DCS系統(tǒng)中熱工保護的合理設置研究

劉國華

DCS系統(tǒng)中熱工保護的合理設置研究

劉國華

（華電電力科學研究院有限公司東北分公司，遼寧 沈陽 110180）

熱工保護自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性在很大程度上影響機組的運行穩(wěn)定性。熱工保護控制系統(tǒng)可以對機組運行中的相關參數(shù)進行監(jiān)控和保護，使得參數(shù)維持在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)。在實際應用中，由于系統(tǒng)復雜程度較高，其很容易受到影響。通過分析探究，對相關的保護控制策略進行優(yōu)化，可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

DCS；熱工保護；合理設置；優(yōu)化策略

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家對于電力的需求量不斷攀升，另外對電能的穩(wěn)定提出了更高的要求。目前，中國電力主要來自于燃煤電廠，火電廠運行過程中，影響發(fā)電的因素較多，很容易引發(fā)供電的穩(wěn)定性。為保證火電廠的供電質(zhì)量，電廠往往采取熱工自動控制系統(tǒng)。通過自動化控制，設備的穩(wěn)定性運行能力得到較大的提升。一般情況下，電廠的熱工自動化控制系統(tǒng)主要包括檢測器、執(zhí)行設備及控制系統(tǒng)三部分組成，隨著自動化控制設備和技術的不斷發(fā)展，熱工自動化系統(tǒng)中逐漸包含順序控制、自動檢測、報警與保護等相關內(nèi)容。隨著電廠DCS系統(tǒng)的逐漸應用和發(fā)展，熱工自動化控制系統(tǒng)迎來新的發(fā)展期。

DCS控制系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)采集處理組件（DAS）、模擬計算控制組件（MCS）、開關量順序控制（SCS）以及熱工保護組件。

工作原理是DAS采集數(shù)據(jù)，在MCS中模擬計算，通過比較計算值和測量值，通過PID控制系統(tǒng)回路。主要通過SCS控制各個閥門完成調(diào)節(jié)變量。熱工保護組件主要用于保護系統(tǒng)，遇到危險情況或者某變量超過預警量時報警，提醒工作人員系統(tǒng)異常，或者直接跳閘。本文主要對DCS控制系統(tǒng)中的熱工保護內(nèi)容進行分析介紹。

2 熱工保護概述

火電機組的三大設備主要為鍋爐、汽輪機及發(fā)電機，隨著超臨界機組和超超臨界機組的不斷應用發(fā)展，機組對于自身保護的要求也越來越高，根據(jù)機組設備的具體特點，要求自保護跳閘的反應周期控制在毫秒級別。因此需要對熱工保護進行提升改進，DCS熱工保護系統(tǒng)主要針對鍋爐及汽輪機的保護、輔機保護組成，完善的保護系統(tǒng)能夠更加有效地保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。另外，還需要對保護信號進行合理的設定，設定必要的顯示提示功能，保護當前信號數(shù)值顯示，保護首出顯示等信息。

3 熱工保護故障類型簡述

工作環(huán)境導致DCS儀器儀表的精度和靈敏度降低或失靈。DCS的儀表大多都比較靈敏，對外界環(huán)境的溫度、濕度和酸堿度、灰塵等都具有要求。但環(huán)境出現(xiàn)變化時，可能導致儀器儀表出現(xiàn)故障。

3.1 儀表之間出現(xiàn)通信故障

系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性關鍵，在通信系統(tǒng)中，最容易出現(xiàn)故障的是I/O端口模塊，故障的原因多為信號線的短路。

3.2 操作不當引起儀器的故障

主要的故障類型有硬盤故障、通訊故障、數(shù)據(jù)線或者硬盤存儲不足等，主要的原因有人員操作不當引起人機接口故障、工作時間離崗造成操作機站死機。

3.3 DAS系統(tǒng)異常

DAS系統(tǒng)是自動保護系統(tǒng)的基礎，其穩(wěn)定運行受到外界接地系統(tǒng)穩(wěn)定性、現(xiàn)場磁場干擾及調(diào)試質(zhì)量的影響。在實際運行過程中，DAS數(shù)值可能會出現(xiàn)瞬間的變化觸動機組的誤跳閘發(fā)生，典型故障類型有模擬量信號漂移、DCS故障類型設定錯誤等。

3.4 主控制器故障

主控制器的故障多為冗余設定的不合理導致，通過對冗余進行優(yōu)化可以減少控制器異常導致的機組跳閘。另外，主控制的故障類型多為軟故障，可以通過初始化或復位操作恢復機組的運行。

4 熱工保護的設置探究

熱工保護的設定條件合理與否直接關系著機組設備穩(wěn)定運行的水平和質(zhì)量，具體條件如下。

4.1 冗余設定

為了防止設備的保護系統(tǒng)不能及時觸發(fā)或者誤觸發(fā)情況發(fā)生，需要對觸發(fā)系統(tǒng)的冗余情況進行設定。一般采取冗余信號3取2的操作方式。例如鍋爐內(nèi)壓力高觸發(fā)保護系統(tǒng)這一操作而言，系統(tǒng)會接收到3個鍋爐內(nèi)的壓力信號，如果其中存在2個以上的信號顯示溫度超高，即會引發(fā)操作。

4.2 溫度保護信號要對壞點和速率大信號進行切除

壞點切除指溫度探測器故障不能有效對監(jiān)測點的溫度信號進行判斷，該測量點的信號舍去；速率大信號切除指溫度的變化速率超過設定的標準值時，需要對該檢測數(shù)值進行舍去，在該標準值設定時需要結合設備運行的實際特點。溫度速率變化大不能完全說明監(jiān)測點存在溫度測試故障，有可能確實反饋溫度異常，如電機燒瓦。一般情況下，該數(shù)值設定在15～30 ℃/s。

4.3 保護信號進行合理的脈沖處理

在對密封風機進行保護設定時，其中一條是“2臺一次風機全?！保吮Ｗo含義是密封風機正常運行條件下，如果跳閘條件發(fā)生時，密封風機停止運行。在2臺一次風機停止的條件下可以啟動密封風機。此時不能利用長信號作為跳閘條件，需要使用脈沖信號。否則可能會造成跳閘發(fā)生時，密封風機不能運行的情況。

4.4 保護條件設定合適的時間延遲

保護條件延遲設定的含義時，機組運行時如果出現(xiàn)異常信號，保護跳閘不會馬上運行，而是在異常信號保持一段穩(wěn)定時間輸出時，保護跳閘才會運行。此設置可以防止因信號的抖動而造成的機組誤停機情況出現(xiàn)。

5 熱工保護在DCS組態(tài)中的優(yōu)化策略

5.1 提升設計合理性，優(yōu)化系統(tǒng)運行能力

為提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，冗余引入到電源和DPU中的做法十分常見，但僅在上述設備中引入冗余操作還不足以滿足自動化控制系統(tǒng)的要求。在系統(tǒng)運行中，可以在熱工信號監(jiān)測時也引入冗余思想，即多次取樣同一個測試點的數(shù)據(jù)，以保證測試結果的準確性，防止錯誤指令的產(chǎn)生。另外，為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，可以將重要測點的通道布置在不同的卡件上，從而減緩故障壓力。

總體而言，在熱工自動控制系統(tǒng)構建和升級時，應重視設計、安裝，多角度評測：①DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)化。為防止DCS出現(xiàn)軟硬件故障，可通過優(yōu)化設計，提升DCS系統(tǒng)的“壞質(zhì)量”診斷體系，通過優(yōu)化硬件質(zhì)量和軟件自診斷能力，提升系統(tǒng)預防和弱化故障的能力。②系統(tǒng)保護邏輯的優(yōu)化?？梢圆扇〕Y保護、抗積分飽和等運行邏輯提升自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。超馳保護即自動控制系統(tǒng)接收到故障信號、偏差越限等異常信號時，該保護措施會立即切換自動切手動、禁止增或禁止減等邏輯，使得系統(tǒng)設備在故障發(fā)生時得到有效保護，也保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行能力。例如，爐膛內(nèi)的壓力高于設定值后，超馳保護機制會對送風機進行禁止增，對引風機做禁止減操作，以保證爐膛內(nèi)的壓力逐漸恢復到正常值。積分飽和即執(zhí)行機構已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，盡管PID差分方程式所得的運算結果繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構已無相應的動作。出現(xiàn)積分飽和時，系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)不能對被控指標實行有效的控制，因此需要采取抗積分飽和機制。

5.2 應用成熟度高、穩(wěn)定性強的熱工元件

隨著自動化控制系統(tǒng)的復雜性和智能型逐漸提升，系統(tǒng)對于控制和檢測元件的要求更高。另外，熱工元件的故障率又較高，因此為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，盡量使用穩(wěn)定性強的熱工元件。在熱工元件選擇的過程中，不能盲目選擇高技術含量的元件或者低成本的元件，選擇的元件類型要與整個系統(tǒng)的匹配度最高為宜。

6 結語

熱工保護控制水平的高低直接關系著電廠機組運行的穩(wěn)定性，關乎企業(yè)的運行能力和經(jīng)濟性。本文對DCS熱工保護異常故障類型進行了分析介紹，保護設置的水平直接對保護系統(tǒng)的有效性和及時性產(chǎn)生影響，通過對保護設置和保護措施的優(yōu)化策略進行介紹，可以有效提升機組系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

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2095－6835（2019）22－0100－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.038

〔編輯：嚴麗琴〕