爐膛安全監控系統研究及實現

雷躍強,孫 萱,張 琪

(中國石油寧夏石化公司,銀川 750026)

爐膛安全監控系統研究及實現

雷躍強,孫 萱,張 琪

(中國石油寧夏石化公司,銀川 750026)

根據IEC61511和IEC61508規范,開發一種基于三重化的容錯系統的爐膛安全監控系統(FSSS),對提高安全生產有十分重要的意義,重點針對集成過程中外圍設備的設計考慮和程序的開發進行論述。對原系統進行改造之前,必須先確定總體方案,根據目前安全儀表系統發展的現狀和設備的實際狀況提出系統需要達到的性能指標,論證采用何種技術路線,并確定適當的硬件平臺,通過合理的硬件集成達到安全性能。針對復雜工藝,軟件開發過程中要定義好鍋爐運行的各種工況,再開發相應的吹掃邏輯、點火邏輯、安全停車邏輯。只有硬件和軟件合理、規范,整個系統才能達到期望的安全性和可靠性。

爐膛安全監控系統;安全性能;三重化;邏輯

0 引 言

隨著中國的經濟發展,煤炭逐漸變為緊缺資源,煤質成為制約鍋爐安全運行的重要因素,常常因為煤炭組分突然變化造成鍋爐滅火,在開車、停車或負荷變動過程中,也容易因為燃料量與風量控制不當造成鍋爐突然熄火,此時若繼續讓燃料進入爐膛,由于爐膛內部溫度仍然很高,燃料有可能瞬間爆燃,造成鍋爐嚴重損壞,甚至造成人員傷亡,所以大型鍋爐必須采用鍋爐爐膛安全監控系統(FSSS)進行安全保護。

早期的 FSSS都是基于普通的 PLC集成的,安全等級沒有經過認證,設計也沒有依據相應的規范,所以其可靠性沒有保證。隨著對安全生產更嚴格的要求,國際電工委員會發布了 IEC61511和IEC61508標準,中國也發布類似的規范,根據新的規范對原系統進行改造,開發一種基于三重化容錯系統 TMR(Triplex ModularRedundancy)的FSSS,對提高安全生產有十分重要的意義,該文以220 t/h鍋爐為實例介紹基于 TMR的FSSS的開發。重點針對集成過程中外圍設備的設計考慮和程序的開發進行論述。

1 原系統存在的問題

寧夏石化公司二化肥高壓鍋爐 FSSS由 GE Fanuc90-30雙冗余系統構成。該系統配置了2臺CPU,通過Genius總線實現熱備冗余,并且配置了1臺遠程 I/O的CPU。但從安全功能的角度看,該系統存在以下問題。

a)CPU沒有實現真正的冗余。由于采用遠程I/O結構的冗余系統,有1臺遠程CPU沒有冗余,當該CPU故障時,整個系統失效。另外 I/O卡件也沒有冗余。

b)程序做了加密處理。由于沒有注釋,當出現故障時無法通過邏輯圖分析內、外部故障,使系統的故障維修時間沒有保證。

c)系統的文檔不全。文檔不全導致維護操作過程中出現錯誤的幾率增大,影響了設備的本質安全。

3 基于TMR的FSSS硬件平臺方案

與一般控制系統不同,SIS在許多方面提出了新的要求,影響最大的有:失效模式、自診斷功能、共因失效、維修狀況。對原系統進行改造之前必須先確定總體方案,根據當今SIS發展的現狀和設備的實際狀況提出系統需要達到的性能指標,論證采用何種技術路線,并確定適當的硬件平臺,通過合理的硬件集成達到安全性能[1]。

2.1 硬件平臺的選擇和相關性能考慮

2.1.1 系統的容錯類型

系統有兩種容錯類型:軟件容錯(SIFT)和硬件容錯(HIFT)。HIFT是指通過硬件電路來實現故障的檢測和冗余管理功能,與之相對,SIFT是通過復雜的軟件算法在SIS中實現容錯。HIFT和 SIFT最基本的區別就是為實現容錯而需要的軟件復雜程度不一樣。只有軟件的作用得到了限制,才能提高安全水平。所以相對而言硬件實現系統容錯更加可靠,另外,HIFT可減少處理器的工作負荷,使控制功能速度更快,可靠性更高[2]。

2.1.2 TMR

TMR系統中,所有重要電路都實現三重化,三重化的每個部分是獨立的,但三個部分的功能又完全相同。三重化電路的輸出信號在成為系統輸出之前,經過一個“三選二”的表決芯片。當三個電路中有一路發生故障從而輸出錯誤信號,經過“三選二”表決后該錯誤信號被屏蔽掉,系統仍然輸出正確的信號。系統不會因為內部故障而對過程產生影響,所以對安全系統,配置TMR技術是必須的。

2.1.3 系統體系結構的選擇

SIS目前存在以下幾種體系結構:

“二選一”體系結構(1oo2),“二選二”體系結構(2oo2),帶診斷的“二選一”體系結構(1oo2D),帶診斷的“四選二”體系結構(2oo4D),帶診斷的“三選二”體系結構(2oo3D)。

如果能夠實現4-3-2-0降級模式,2oo4D結構是可靠性最高的一種方式,但在實踐中,一般將其做成4-2-0降級模式[3],如圖1所示,當Watchdog模件出故障時很容易降級為雙冗余。而 TMR結構很容易設計成3-2-0模式或3-2-1-0降級模式。

圖1 四重化技術結構示意

2.1.4 模件在線更換

在線更換是在不中斷系統正常運行的條件下,對故障模塊進行維護的手段。TMR技術最大的優勢就是能夠及時發現故障,并實施在線修復或模塊在線更換。

2.2 TMR硬件平臺的集成

TMR硬件平臺的集成和普通PLC的集成類似,但由于在冗余性能上的嚴格要求,所以在細節上應該堅決避免留下安全瓶頸。該系統在集成過程中做了以下幾點改進,使系統的安全性能大大提高。

2.2.1 動力源的改造

2.2.1.1 電源的設計

目前的工程設計中,一般采用1臺UPS,2路供電的模式,PLC的CPU電源采用220 V,二次電源通過機柜內部的24 V開關電源獲得,這種配置缺點為UPS常常成為供電中的最薄弱環節;UPS的逆變器將24 V變為220 V,在機柜內部又變為24 V,增加了故障率和能耗。

此次改造對電源系統做了較大改進。因為24 V電源比220 V交流有更好的電磁兼容性,電磁干擾更小,運行更穩定,因此配電間采用冗余直流屏提供2路24 V電源,CPU的2路電源分別來自獨立的直流電源,所以選擇了輸入電源為24 V的機架,如圖2所示,這樣使供電更加簡潔可靠。夠獲得較好的抗干擾性能和防雷擊性能[4]。

圖3 雙電磁閥雙卡件配置

圖2 安全儀表系統的配置方式

2.2.3 系統接線的考慮

接線也是故障頻發的部分,接線設計和集成過程中應杜絕多回路采用同一公共線;進入電機控制中心的回路必須經過繼電器隔離;線型規范化,采用相對呼應法接線,可以在很大程度上避免由于接線沒有確認清楚導致的操作錯誤。

3 FSSS應用程序的開發

由于原系統資料不完善,現存邏輯圖與實際運行的邏輯存在差異,且程序沒有注解,程序中的中間變量非常多,從而導致解讀程序非常困難,因此必須對FSSS的應用程序進行重新開發。

3.1 應用程序的結構

該裝置的燃料有煤和天然氣兩種,其工作狀況可以分為氣專燒、煤氣混燒、煤專燒三種情況,邏輯結構分為三部分:吹掃邏輯——空氣吹掃邏輯和燃氣管道吹掃邏輯;點火邏輯——點火邏輯實際上是一個順序控制程序,該鍋爐有煤層4層,氣層3層,每一層都有火焰檢測裝置(火檢),而點火邏輯和火檢邏輯緊密聯系;安全停車邏輯——安全停車邏輯又分為主燃料跳閘邏輯(MFT)和氣體燃料跳閘邏輯(GFT)。由于三種工況對應三部分邏輯,相互交叉,導致邏輯比較復雜。

3.2 三種工況的定義

由于不同工況的邏輯不同,所以必須在邏輯中判斷出不同的工況。

煤專燒:給煤機運行且所有氣支閥關閉。

氣專燒:給煤機未運行,即鍋爐未燒煤的情況,同時燃氣總閥開并且任一角的燃氣閥未關。

煤氣混燒:給煤機運行,氣總閥全開且任一氣支閥未關。

2.2.1.2 氣 源

石油化工裝置由于現場存在易燃易爆物質,所以現場執行元件通常使用壓縮空氣作為動力源。然而氣源的質量對執行元件的影響非常大,如果空氣壓縮機為往復式,壓縮空氣中不可避免地會帶油污,氣動元件的故障率會明顯升高。該裝置的空氣壓縮機出口配置1臺干燥器,露點在-50℃以下,另外,壓縮空氣的管網和另一套裝置的儀表空氣互連,此裝置也配置了1臺離心式壓縮機,2臺壓縮機一用一備,并且配備了自啟動聯鎖,當儀表空氣的壓力下降時備用壓縮機自啟動,這些措施使氣源故障的概率降至非常低的水平。

圖3雙通道雙電磁閥配置,這種模式下2路供電完全獨立,但集成過程中必須注意2路繼電器的供電和電磁閥的供電應避免交叉,否則安全性能將大幅度降低。

2.2.2 系統接地模式的選擇

原系統采用2臺24 V直流開關電源,電源的負極沒有接入大地,形成所謂的浮空地,將儀表的工作接地和電工接地網連接起來,形成等電位連接。由于石化裝置的設備一般都接入均壓等電位接地網,所以整個裝置的地電位相等,這種方式能

3.3 爐膛內部火焰狀態的定義

全爐膛無火。MFT復位狀態下,若8支煤火檢中檢到火檢數不大于1,8支煤火檢和8支氣火檢中檢到火檢數不大于2時且8支氣火檢中全部檢不到火,三個條件的與為1,此時MFT復位,且G1-AF_BYP氣層一模擬火焰旁路開關不在旁路則會產生聯鎖動作。

全爐膛火焰喪失分以下兩種情況討論:

煤專燒情況。煤火焰喪失,即8支煤火檢中檢到火的火檢數不大于時則認為煤專燒火焰喪失。

煤氣混燒情況。若8支煤火檢和8支氣火檢中檢到火的火檢數不大于2時則認為煤氣混燒火焰喪失。在氣專燒的情況下,檢測不到火焰將造成GFT動作,所以在此不用考慮。

3.4 吹掃邏輯

吹掃邏輯分爐膛吹掃邏輯和氮氣吹掃邏輯。

爐膛吹掃邏輯。鍋爐點火前必須對爐膛進行吹掃,以稀釋或吹盡爐膛內可能存在的可燃物,防止點火前爆燃,吹掃前和吹掃過程中必須滿足一定的條件。

氮氣吹掃邏輯。為了防止燃氣管道內部的可燃氣進入爆炸極限,在進氣前和停車后都要用氮氣對燃氣管線進行吹掃,此邏輯的實現較為復雜,對于燒天然氣的鍋爐,這是一項非常重要的保護措施,若考慮不完善有可能造成鍋爐爆燃的重大事故。

此邏輯的難點是一定要考慮到開閥的順序和關閥的順序,避免造成程序的死循環。在此程序的實現中,必須要巧用脈沖信號來實現。

3.5 點火控制邏輯

點火控制邏輯包括預點火邏輯和程控點火邏輯。

預點火邏輯實際是對點火條件的限制,也是一種安全保護限制條件。點火控制方式分兩種情況:中控點火,就地點火。點火控制邏輯有以下3個難點。

a)中控點火開關的選擇。若為兩位式開關則邏輯會出現問題,實現起來非常復雜,操作不當容易造成危險,經過反復論證,最終投氣開關采用了瞬動開關,與現場投氣開關保持一致,使得程序大大簡化并且控制更加安全。

b)點火過程控制邏輯。此邏輯實際為一個順控邏輯,如點1號角時,經過判斷命令可以執行時,此時1號推進器動作,待推進器推到位15 s后,點火槍激勵點火,同時點火閥打開,30 s后,推進器自動后退。待火檢檢測到火,燃氣閥打開,現場點火箱內點火成功燈亮。

c)點火間隔確認。退出點火槍60 s以內,即使所有點火條件具備,如果再點火,不會成功。點火后,30 s內仍未檢測到火,則退出點火模式。30 s內檢測到火為點火成功,否則為失敗,此時現場點火箱內點火失敗燈亮。點火失敗后,必須人為將點火開關打到退出位置。

3.6 安全停車邏輯

安全停車邏輯又分為MFT和GFT,造成主燃料跳閘的條件:運行人員手動跳閘,爐膛壓力高,“三選二”產生;爐膛壓力低,汽包水位高,“二選二”產生;送風機停,引風機停,失去全部燃料。安全停車聯鎖有以下幾個難點。

a)給水泵全停信號聯鎖跳車的實現。給水泵全停需延時10 s,這個用簡單延時上升沿觸發即可完成,但因為開車點爐時,不要求給水泵運行,所以為了不影響開車,此聯鎖信號后加了一脈沖,使得開車時給水泵未開MFT可以復位。

b)天然氣母管壓力低低。此信號是指燃氣壓力由正常接通跳變為斷開,它來自現場的壓力開關,但此壓力開關安裝位置在燃氣總閥和點火氣總閥之后,經中間繼電器隔離之后,進ESD的信號為斷開跳車。因為天然氣壓力低低聯鎖是發生在鍋爐正常運行時,所以僅取燃氣壓力低低信號此聯鎖信號無法實現聯鎖功能。經研究實際工藝狀況和原有PLC的設計程序,此聯鎖條件加了氣總閥未全關的綁定條件,且為防止開車時因這兩個條件影響造成GFT無法復位,此兩個信號均采用了下降延時觸發聯鎖,并利用了脈沖信號達到聯鎖后的自復位,至此才完全達到了真正鍋爐燒氣運行時天然氣母管壓力低低安全聯鎖 GFT跳車的目的[1]。

4 基于TPS的人機操作監視界面的開發

4.1 流程圖畫面的開發

原系統的人機界面在觸摸屏中,存在以下缺點:速度慢,給操作帶來了很大的不便,只有1臺觸摸屏,當觸摸屏故障時,整個系統將失效;存在較大的安全風險;由于兩個系統沒有通信,操作人員必須同時監控DCS和觸摸屏兩個系統。

由于該公司DCS為 TPS,蒸汽管網及鍋爐的一部分操作畫面在DCS上,所以將觸摸屏的操作功能和DCS的操作畫面整合到一套系統中,不但可以使工藝人員操作切換方便、熟練,而且達到較高的安全系數。

4.2 時鐘同步

DCS作為基本過程控制系統,系統配置了大容量的趨勢記錄和一般報警記錄,而SIS作為安全保護系統,配置了精確到毫秒級的事件順序記錄,但發生事故時,必須將DCS中的模擬量趨勢和ESD的SOE相互結合,來分析觸發事故的第一原因及造成事故的根本原因。原系統由于 DCS, ESD,FSSS三套系統的時間基準不一致,給事故分析帶來了很大的不便,此次改造過程中用軟件和硬件相結合的方法實現了兩個系統的時鐘同步。

具體方案:DCS端在每天固定時間發出時鐘同步請求,SIS端接收到同步信號后將自身的系統時間改為該固定時間。DCS端的信號通過數字量輸出點發出,當預定的時刻到時,該DO點接通5 s;軟件通過PM(Process Module)點實現,SIS端通過數字量輸入點結束閉合信號,通過邏輯圖對系統時間的修改。

5 結束語

FSSS的改造必須和裝置的現有情況結合,充分開發現有系統的功能,依據功能安全的相關國際標準,對整個系統安全性全面考慮,對系統內部的配置和安全評價已經比較充分,所以開發過程中更應該注意外圍系統的可靠性,周密考慮外部動力源、人為等因素的影響,可以使裝置的可靠性和安全性大大提高。

[1] 劉時中.熱工自動化[M].北京:中國電力出版社,2000:38-52.

[2] 邊 華.軟件容錯與可靠性評估方法[J].核工程研究與設計,2006,(58):50-53.

[3] CCPS.Guidelines for Safe Automation of Chemical Proceses [G].CCPS,1993.

[4] 黃步余,王建民,王玉華.石油化工安全儀表接地規范[S].北京:中國石化出版社,2004.

[5] HONEYWELL.High-Performance Process Manager Control Functions and Algorithms[G].Release530,(99):25-55.

[6] 國家經濟和貿易委員會.工業生產過程中安全儀表系統的應用[S].2003:16-17.

The Research and Implementation of the Boiler Safety Supervisory System

Lei Yueqiang,Sun Xuan,Zhang Qi
(The PetroChina Ningxia Co.,Yingchuan,750026,China)

According to IEC61511 and IEC61508,the development of a triple-based fault-tolerant systems of the boiler safety supervisory system has great significance on the improvement of safety,it is described focusing on the process of external integration equipment design consideration and the program development process.Before the reform of original system,the comprehensive scheme should be decided,the performance target should be proposed based on present situation of safety instrument development and equipment situation of system,the technology and suitable hardware should be adopted to reach safety performance.Particularly for complex process.vary cases of boiler operation should be defined during sofeware development,following by development on corresponding blowing logic, ignition logic and ESD logic.Only when software and hardware are rational and regulated,the whole system can achieve expected safety and reliability.

FSSS;safety performance;triple;logic

TP202

B

1007-7324(2010)06-0045-04

2010-08-29(修改稿)。

雷躍強(1972—),男,甘肅天水人,1996年畢業于華東理工大學生產過程自動化專業,現任中國石油寧夏石化公司機動處儀表主管工程師,已發表論文4篇。