火電廠熱控保護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究

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(huì)用電需求得到滿(mǎn)足。而熱控保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，是保護(hù)火電廠發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)行的重要舉措。為此，電廠技術(shù)人員需要加強(qiáng)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究，以此發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。本文以本火電廠為例，對(duì)火電廠熱控保護(hù)技術(shù)優(yōu)化展開(kāi)研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，社會(huì)用電需求增加，火力發(fā)電廠作為主力軍，需要滿(mǎn)足社會(huì)用電需求。但由于發(fā)電設(shè)備長(zhǎng)期處在超負(fù)荷的工作狀態(tài)，其性能必然會(huì)受到影響，容易在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障。為此，需要應(yīng)用熱控保護(hù)技術(shù)對(duì)故障加以控制，避免由于事故擴(kuò)大，使設(shè)備受損。由此可見(jiàn)，熱控保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，是確?；鹆Πl(fā)電廠運(yùn)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(wàn)kW 低熱值煤超臨界循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組，在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)優(yōu)化主機(jī)設(shè)備、簡(jiǎn)化煙風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超低排放。

1.2 熱控保護(hù)技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題

在測(cè)量不穩(wěn)定信號(hào)時(shí)運(yùn)用了熱控保護(hù)技術(shù)，但系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)概率較大。在研究后發(fā)現(xiàn)，單點(diǎn)式信號(hào)測(cè)量屬于系統(tǒng)中的主要觸發(fā)式信號(hào)。在熱控系統(tǒng)中，各設(shè)備和系統(tǒng)均處在電磁場(chǎng)內(nèi)，且這個(gè)電磁場(chǎng)較為強(qiáng)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(shuō)的回路主要是指單點(diǎn)式信號(hào)，之后誤動(dòng)現(xiàn)象就會(huì)隨之出現(xiàn)。

1.3 具體解決對(duì)策

針對(duì)上述項(xiàng)目中存在的熱控問(wèn)題，可以在檢修或新設(shè)備邏輯設(shè)計(jì)階段，對(duì)容錯(cuò)式設(shè)計(jì)理念加以應(yīng)用。在此過(guò)程中，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)#1/#2機(jī)組重要輔機(jī)設(shè)備部分單點(diǎn)保護(hù)邏輯進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面[2]。

一次風(fēng)機(jī)部分保護(hù)邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯當(dāng)中，一次風(fēng)機(jī)油站油泵均停運(yùn)，延時(shí)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(jī)油站油泵均停運(yùn)且潤(rùn)滑油壓＜0.25MPa（三取中），延時(shí)15s跳閘；原邏輯為一次風(fēng)機(jī)工變頻模式均消失，延時(shí)2s 跳閘；經(jīng)過(guò)優(yōu)化將其修改為，一次風(fēng)機(jī)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(shí)2s 跳閘。

二次風(fēng)機(jī)部分保護(hù)邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯中，二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s 后出口關(guān)斷門(mén)在關(guān)位，延時(shí)跳閘；優(yōu)化后改為，二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s 后出口關(guān)斷門(mén)在關(guān)位且二次風(fēng)機(jī)出口壓力＜1kPa，延時(shí)5s 跳閘；原邏輯中，二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s 后入口調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度小于5%，延時(shí)跳閘；優(yōu)化后，二次風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s 后入口調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度小于5%且品質(zhì)信號(hào)正常，延時(shí)5s 跳閘。

流化風(fēng)機(jī)部分保護(hù)邏輯內(nèi)容優(yōu)化：原邏輯中，流化風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s，風(fēng)機(jī)入口調(diào)門(mén)＜5%跳閘。優(yōu)化修改后變?yōu)?，流化風(fēng)機(jī)運(yùn)行60s，風(fēng)機(jī)入口調(diào)門(mén)＜5%且品質(zhì)信號(hào)正常，延時(shí)5s 跳閘。

2 火力發(fā)電廠熱控DCS 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)

筆者所在火力發(fā)電廠基于生產(chǎn)特點(diǎn)，以及各信號(hào)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)和控制要求，選擇DCS 系統(tǒng)所需的硬件。在實(shí)際展開(kāi)I/O 點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)的過(guò)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(cè)點(diǎn)、參與機(jī)組或設(shè)備保護(hù)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行冗余配置，值得注意的是，冗余I/O 測(cè)點(diǎn)需要分配在不同模件上，確保任一測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)對(duì)其他冗余測(cè)點(diǎn)采集產(chǎn)生影響。在硬件選擇和設(shè)計(jì)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(shí)還要考慮到系統(tǒng)后續(xù)的擴(kuò)展需求，簡(jiǎn)言之就是留有余地。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，需要以I/O 點(diǎn)表為基礎(chǔ)。將設(shè)備I/O 類(lèi)型和數(shù)量作為依據(jù)，對(duì)全部設(shè)備子系統(tǒng)對(duì)I/O 提出的要求加以明確，這里所說(shuō)的要求分別為數(shù)量和類(lèi)型。其中類(lèi)型可以通過(guò)點(diǎn)表確定，在此基礎(chǔ)上對(duì)卡件需求加以明確。卡件的應(yīng)用能夠使信號(hào)和系統(tǒng)相互連接，可以為后續(xù)軟件設(shè)計(jì)創(chuàng)造有利的條件。本電廠所設(shè)計(jì)的DCS 系統(tǒng)，單臺(tái)機(jī)組，其I/O 信號(hào)總點(diǎn)數(shù)為4100個(gè)，其中1200個(gè)點(diǎn)為模擬量輸入，130個(gè)點(diǎn)為模擬量輸出，而開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)的數(shù)量為2000個(gè)，輸出點(diǎn)為770個(gè)，表1為I/O 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表。

表1 I/O 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

將現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出信號(hào)類(lèi)型作為依據(jù)，可以將信號(hào)點(diǎn)分為四種，分別為兩類(lèi)輸入和兩類(lèi)輸出信號(hào)，所針對(duì)的對(duì)象包括模擬量和開(kāi)關(guān)。本電廠在設(shè)計(jì)DCS 控制系統(tǒng)時(shí)，所應(yīng)用的卡件如下。

輸入模塊：這里所說(shuō)的輸入模塊，主要針對(duì)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(gè)輸入通道，所設(shè)置的電流和電壓輸入模式均相同，其信號(hào)范圍處在0～20mA 的區(qū)間范圍內(nèi)，同時(shí)，在通道內(nèi)安裝采樣電阻，其強(qiáng)度為250Ω，該電阻可以完成對(duì)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)化，使其成為電壓信號(hào)；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(kāi)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(duì)命令進(jìn)行讀??；開(kāi)關(guān)量輸入模塊。在開(kāi)關(guān)輸入后，模塊會(huì)將狀態(tài)指示顯示在面板上，同時(shí)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(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保障設(shè)計(jì)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(guó)家指定部門(mén)檢測(cè)認(rèn)證的電力專(zhuān)用橫向單向安全隔離裝置，及縱向加密認(rèn)證裝置，并使用具有訪問(wèn)控制功能的設(shè)備、防火墻等實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，嚴(yán)禁采用高風(fēng)險(xiǎn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，并在重要業(yè)務(wù)系統(tǒng)當(dāng)中運(yùn)用加密機(jī)制。此外，還需要在分散控制系統(tǒng)與無(wú)線通信網(wǎng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行連接時(shí)設(shè)置安全接入?yún)^(qū)。

本電廠在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配置情況進(jìn)行了考慮，同時(shí)兼顧以太網(wǎng)的特點(diǎn)，故對(duì)光纖環(huán)形網(wǎng)絡(luò)加以運(yùn)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(shí)問(wèn)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(qiáng)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(jì)

本電廠在設(shè)計(jì)熱控DCS 軟件過(guò)程中，將熱控系統(tǒng)功能作為依據(jù)對(duì)系統(tǒng)模塊進(jìn)行劃分，并實(shí)施針對(duì)性設(shè)計(jì)，其要點(diǎn)如下所述。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在實(shí)際進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保障系統(tǒng)運(yùn)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(hào)控制方式，避免分散控制系統(tǒng)失電導(dǎo)致停機(jī)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(hù)信號(hào)相對(duì)獨(dú)立，并設(shè)計(jì)保護(hù)誤動(dòng)及拒動(dòng)措施。值得注意的是，熱工保護(hù)系統(tǒng)輸出的指令應(yīng)優(yōu)先于其他任何類(lèi)型指令，并對(duì)控制系統(tǒng)回路進(jìn)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(jì)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(jì)的合理性。一方面應(yīng)確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并定期對(duì)模擬量控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，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(cè)量信號(hào)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性，應(yīng)確保系統(tǒng)在出現(xiàn)綜合信號(hào)故障、設(shè)定值與被調(diào)量相差過(guò)大等情況下可發(fā)出警報(bào)，并切換為手動(dòng)模式。此外，模擬量控制系統(tǒng)還應(yīng)具備全工況、全過(guò)程的無(wú)擾切換功能[5]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的設(shè)計(jì)方法為層次化。將系統(tǒng)分為多個(gè)組成部分，分別進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。其中，主控系統(tǒng)屬于第一級(jí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)向下方的主控系統(tǒng)發(fā)送負(fù)荷指令；鍋爐和汽機(jī)主控系統(tǒng)屬于第二級(jí)系統(tǒng)，其在接收主控系統(tǒng)發(fā)出的指令后會(huì)實(shí)施相應(yīng)的控制。其中，前者會(huì)通過(guò)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(shí)還會(huì)設(shè)定DEH 功率值，對(duì)汽機(jī)負(fù)荷指令予以執(zhí)行。上述系統(tǒng)的控制方式較為靈活，手動(dòng)和自動(dòng)均可；第三級(jí)為子控制回路線，負(fù)責(zé)各類(lèi)發(fā)電設(shè)備回路的調(diào)整；控制驅(qū)動(dòng)級(jí)屬于最下方的層級(jí)。以鍋爐氣溫控制為例，系統(tǒng)可以構(gòu)建反映過(guò)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(dá)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(chǎng)系統(tǒng)可以直接對(duì)y1和y進(jìn)行測(cè)量。

3.3 順序控制系統(tǒng)

本電廠所設(shè)計(jì)的順序控制系統(tǒng)，其針對(duì)的設(shè)備分別為鍋爐和汽輪機(jī)。鍋爐順序控制系統(tǒng)由三個(gè)級(jí)別構(gòu)成，第一級(jí)為機(jī)組、第二級(jí)為功能組、第三級(jí)為設(shè)備。將其功能作為依據(jù)，可將其作為兩個(gè)子系統(tǒng)，分別為風(fēng)煙和汽水。前者可以通過(guò)聯(lián)鎖邏輯將各類(lèi)風(fēng)機(jī)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(shí)，通過(guò)聯(lián)鎖和保護(hù)的方式對(duì)故障進(jìn)行控制。汽機(jī)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(jì)該系統(tǒng)時(shí)，采用了分過(guò)程的設(shè)計(jì)方式，簡(jiǎn)言之就是將該系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，分別展開(kāi)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

吹掃系統(tǒng)。為確定爐膛內(nèi)是否存在雜物，在點(diǎn)火前需要關(guān)停鍋爐，并對(duì)內(nèi)部實(shí)施吹掃，值得注意的是，吹掃必須連續(xù)進(jìn)行。在吹掃階段還要滿(mǎn)足相應(yīng)的條件，即將全部燃料源切斷。同時(shí)還要保證通風(fēng)量達(dá)標(biāo)，且吹掃時(shí)間不能超過(guò)5min。此外，在吹掃階段，若上述任何一個(gè)條件不滿(mǎn)足均不能吹掃。

爐焰檢測(cè)系統(tǒng)。除對(duì)火球進(jìn)行檢測(cè)外，還要對(duì)燃燒器內(nèi)是否存在火焰進(jìn)行檢測(cè)。在對(duì)前者檢測(cè)時(shí)，僅需對(duì)火焰強(qiáng)度檢測(cè)即可，但檢測(cè)后者時(shí)還要考慮脈沖頻率；主燃料跳閘。在該系統(tǒng)中，此項(xiàng)子系統(tǒng)十分重要。其能通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)的方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行條件予以明確，若在監(jiān)測(cè)過(guò)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(huì)切斷進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃燒。并且在特殊情況下系統(tǒng)還會(huì)控制負(fù)荷，防止鍋爐受損[6]。

3.5 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在汽機(jī)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(shì)，如體積小、功能多和質(zhì)量高等?；趯?shí)際需求，本電廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中將系統(tǒng)分為多個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行方式、控制方式、汽機(jī)啟動(dòng)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(yùn)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(yùn)行過(guò)程中其曲線并無(wú)明顯的波動(dòng)。故得出如下結(jié)論：本電廠所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其應(yīng)用可以滿(mǎn)足火電廠熱控保護(hù)需求，具有推廣價(jià)值?？偠灾珼CS 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)成為自動(dòng)化領(lǐng)域的標(biāo)志。雖然本次設(shè)計(jì)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。