要對爐膛進行重新吹掃。把爐膛、煙道、空預(yù)器中可能積存的不完全燃燒的煤粉、可燃性氣體排出，防止點火時可燃物與空氣混合發(fā)生爆燃。原邏輯中未設(shè)計鍋爐重新吹掃順序控制，每次鍋爐吹掃都需要從第1步開始重新進行風煙大順序控制。本次邏輯修改將鍋爐重新吹掃功能融入風煙大順序控制中，新增吹掃允許條件面板，方便運行人員實時查看吹掃失敗的原因。當點擊重新吹掃按鈕時，直接執(zhí)行風煙大順序控制的第4～7步（置所有燃燒器風門為吹掃位100%）、第16～24步（開始吹掃計時540 s，吹掃完成后，置燃燒器風門鍋爐冷卻點火位置0%）。

4.4.2 磨煤機順序控制的優(yōu)化

（1）將磨煤機順序控制中潤滑油泵啟動提前。原磨煤機順序控制中啟動潤滑油泵的指令在第7步發(fā)出，優(yōu)化后邏輯將該指令移至第1步，提前為磨煤機運行提供穩(wěn)定的油壓，從而保障磨煤機的軸承和軸瓦之間有足夠的潤滑油，減少摩擦，延長設(shè)備使用壽命。

（2）對磨煤機停止順序控制中磨輥抬起后轉(zhuǎn)磨盤甩煤粉的相關(guān)邏輯進行完善。原磨煤機停止順序控制步序中的第9步，當給煤機、刮板鏈電動機、槳葉軸電動機、給煤機吹掃風機停止后，發(fā)抬升磨輥指令，延時20 s停磨煤機。優(yōu)化后的邏輯改為步序第9步，抬升磨輥，30 s后對磨輥狀態(tài)進行判斷，若磨輥全部抬起則延時90 s，將磨輥上的殘留煤粉甩出后停止磨煤機；若磨輥未全部抬起，則馬上停止磨煤機，防止磨輥在低位時磨煤機空轉(zhuǎn)而損壞磨輥。

（3）完善磨煤機清掃順序控制。雖然在磨煤機停止順序控制中已經(jīng)完善了磨輥抬起后轉(zhuǎn)磨盤甩煤粉的相關(guān)邏輯，但如果順序控制過程中磨輥未正常抬升，則該步序?qū)⒈惶^，直接停磨煤機，此時磨盤上將殘留大量煤粉，因此需要通過清掃順序控制來甩掉磨盤上的殘留煤粉。

針對磨煤機清掃順序控制主要進行了2點修改：一點是對磨煤機清掃順序控制的允許條件進行了補充，新增條件為“當分離器出口風溫小于運行人員的設(shè)定值＋30℃”時才允許啟動磨煤機清掃順序控制，添加此項條件的主要原因是防止在清掃過程中分離器出口溫度過高而引起煤粉的爆燃；另一點是將清掃順序控制步序第10步，磨輥抬升后空轉(zhuǎn)磨煤機甩出殘留煤粉的時間由120 s延長至300 s，確保殘留煤粉被完全甩出。

（4）新增磨煤機通風順序控制。新增的磨煤機通風順序流程如圖2所示。制粉系統(tǒng)因跳閘等原因異常停運時，如需再次啟動，則應(yīng)在啟動前對磨煤機進行通風，將一次風管內(nèi)積存的煤粉吹入爐膛。原邏輯中未設(shè)計磨煤機通風順序控制，每次通風都需要熱控人員對相關(guān)條件進行置位來完成。

圖2 磨煤機通風順控結(jié)構(gòu)框圖

（5）對磨煤機保護條件進行整理和歸納。原制粉系統(tǒng)中磨煤機保護條件通過2種方式觸發(fā)：一種是通過DCS觸發(fā)，另一種是通過硬線由旁路控制系統(tǒng)（BPS）觸發(fā)。此次DCS改造工程取消了BPS，將磨煤機保護信號統(tǒng)一通過DCS發(fā)出，將保護跳閘、緊急停止、加速停止磨煤機條件進行整理和歸納，優(yōu)化后磨煤機保護信號如下：

1）2臺一次風機均停。

2）給煤機停止運行后磨輥未全部抬起延時60 s。

3）磨煤機密封風機跳閘且密封風差壓＜1.2 kPa，延時30 s。

4）磨煤機馬達啟動后齒輪潤滑油壓＜100 kPa，油壓信號3取2，延時2 s。

5）磨煤機前一次風量＜13.5m3／s，延時15 s。

6）緊急跳閘磨煤機（出口門關(guān)閉信號4取3）。

7）緊急跳閘磨煤機（分離器出口溫度＞設(shè)定值＋25℃）。

8）緊急跳閘磨煤機（二次風量低）。

9）緊急跳閘磨煤機（煤油無火檢信號4取3）。

10）緊急跳閘磨煤機（主燃料跳閘）。

11）緊急跳閘磨煤機（單渣室燃料熱值＜42MJ）。

12）快速減負荷（RB）跳閘磨煤機。

4.5 SCS優(yōu)化技術(shù)要點

（1）嚴格設(shè)計順序控制功能組中每一步的監(jiān)視時間和等待時間。SCS在實行對現(xiàn)場的被控設(shè)備操作時，對被控設(shè)備的運行時間有嚴格要求，如果超過設(shè)定的時間則認為操作故障，因此在調(diào)試現(xiàn)場設(shè)備時必須準確測量設(shè)備的運行時間，并做好記錄。如準確記錄閥門和執(zhí)行機構(gòu)在0～100%行程中的開、關(guān)時間，每一步設(shè)置的監(jiān)視時間要長于各個執(zhí)行機構(gòu)的開、關(guān)時間。對油泵和其他小型輔機要測量從啟動至系統(tǒng)建立的時間，對大型輔機則要根據(jù)具體情況，通過動力電源和負載特性等測試記錄其運行時間。同時還要考慮被控設(shè)備冷、熱態(tài)時在高、低負荷上的運行時間差異。

在以上工作完成后，將正確的時間與SCS中的時間核對并修正，設(shè)定好的時間并不是一成不變的，隨著運行狀況和運行時間的改變，對一些不合理的部分進行修改，直至滿足實際工況要求。

（2）注意SCS子組間的互相聯(lián)系［5］。SCS各子組間表面上相互獨立，實際上相互制約、相互聯(lián)系，如啟動引風機子組前必須先啟動空預(yù)器子組，啟動送風子組前必須先啟動空預(yù)器和引風機子組。因此，機組正常啟動時，必須根據(jù)實際運行步驟，充分考慮子組間的聯(lián)鎖，并保證聯(lián)鎖關(guān)系試驗準確無誤，才能在機組運行過程中將SCS的所有功能順利投運。

（3）順序控制功能組必須能對故障進行監(jiān)視和處理。若當前執(zhí)行步序過程中有設(shè)備出現(xiàn)故障且執(zhí)行該步序已超時，則功能組應(yīng)能自動中斷步序并報警，及時提醒運行人員，以避免繼續(xù)進行造成無效操作，繼而導(dǎo)致聯(lián)鎖和保護動作。

（4）正確判斷順序控制和自動調(diào)節(jié)之間的關(guān)系［6］。順序控制與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)有2種關(guān)系，一種是在機組順序控制啟、停過程中，調(diào)節(jié)控制從屬于順序控制系統(tǒng)，即根據(jù)順序控制操作指令投入、切除調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)或改變定值，待順序控制完成后，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)恢復(fù)其控制獨立性，如制粉系統(tǒng)順序啟動和結(jié)束時，將磨煤機分離器轉(zhuǎn)速設(shè)置為規(guī)定值；另一種是在機組正常啟動和運行過程中，順序控制系統(tǒng)從屬于調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，用以擴大調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，完善調(diào)節(jié)功能，如在機組啟動初期，強制循環(huán)泵順序控制自動啟動，可以幫助回收啟動過程中的熱量與工質(zhì)，同時達到?jīng)_洗的目的。

（5）保護信號具有最高的優(yōu)先權(quán)。DCS控制邏輯分為單個設(shè)備保護和程序啟、停控制2部分，單個設(shè)備的啟、停，自動啟、停以及聯(lián)鎖保護條件的設(shè)計以保護設(shè)備為主，兼顧保證機組運行。

5 結(jié)論

本次DCS改造共計審查鍋爐側(cè)順序控制邏輯23套，作出邏輯修改391項。經(jīng)過實踐檢驗，順序控制邏輯保護聯(lián)鎖設(shè)計合理，控制思路先進，各主要控制系統(tǒng)運行情況良好，能夠滿足實際生產(chǎn)需要。

［1］秦彥瑾.200MW汽輪機組DCS應(yīng)用及研究［D］.北京：華北電力大學，2005.

［2］陳濤.600MW機組超臨界直流鍋爐大順控功能組的設(shè)計及調(diào)試［J］.安徽電力，2008，25（4）：12－15.

［3］白建云.大型火力發(fā)電廠順序控制技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2007（3）：72－74，80.

［4］張?zhí)?風煙系統(tǒng)擋板控制邏輯改進［J］.華電技術(shù)，2010，32（1）：26－28.

［5］鐘新明.熱電廠鍋爐DCS控制的改造應(yīng)用研究［D］.上海：上海交通大學，2013.

［6］于德志.順序控制系統(tǒng)設(shè)計原則在DCS系統(tǒng)改造中的應(yīng)用［J］.民營科技，2011（10）：140.

（本文責編：弋洋）

TK 223.7

B

1674－1951（2016）02－0044－04

趙娜（1987—），女，天津人，工程師，工學碩士，從事鍋爐檢修方面的工作（E-mail：zhaona_sky＠163.com）。

2015－08－26；

2016－01－11