北侖發(fā)電廠DCS一體化改造技術(shù)研究與應(yīng)用

顧志恩，林光銳

（浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

北侖發(fā)電廠DCS一體化改造技術(shù)研究與應(yīng)用

顧志恩，林光銳

（浙江浙能北侖發(fā)電有限公司，浙江寧波315800）

結(jié)合北侖電廠3，4，5號機(jī)組DCS一體化改造項(xiàng)目的背景，以提升機(jī)組安全運(yùn)行水平和降低改造成本為目的，開展DCS一體化改造技術(shù)研究。確定控制系統(tǒng)一體化改造的范圍，提出費(fèi)用節(jié)省、操作流程優(yōu)化的改造施工工藝，提高系統(tǒng)可靠性，深度優(yōu)化DCS系統(tǒng)控制策略，以滿足電網(wǎng)要求。總結(jié)機(jī)組改造的經(jīng)驗(yàn)和效果，供其它同類機(jī)組改造項(xiàng)目借鑒。

機(jī)組改造；可靠性優(yōu)化；降低改造成本

1 控制系統(tǒng)改造背景與目標(biāo)

1.1 改造背景

北侖發(fā)電廠3，4，5號機(jī)組建于20世紀(jì)90年代末，運(yùn)行至2013年均已超過15年。DCS采用Bailey公司INFI-90系統(tǒng)，只控制主廠房內(nèi)部分設(shè)備，主機(jī)采用東芝DEH系統(tǒng)（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）、給水泵汽輪機(jī)采用WOODWARD 505系統(tǒng)，旁路為蘇爾壽的AV6系統(tǒng)、吹灰采用SBC1000 PLC系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為獨(dú)立系統(tǒng)，在集控室都配有相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備。全廠PPI（保護(hù)系統(tǒng)）由硬回路組成，電氣部分配置電氣備用盤，每臺機(jī)組在6.7 m層的電子室內(nèi)配2套MAPS-90硬報(bào)警系統(tǒng)，分別處理來自鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)的報(bào)警信號。控制系統(tǒng)種類繁多，集控室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備凌亂，給運(yùn)行和檢修都帶來不便。

各控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，設(shè)備老化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)逐步下降，并且部分控制系統(tǒng)硬件已停產(chǎn)，維護(hù)成本快速上升。系統(tǒng)中存在的一些疑難問題，如增容改造后的機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率不滿足電網(wǎng)要求等，一直未能解決，隨著國家節(jié)能減排增效指標(biāo)的提高，系統(tǒng)需新增脫硝系統(tǒng)，運(yùn)行操作需要DCS畫面按工藝流程進(jìn)行分類（原按控制器控制對象進(jìn)行分類）等一系列問題，迫切需要控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。北侖發(fā)電廠于2011年計(jì)劃實(shí)施DCS（分散控制系統(tǒng)）升級改造，并開展DCS一體化改造技術(shù)研究，于2012—2014年在3臺機(jī)組大修期間，實(shí)施改造。

1.2 改造目標(biāo)與范圍

針對上述問題，組織專業(yè)人員外出調(diào)研，進(jìn)行控制系統(tǒng)改造范圍、可靠性配置及優(yōu)化專題研究，實(shí)現(xiàn)改造費(fèi)用最小、提升改造后機(jī)組的安全運(yùn)行水平，優(yōu)化控制策略以快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化速率要求為具體目標(biāo)，制定了DCS的安全要求、控制器分配準(zhǔn)則、I/O模件配置原則和一體化改造方案。首次將脫硝、引風(fēng)機(jī)變頻、低NOX燃燒器改造等系統(tǒng)同時(shí)納入DCS改造范圍，使其一體化改造范圍和深度領(lǐng)先于國內(nèi)同類機(jī)組。

2 降低改造成本方法

2.1 前期工作充分，降低控制系統(tǒng)改造費(fèi)用

為解決DCS設(shè)備老化的問題，一般采用升級的方法，將原來的控制邏輯和操作畫面轉(zhuǎn)換到新系統(tǒng)，并且控制設(shè)備的布置十分相似，可以大大降低風(fēng)險(xiǎn)。但升級費(fèi)用高達(dá)900萬元。通過多方調(diào)研，掌握市場情況，最后選擇改造方案，通過招標(biāo)，使得3號機(jī)組DCS系統(tǒng)的改造費(fèi)用（包括備件）節(jié)約了近400萬元。并在3號機(jī)組DCS一體化改造施工完成后，著手準(zhǔn)備4，5號機(jī)組控制系統(tǒng)一體化改造相關(guān)事宜，使得后續(xù)每臺機(jī)組改造價(jià)格又下降90萬元。

2.2 重新設(shè)計(jì)控制器控制對象

原機(jī)組DCS系統(tǒng)畫面，按照控制器的控制對象進(jìn)行分類，不符合運(yùn)行人員的操作習(xí)慣。為更好地滿足運(yùn)行人員的實(shí)際操作需求，將DCS系統(tǒng)畫面以工藝流程重新進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，并在控制器分配設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮原有電纜的有效利用。

2.3 合理利用原有電纜

改造前控制系統(tǒng)中的中間接線柜和過渡柜占用了大量的空間，也增加了大量的故障點(diǎn)。為提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，改造中將可取消的過渡柜全部取消，不能取消的機(jī)柜更換新機(jī)柜，并更換柜內(nèi)接線端子。0 m層中間接線柜到電子室端子柜之間的電纜嚴(yán)重老化，改造中除了更換這部分電纜外，采取了相應(yīng)的保障措施有效地保留了I/O端子以下可利用的外部信號電纜。

（1）設(shè)計(jì)電纜路徑有效利用原電纜。

改造中取消原0 m層過渡柜和電子室下方轉(zhuǎn)接柜，就地來電纜直接上翻進(jìn)入電子室，減少了中間環(huán)節(jié)和接線工作量，提高了改造后控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。但施工前必須把每根電纜的走向摸清楚，為了充分利用原電纜，需要確認(rèn)每根電纜的走向，將電纜外抽到電纜橋架兩側(cè)。由于電纜橋架有3層，每層橋架內(nèi)又有多層電纜，回抽非常困難、工作量很大，另需要逐根估算電纜的長度，盡量兼顧電纜長度來進(jìn)行新系統(tǒng)的布局和I/O通道分配。對于少量長度不夠的原電纜，在電子室的控制機(jī)柜內(nèi)部兩側(cè)增加中間接線端子轉(zhuǎn)接。充分考慮改造后的3，4，5號機(jī)組系統(tǒng)的布局及I/O通道分配的一致性，雖然增加了通道分配的難度，但方便了以后的維護(hù)與管理。

（2）重新分配I/O點(diǎn)。

控制系統(tǒng)一體化改造每臺機(jī)組I/O點(diǎn)數(shù)超過9 000點(diǎn)，由于新舊系統(tǒng)卡件的差異導(dǎo)致部分現(xiàn)場來的信號接線位置需要變動(dòng)，加上原系統(tǒng)之間互送的信號需要根據(jù)重要程度進(jìn)行不同的處理，因此在對I/O點(diǎn)進(jìn)行整理并重新分配I/O通道過程中，也考慮了原有電纜的充分利用。

（3）充分做好準(zhǔn)備工作。

改造過程拆除舊中間柜、更換原控制系統(tǒng)機(jī)柜時(shí)，為有效保留利用原電纜，需要對保留電纜進(jìn)行標(biāo)簽粘貼、拆線、回抽敷設(shè)以及新機(jī)柜接線等工作。為此，在停機(jī)前做了充足的準(zhǔn)備工作，包括核對改造圖紙、整理拆線和接線表格清單、打印線芯標(biāo)簽紙和電纜線號/號牌，搭設(shè)腳手架和布置檢修電源等。在工作過程中為了更好地保護(hù)已粘貼的線芯標(biāo)簽，對拆下的電纜在回抽前用透明膠帶包覆在標(biāo)簽紙上，防止其磨損；同時(shí)在電纜外表面上粘貼該電纜新機(jī)柜號的電纜標(biāo)簽，為便于區(qū)分，對棄用電纜統(tǒng)一用綠色膠帶做電纜標(biāo)簽，這些具體工作，對有效利用原電纜起了很大的作用。

（4）繪制接線圖。

對原有DCS，DEH，MEH（小型汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）、ECS、旁路、硬報(bào)警、吹灰等系統(tǒng)共約9 000點(diǎn)的I/O通道和控制接線圖進(jìn)行整理，重新繪制接線圖和完整的DCS I/O清冊，為充分利用原有電纜創(chuàng)造了條件。

（5）規(guī)范電纜接線工藝。

電子室機(jī)柜的接線是展示工藝的窗口，施工前針對機(jī)柜的實(shí)際情況，制定了電纜接線工藝手冊，明確了每個(gè)接線步驟的要求，統(tǒng)一了工藝。為了使電纜頭編制整齊，制作了電纜頭綁扎支架，電纜頭排列固定后，根據(jù)每根電纜的實(shí)際接線情況，填寫電纜排列表，排列表的內(nèi)容包括新柜接線位置（卡件號、端子號）、電纜規(guī)格，這樣既完善了接線圖紙，也可核對電纜的入柜情況。

2.43 臺機(jī)組共用1套TSL系統(tǒng)

配合4，5號機(jī)組通流改造需增裝TSL（汽輪機(jī)應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)），由于改造將3，4，5號機(jī)組合并為一個(gè)控制室，僅需在4，5號機(jī)組DEH系統(tǒng)的42控制器增加通信接口，連接至3號機(jī)組TSL系統(tǒng)，即3臺機(jī)組共用原3號機(jī)組的TSL系統(tǒng)，這樣至少節(jié)省了1套TSL系統(tǒng)配置費(fèi)用。

3 提升改造后機(jī)組安全運(yùn)行水平研究

3.1 提升控制器運(yùn)行可靠性研究

在確定改造方案時(shí)，項(xiàng)目組根據(jù)調(diào)研收集的省內(nèi)外電廠有關(guān)控制器故障和運(yùn)行中暴露出的問題，對3臺機(jī)組原控制系統(tǒng)控制器可能存在的隱患進(jìn)行全面分析，對不安全因素進(jìn)行優(yōu)化。原DEH，ETS，METS（小機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)）在DPU冗余控制器情況下存在控制器輸出失控的嚴(yán)重隱患，經(jīng)研究設(shè)計(jì)了新的輸出控制邏輯，通過試驗(yàn)確認(rèn)DPU控制器雙死機(jī)不影響其輸出信號的正常動(dòng)作；原系統(tǒng)中重要輔機(jī)的冗余控制配置在同一控制器中，不符合風(fēng)險(xiǎn)分散原則，改造中重新配置。

此外，改造過程中，DCS廠家采用轉(zhuǎn)換工具將原控制邏輯自動(dòng)轉(zhuǎn)換成新系統(tǒng)的邏輯，并由發(fā)電廠專業(yè)人員檢查核對新邏輯，全部安排人工重新組態(tài)，確保了轉(zhuǎn)換后邏輯的可讀性和準(zhǔn)確性。

3.2 報(bào)警信號優(yōu)化

改造前機(jī)組運(yùn)行中，報(bào)警信息不能很好地發(fā)揮警示作用，特別是在機(jī)組故障情況下，很多信號同時(shí)發(fā)出，讓運(yùn)行人員不知所措。經(jīng)專題研究后，取消機(jī)組的所有硬報(bào)警盤，根據(jù)《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》要求，對報(bào)警信號進(jìn)行了三級分級優(yōu)化[2]。

3.3 變化速率限制功能可靠性進(jìn)行研究

北侖發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行中，多次發(fā)生由于信號干擾導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)作。采用信號變化速率限制或壞質(zhì)量信號報(bào)警、切除邏輯功能，可有效防止接線松動(dòng)或測量設(shè)備故障引起的信號突變而導(dǎo)致的控制對象異常動(dòng)作或保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作[3]。但信號可靠性與設(shè)定的變化率密切相關(guān)，設(shè)置速率限值過小容易導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)，設(shè)置過大將使速率限制失去作用導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。某電廠300 MW機(jī)組就因汽機(jī)軸承溫度變化速率限值設(shè)置3℃/s2，當(dāng)實(shí)際溫升速率達(dá)3.2℃/s2時(shí)自動(dòng)屏蔽了該信號，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)而發(fā)生汽輪機(jī)軸承燒損事件。

目前電廠溫度變化速率限制功能設(shè)置有（3， 5，8，10，18）℃/s2不等，為此，對變化速率限制功能可靠性進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，得出“DCS設(shè)置的變化速率數(shù)值并不等于實(shí)際的動(dòng)作值，而與控制器設(shè)置的周期相關(guān)”的結(jié)論，因此不同的DCS設(shè)置溫度變化速率時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)確定，而對OVATION控制系統(tǒng)，一般設(shè)置5℃/s2為宜。

3.4 保護(hù)信號取信方式優(yōu)化

改造前，系統(tǒng)中存在相當(dāng)部份的單點(diǎn)保護(hù)信號。為避免單個(gè)信號測量部件或設(shè)備故障而造成機(jī)組跳閘，采用容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)方法，對于原系統(tǒng)運(yùn)行中容易出現(xiàn)故障的單點(diǎn)保護(hù)的溫度開關(guān)、壓力開關(guān)信號，均優(yōu)化和完善為三取二或二取二邏輯。溫度和壓力開關(guān)保護(hù)信號改為熱電偶信號和壓力變送器信號經(jīng)定值比較后轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號，再經(jīng)三取二邏輯判斷。并對涉及保護(hù)功能的溫度信號全部增加了變化速率限制功能。主機(jī)振動(dòng)保護(hù)信號，通過水平振動(dòng)高高和垂直振動(dòng)高與門邏輯判斷后或垂直振動(dòng)高高和水平振動(dòng)高與門邏輯判斷后取信。

3.5 控制與保護(hù)回路可靠性優(yōu)化

PLU（功率負(fù)荷不平衡保護(hù)）是在發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷時(shí)對汽輪機(jī)的一項(xiàng)保護(hù)功能，防止甩負(fù)荷后汽輪機(jī)超速。原機(jī)組PLU功能通過東芝卡件2路信號來實(shí)現(xiàn)（一路來自檢測發(fā)電機(jī)電流的CT信號，一路來自CCS的主機(jī)首級壓力信號，當(dāng)兩信號對應(yīng)功率偏差大于39.5%，且發(fā)電機(jī)電流信號24 ms內(nèi)突變大于32.2%時(shí)，保護(hù)動(dòng)作），可靠性不高[4]。改造后的系統(tǒng)采用OPC（超速保護(hù)）：當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)3 090 r/min時(shí)，OPC保護(hù)動(dòng)作，快速關(guān)閉高中壓調(diào)門。另外增加了2個(gè)功率信號和2個(gè)首級壓力信號，將該保護(hù)構(gòu)成3冗余，從而提高了PLU功能的可靠性。

原來現(xiàn)場伺服閥接線為2個(gè)線圈，通過1根控制電纜與控制系統(tǒng)連接，使得線圈減半，并且如果一個(gè)線圈短路故障將影響另外一個(gè)線圈，不利于調(diào)門安全可靠運(yùn)行。改造中每個(gè)伺服閥增加1根電纜，將每個(gè)線圈通過1根電纜連接到閥位控制卡上，提高了伺服閥動(dòng)作的可靠性。

增加硬跳閘回路，除了主機(jī)車頭機(jī)械超速保護(hù)外，增加2路電磁閥動(dòng)作來跳閘主機(jī)：一路是主跳電磁閥MTSVA和MTSVB失電，泄去安全油后跳閘主機(jī)；另一路是機(jī)械電磁閥MTS得電，機(jī)械傳動(dòng)連桿與主機(jī)車頭手動(dòng)打閘以及超速飛環(huán)等裝置連接（任一動(dòng)作跳機(jī)），泄去安全油后跳閘主機(jī)。

表1 3—5號機(jī)組主要自動(dòng)控制參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)

原來TSI（汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)）信號通過通信方式在DCS系統(tǒng)上顯示，由于通信軟件不夠完善導(dǎo)致對應(yīng)的DCS控制器負(fù)荷率達(dá)到100%，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間高達(dá)5 s。本次改造將TSI信號的模擬量信號通過硬接線直接輸入DCS系統(tǒng)通道。

取消了DEH，MEH及旁路系統(tǒng)原來控制邏輯中的黑匣子，重新進(jìn)行邏輯組態(tài)。

3.6 控制策略滿足電網(wǎng)要求的深度優(yōu)化研究

改造過程中，整理并簡化了原有的控制邏輯，優(yōu)化了協(xié)調(diào)、主汽溫度、RB（輔機(jī)故障減負(fù)荷）、AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）、一次調(diào)頻等自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略，解決了增容改造后機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率無法滿足電網(wǎng)要求的問題，并使機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率優(yōu)于電網(wǎng)考核要求。

4 機(jī)組改造效果

3臺機(jī)組改造后，分別于2012年12月20日，2014年2月15日、2014年4月3日復(fù)役運(yùn)行至今，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有發(fā)生因熱工系統(tǒng)問題引起的機(jī)組異常事件。控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性以及滿足電網(wǎng)要求方面都得到了很大提升，機(jī)組的整體安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性得到較大幅度提高。

（1）利用控制系統(tǒng)改造，有效進(jìn)行控制系統(tǒng)的合理布局和一體化設(shè)計(jì)、可靠性配置及優(yōu)化，減少故障點(diǎn)，提高機(jī)組的運(yùn)行安全性。

（2）將原來按照控制器控制對象進(jìn)行分類的DCS畫面改造為按工藝流程進(jìn)行分類，更好地滿足運(yùn)行人員的實(shí)際操作需求。取消過渡柜后，為有效利用原有電纜，提出一系列工藝創(chuàng)新，節(jié)省了改造費(fèi)用、縮短施工，減輕施工、檢修人員的工作量。

（3）實(shí)現(xiàn)ETS，METS系統(tǒng)在DPU冗余控制器雙死機(jī)的情況下不影響正常動(dòng)作功能，對報(bào)警信號分級優(yōu)化，提高PLU功能可靠性，優(yōu)化單點(diǎn)保護(hù)信號，提高信號變化速率限制功能的可靠性，系統(tǒng)改造后機(jī)組的安全運(yùn)行水平明顯提升。

（4）通過控制邏輯和控制策略優(yōu)化消除了增容改造后的機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率無法滿足電網(wǎng)要求的疑難問題，使得機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率優(yōu)于電網(wǎng)考核要求，提升機(jī)組參與發(fā)電市場競爭能力。

（5）主要參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)于《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》[6]考核指標(biāo)要求，參見表1。

北侖發(fā)電廠裝機(jī)容量大，同時(shí)3—5號機(jī)組擔(dān)負(fù)著北侖地區(qū)的供熱，3臺機(jī)組改造后，提高了機(jī)組運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性，利于穩(wěn)定浙江電網(wǎng)和北侖地區(qū)供熱，同時(shí)也降低了機(jī)組污染物的排放。

5 結(jié)語

北侖發(fā)電廠DCS一體化改造項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了3，4，5號機(jī)組集控室合并，節(jié)省了大量的施工時(shí)間與電纜費(fèi)用，減少了系統(tǒng)的故障點(diǎn)和安全隱患。控制系統(tǒng)優(yōu)化后明顯提升了機(jī)組的安全運(yùn)行水平，對同類機(jī)組的改造具有指導(dǎo)意義。

[1]孫長生，朱北恒，尹峰，等.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]葉國滿，屠士鳳，林晨，等.抑制信號干擾的方法研究和應(yīng)用[J].浙江電力，2012，31（12）∶67-69.

[3]過小玲，鄭渭建.取消東汽機(jī)組PLU保護(hù)的可行性探討[J].浙江電力，2012，31（1）∶52-54.

[4]DL/T 657-2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》[S].北京：中國電力出版社，2016.

（本文編輯：張彩）

Research and Application of DCS Integrated Reconstruction Technology in Beilun Power Station

GU Zhien，LIN Guangrui
（Zhejiang Zheneng Beilun Power Generation Co.Ltd.，Ningbo Zhejiang 315800，China）

Combined with the background of the DCS integrated reconstruction project of units#3，#4 and#5 in Beilun Power Plant，this paper conducts DCS integrated reconstruction technology research to improve operation safety level of the units and reduce reconstruction cost.The paper determines the range of the integrated reconstruction and presents construction technology of cost saving and operation procedure optimization to improve system reliability and fundamentally optimize the control strategy of DCS to meet the requirements of power grid.The experience and effect of the reconstruction are summarized to provide reference to the same type of units reconstruction.

unit reconstruction；reliability optimization；reconstruction cost reduction

TK39

B

1007-1881（2017）01-0031-04

2016-09-13

顧志恩（1965），男，工程師，從事發(fā)電廠技術(shù)管理工作。