基于DCS的火電廠系統(tǒng)控制方法研究

吳秉澤

中國電建集團(tuán)上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司，上海，200031

0 引言

印度尼西亞某電廠建設(shè)規(guī)模為2×50MW（凈出力）高溫高壓燃煤機(jī)組，同步建設(shè)海水脫硫裝置。采用分散控制系統(tǒng)（DCS）滿足機(jī)組任何工況下的監(jiān)控要求（包括緊急故障處理），控制站及人機(jī)接口站的中央處理器（CPU）負(fù)荷率、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率、分散控制系統(tǒng)與其他相關(guān)系統(tǒng)的通信負(fù)荷率、控制處理器周期、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、事件順序記錄（SOE）分辨率、抗干擾性能、控制電源質(zhì)量、GPS時(shí)鐘裝置等指標(biāo)均需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在分散控制系統(tǒng)中，從控制器到通信網(wǎng)絡(luò)，從供電I/0模件的電源到系統(tǒng)電源所采用的冗余配置都是完全獨(dú)立的，且能做到無擾切換；若分散控制系統(tǒng)配設(shè)的服務(wù)器采用的結(jié)構(gòu)模式為B/S或是C/S，選取的為冗余配置，那么無論是服務(wù)器切換，還是供電電源切換，同樣應(yīng)做到無擾化。分散控制系統(tǒng)與全廠信息系統(tǒng)大區(qū)之間設(shè)置橫向單向安全隔離裝置[1]。

自功能層面上劃分DCS系統(tǒng)為如下子系統(tǒng)：DAS（數(shù)據(jù)采集）、MCS（模擬量管控）、FSSS（爐膛安全監(jiān)控）、ECS（用電監(jiān)控）、BPC（旁路控制）、SCS（順序控制）、FGD_DCS（脫硫控制）、ETS（汽機(jī)急跳閘）、DEH（汽機(jī)電液控制）、循環(huán)水泵房、化學(xué)加藥、汽水分析、除渣子系統(tǒng)、燃油泵房控制子系統(tǒng)等等，除了上述子系統(tǒng)外，DCS系統(tǒng)的組成部件還包括各種控制接口、組態(tài)及畫面編制軟件與編制工具等。

1 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)為系統(tǒng)的高效通信提供了有力的保障，它將系統(tǒng)外設(shè)、系統(tǒng)的處理單元（分散在系統(tǒng)各個(gè)角落中）與處理系統(tǒng)有效地連接在一起。DCS控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)安全、可靠、高效，在網(wǎng)絡(luò)里為任意兩個(gè)設(shè)備間的通信創(chuàng)設(shè)豐富的路徑，這樣即便發(fā)生單點(diǎn)故障，乃至是多點(diǎn)故障，也不會(huì)影響到通信的穩(wěn)定進(jìn)行；采用全光纖或UTP通信線纜，以提高系統(tǒng)通信中的抗電磁干擾能力，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用管理型交換機(jī)；工作站或控制器與交換機(jī)間通信速率不低于100Mbps，交換機(jī)與交換機(jī)間通信速率不低于100Mbps。

1.1 DCS通信接口

DCS若想和其他控制系統(tǒng)進(jìn)行便捷、高效的通信，就必須有通信接口。全部通信接口被內(nèi)置到DPU（分散處理單元）中，或是將通信接口獨(dú)立掛于數(shù)據(jù)高速公路上，讓其擔(dān)負(fù)起多功能網(wǎng)關(guān)的功能。如果通信接口被用來監(jiān)控通信過程，就應(yīng)是雙向的冗余配置。無論何種情形，冗余接口都應(yīng)一起運(yùn)行，任一接口發(fā)生通信故障均不應(yīng)對過程監(jiān)控產(chǎn)生影響。經(jīng)通信接口接收的全部數(shù)據(jù)都應(yīng)能在控制系統(tǒng)里被捕獲到，而且不限制捕獲的具體位置，同時(shí)還應(yīng)能顯示在操作員站與報(bào)表記錄中，能進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。DCS和其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通信時(shí)，同樣要做到可靠、快速[2]。

DCS通信接口對所連設(shè)備的工作狀態(tài)還負(fù)有監(jiān)視報(bào)告的責(zé)任，也即過程監(jiān)管。DCS應(yīng)經(jīng)通信接口捕獲與其相連的其他控制系統(tǒng)中發(fā)生的故障信息、采取的診斷信息，診斷信息產(chǎn)生于標(biāo)準(zhǔn)自診程序，存在于微機(jī)控制系統(tǒng)里。一旦相連的控制系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，操作人員就能經(jīng)操作員站顯示的工況信息獲知。通信接口還應(yīng)具備計(jì)算功能、邏輯功能，并能為DCS實(shí)現(xiàn)所有功能提供所需的數(shù)據(jù)。需要指出的是，傳輸控制系統(tǒng)信號不但可借助通信接口實(shí)現(xiàn)，還可經(jīng)硬接線直接傳輸。

1.2 DCS與全廠信息系統(tǒng)（IMS）通信接口

DCS和IMS之間布設(shè)著一套完整的接口，含接口站、通信電纜、接口卡、軟件包、數(shù)據(jù)庫、驅(qū)動(dòng)程序以及操作系統(tǒng)。

IMS接口站需要單獨(dú)設(shè)置，可將全部的DCS數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)送到IMS系統(tǒng)中。和IMS系統(tǒng)相接，不會(huì)造成DCS性能的下降，也不會(huì)因?yàn)镮MS故障影響到DCS的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。以傳輸速率作為參數(shù)指標(biāo)，IMS接口模擬量每秒最低應(yīng)能傳輸12000個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、25000個(gè)點(diǎn)的數(shù)字。單個(gè)點(diǎn)所應(yīng)包含的信息必須有點(diǎn)的數(shù)值、標(biāo)志號、時(shí)間標(biāo)簽以及描述等等。IMS接口機(jī)不能直接接入DCS以太網(wǎng)，必須通過硬件防火墻才能和DCS以太網(wǎng)連接[3]。

日投喂量以吃飽、吃完、不留殘餌為原則，一般為池蝦、蟹體重的4.0%～5.0%，可根據(jù)蝦、蟹的吃食情況進(jìn)行調(diào)整。每天投喂2次，早晨和傍晚各1次，晚上投喂量占日投喂量的70.0%～80.0%。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）

DAS要能對全部和機(jī)組相關(guān)的測點(diǎn)信號、設(shè)備的具體狀態(tài)信號進(jìn)行連續(xù)采集、持續(xù)處理，這樣才能將運(yùn)行信息及時(shí)提供給操作人員，保證機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。機(jī)組工況一旦出現(xiàn)異常，會(huì)馬上報(bào)警，借此讓機(jī)組對應(yīng)的可利用率得以提升。

DAS必須具備如下四項(xiàng)基本功能：①顯示：含對模擬圖、操作、成組、棒狀圖以及報(bào)警等相關(guān)信息的顯示；②記錄：含定期記錄、跳閘、事故追溯與事故順序等相關(guān)信息的記錄；③存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)檢索；④性能計(jì)算。

2.1 DAS顯示

顯示功能應(yīng)能做到滾動(dòng)顯示以及多窗口一起顯示，還能在菜單驅(qū)動(dòng)下對外顯示、顯示縮放圖像等。原則上應(yīng)按層顯示，比如按區(qū)域顯示、據(jù)概貌顯示、按功能組進(jìn)行顯示等等。分層顯示是基于工藝過程、運(yùn)行要求所確定的，分層顯示的目的在于方便查看細(xì)節(jié)信息，方便分析特定工況。經(jīng)由分層顯示中的快捷切換模式，運(yùn)行人員就不需耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力用來記憶切換步驟[4]。

DAS能將DCS中的全部過程點(diǎn)顯示出來，從輸入輸出模擬量到輸入輸出數(shù)字量再到計(jì)算值以及中間變量等均能顯示出來。顯示的所有過程點(diǎn)都應(yīng)包含如下信息：標(biāo)志號、工程單位、數(shù)值、高低限值、說明、性質(zhì)等等。在DCS模擬畫面或表格顯示中，可顯示電氣送入DCS系統(tǒng)的所有信號，包括保護(hù)動(dòng)作、裝置報(bào)警、開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、電度量、功率等。

2.2 鍋爐超溫統(tǒng)計(jì)

按照運(yùn)行規(guī)程與事故處理規(guī)程，對運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組與設(shè)備的超溫狀況做好統(tǒng)計(jì)與編制，經(jīng)LED顯示器以圖像、文字形式對外顯示。超溫統(tǒng)計(jì)必須考慮的工況情形最少有如下三種：起動(dòng)、機(jī)組跳閘、正常運(yùn)行。

從功能上看，超溫統(tǒng)計(jì)需具備如下四點(diǎn)：①對鍋爐各點(diǎn)處的金屬溫度以及溫度和限值之間的偏差進(jìn)行計(jì)算，在超溫狀況下還應(yīng)對超溫時(shí)間進(jìn)行累計(jì)；②對鍋爐各點(diǎn)處金屬的實(shí)際溫度值予以提供，顯示溫度偏差值，并具備打印功能；③對各班次的超溫次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包含單次持續(xù)時(shí)長，同時(shí)提供顯示、打印功能；④對超溫統(tǒng)計(jì)進(jìn)行全程在線計(jì)算，計(jì)算精度要在0.1%以上。另外，在LED上顯示熱工自動(dòng)投入情況，自動(dòng)計(jì)算投入率[5]。

3 模擬量控制系統(tǒng)（MCS）

MCS的主要組成部件為微處理器，由微處理器所組成的子系統(tǒng)調(diào)控各個(gè)單元機(jī)組和相關(guān)的輔機(jī)系統(tǒng)。其中的“鍋爐-汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)”被視作整體單元，對其予以一起管控，借此管控模式，鍋爐、汽輪機(jī)就能對控制要求作出同步態(tài)的響應(yīng)，保證了機(jī)組的穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，即便負(fù)荷處于變化中，機(jī)組也能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。將控制系統(tǒng)劃分成數(shù)量不等的子系統(tǒng)，對子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，“獨(dú)立完整”是必須遵守的基本原則，借此保證信息在通信總線上以最少的量進(jìn)行交換。經(jīng)由冗余控制系統(tǒng)，最小化局部故障給機(jī)組整體造成的影響。借助聯(lián)鎖保護(hù)，控制系統(tǒng)有效避免了危險(xiǎn)動(dòng)作、預(yù)防了系統(tǒng)性錯(cuò)誤。安全工況條件下，聯(lián)鎖保護(hù)使得鍋爐及其輔機(jī)能夠高度靈活地進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)、校正調(diào)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證作業(yè)[6]。

3.1 鍋爐-汽機(jī)協(xié)調(diào)控制

（1）閥門開度固定。保持汽機(jī)閥門于特定位置，伴隨負(fù)荷的上升，蒸汽壓力隨之升高，一旦達(dá)到85%的額定值，系統(tǒng)就會(huì)處于定壓運(yùn)行狀態(tài)，若想繼續(xù)加大負(fù)荷，汽機(jī)閥門也必須增大。

（2）閥門開度固定且調(diào)節(jié)空間處于±10%之間。壓力加大，負(fù)荷上升至85%時(shí)，若想讓機(jī)組能對負(fù)荷的波動(dòng)做出繼續(xù)響應(yīng)，并能保證頻率穩(wěn)定，汽機(jī)閥門應(yīng)該有±10%的可調(diào)空間。

（3）程序處理。低負(fù)荷（負(fù)荷在25%及以下水平）運(yùn)行情況下，通過對汽機(jī)閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足負(fù)荷要求。負(fù)荷需求再次升高時(shí)，就到達(dá)滑壓運(yùn)行狀態(tài)。伴隨壓力的增加，負(fù)荷上升。汽機(jī)閥門在±10%的調(diào)整空間，對負(fù)荷的波動(dòng)做出響應(yīng)，保持頻率穩(wěn)定。負(fù)荷一旦達(dá)到85%，機(jī)組運(yùn)行就會(huì)切換到定壓模式。

3.2 鍋爐控制

鍋爐控制系統(tǒng)同樣包含了數(shù)目不等的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)要在協(xié)調(diào)狀態(tài)下運(yùn)行，運(yùn)行的主要特征可以概括為：前饋，并能讓鍋爐在安全、穩(wěn)定狀態(tài)下快速而且靈敏地運(yùn)作，這樣無論什么樣的工況，都有負(fù)荷所需的電量產(chǎn)生。鍋爐控制系統(tǒng)也應(yīng)和FSSS系統(tǒng)互為協(xié)調(diào)，借此為鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更好的保證。

設(shè)計(jì)鍋爐控制系統(tǒng)需要對高溫高壓鍋爐的動(dòng)態(tài)特征、工藝流程予以充分認(rèn)識，進(jìn)行深入研究，在鍋爐生產(chǎn)商所提供的資料基礎(chǔ)上，與設(shè)計(jì)方的已有經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，而后展開設(shè)計(jì)。在協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化負(fù)荷指令的基礎(chǔ)上，控制燃料的量與進(jìn)風(fēng)量。

3.3 其他控制系統(tǒng)

其他控制系統(tǒng)大約有40多個(gè)，均為單回路管控，比如除氧器的壓力與水位管控系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)中的油溫與潤滑控制系統(tǒng)、凝汽器中控制熱井水位的系統(tǒng)、汽機(jī)EH液溫度控制、液位控制等。

4 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）

FSSS是DCS的重要組成，可被進(jìn)一步分解為BCS（燃燒器管控系統(tǒng)）與FSS（燃料安全管控系統(tǒng)），此外還有和其他控制系統(tǒng)之間的接口，能對機(jī)組整體運(yùn)行的工況信息、運(yùn)行指令予以接收傳送。FSSS所有控制和連鎖應(yīng)與鍋爐的控制和連鎖相協(xié)調(diào)。

4.1 BCS功能

①持續(xù)監(jiān)視油、煤燃燒器的點(diǎn)火、切除以及投運(yùn)狀態(tài)。②選擇適合電廠的自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備選擇的基本要求為操作靈活、最少有兩級水平，技術(shù)盡可能新。③于不同運(yùn)行方式（高一級、次一級的自動(dòng)運(yùn)行和手操運(yùn)行）下，對監(jiān)視以及聯(lián)鎖功能予以進(jìn)一步的完善，含監(jiān)視燃燒器的火焰。④吹掃時(shí)、點(diǎn)燃燃燒器時(shí)、負(fù)荷條件下的運(yùn)行中，對風(fēng)箱擋板的具體位置進(jìn)行管控，滿足二次風(fēng)的分配要求。⑤具有磨煤機(jī)、給煤機(jī)、密封風(fēng)機(jī)、火檢冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備相關(guān)控制功能。⑥FCB出現(xiàn)時(shí)，要將磨煤機(jī)馬上切除，待到鍋爐負(fù)荷下降到最低穩(wěn)燃狀態(tài)，事故發(fā)生的可能徹底消除時(shí)，再啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 FSS功能

4.2.1 爐膛吹掃

MFT出現(xiàn)后，要充分吹掃爐膛里與煙道中的可燃混合物，為重新點(diǎn)燃燃料做好準(zhǔn)備。程序中設(shè)定的吹掃時(shí)間應(yīng)該可調(diào)，注意泄漏試驗(yàn)是吹掃程序的一部分。

4.2.2 燃料油系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)

吹掃爐膛時(shí)，子系統(tǒng)應(yīng)開始進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康臑榕卸ㄓ拖到y(tǒng)不同組成部分間是否嚴(yán)密相接，比如：關(guān)斷閥是否處于密閉狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)了泄漏要馬上鎖定原因。吹掃完成前，泄漏試驗(yàn)也必須成功完成。

4.2.3 燃料跳閘

燃料跳閘要設(shè)置多層管控，借此保證停運(yùn)的設(shè)備盡可能地少，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，最小化不安全工況問題的發(fā)生。燃料跳閘有如下三種具體的情形：MFT（總?cè)剂希?、磨煤機(jī)與油燃料三類跳閘。MFT情形下，要將所有輸送到鍋爐中的燃料切斷。

5 電氣監(jiān)控

電氣系統(tǒng)主要監(jiān)控如下子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)：發(fā)電機(jī)出口500kV斷路器、起備變斷路器及隔離開關(guān)、發(fā)電機(jī)與變壓器機(jī)組、用電系統(tǒng)（含6.3kV的高壓用電與400V的低壓用電）、勵(lì)磁系統(tǒng)、電源系統(tǒng)（保安部分的），以及如下組成部件：接觸器、變壓器以及短路、柴油發(fā)電機(jī)組以及ATS（廠用電自切換設(shè)備）等等。除了監(jiān)控上述子系統(tǒng)和組成部件，同時(shí)還監(jiān)測直流系統(tǒng)、UPS、主廠房所布設(shè)的離相封閉母線等等。監(jiān)控的主要內(nèi)容含元器件的狀態(tài)與信號、聯(lián)鎖及部分設(shè)備的具體溫度等[7]。

5.1 發(fā)電機(jī)控制

“發(fā)電機(jī)與變壓器機(jī)組”的監(jiān)控同樣在DCS中進(jìn)行，斷路器與AYR（即勵(lì)磁系統(tǒng)）也屬于本管控系統(tǒng)。啟動(dòng)時(shí)，要一并做完自準(zhǔn)同期合閘動(dòng)作，借助LED顯示器以及鼠標(biāo)操作進(jìn)行控制。

發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的過程中，如果轉(zhuǎn)速超過了規(guī)定值，則參照如下程序進(jìn)行：①投入勵(lì)磁系統(tǒng)，予以確認(rèn)；②對AVR有無故障以及其運(yùn)行方式進(jìn)行確認(rèn)；③經(jīng)AVR將發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整到規(guī)定數(shù)值；④對勵(lì)磁電流以及空載電壓有無處于正常范圍進(jìn)行核對確認(rèn)；⑤對斷路器有無故障進(jìn)行確認(rèn)；⑥對自準(zhǔn)同期設(shè)備有無故障進(jìn)行確認(rèn)，判定是否具備對應(yīng)條件；⑦DCS將同期電壓命令發(fā)送給自準(zhǔn)同期設(shè)備，收到命令后，自準(zhǔn)同期設(shè)備和同期電壓相接，而后DCS將同期啟動(dòng)命令發(fā)送給待發(fā)電機(jī)，命令經(jīng)待發(fā)點(diǎn)擊到達(dá)自準(zhǔn)同期設(shè)備，設(shè)備因而帶電，并將自調(diào)頻、自調(diào)壓相關(guān)的信號發(fā)送給DEH和D-AVR，一旦頻率與電壓達(dá)到了同期和并網(wǎng)的條件，裝置就將接點(diǎn)傳送給斷路器，讓其合閘，通過DEH自動(dòng)調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)帶初負(fù)荷[8]。

5.2 斷路器控制

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)停機(jī)時(shí)，要控制150kV斷路器。此外，機(jī)組停運(yùn)時(shí)，要判定閉鎖條件（比如：無保護(hù)動(dòng)作，無其他異常，能滿足安全聯(lián)鎖、防誤聯(lián)鎖的條件）后再對斷路器進(jìn)行操作。

6 結(jié)語

本工程根據(jù)工藝設(shè)備情況，還設(shè)置了機(jī)組快速甩負(fù)荷（FCB）功能，具有成熟、先進(jìn)、安全、可靠的FCB控制邏輯及人機(jī)界面。運(yùn)行期間，DCS可利用率不低于99.9%，保證了電廠的可靠運(yùn)行，后續(xù)還將對DCS進(jìn)行升級，達(dá)到更好的運(yùn)行性能。