DCS系統中熱工保護的合理設置研究

劉國華

DCS系統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的穩定性在很大程度上影響機組的運行穩定性。熱工保護控制系統可以對機組運行中的相關參數進行監控和保護，使得參數維持在穩定區間內。在實際應用中，由于系統復雜程度較高，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化，可以提升系統的穩定性。

DCS；熱工保護；合理設置；優化策略

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，國家對于電力的需求量不斷攀升，另外對電能的穩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，影響發電的因素較多，很容易引發供電的穩定性。為保證火電廠的供電質量，電廠往往采取熱工自動控制系統。通過自動化控制，設備的穩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主要包括檢測器、執行設備及控制系統三部分組成，隨著自動化控制設備和技術的不斷發展，熱工自動化系統中逐漸包含順序控制、自動檢測、報警與保護等相關內容。隨著電廠DCS系統的逐漸應用和發展，熱工自動化控制系統迎來新的發展期。

DCS控制系統一般包括數據采集處理組件（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采集數據，在MCS中模擬計算，通過比較計算值和測量值，通過PID控制系統回路。主要通過SCS控制各個閥門完成調節變量。熱工保護組件主要用于保護系統，遇到危險情況或者某變量超過預警量時報警，提醒工作人員系統異常，或者直接跳閘。本文主要對DCS控制系統中的熱工保護內容進行分析介紹。

2 熱工保護概述

火電機組的三大設備主要為鍋爐、汽輪機及發電機，隨著超臨界機組和超超臨界機組的不斷應用發展，機組對于自身保護的要求也越來越高，根據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，完善的保護系統能夠更加有效地保護系統的穩定運行。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，對外界環境的溫度、濕度和酸堿度、灰塵等都具有要求。但環境出現變化時，可能導致儀器儀表出現故障。

3.1 儀表之間出現通信故障

系統傳輸系統的穩定性關鍵，在通信系統中，最容易出現故障的是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、數據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系統異常

DAS系統是自動保護系統的基礎，其穩定運行受到外界接地系統穩定性、現場磁場干擾及調試質量的影響。在實際運行過程中，DAS數值可能會出現瞬間的變化觸動機組的誤跳閘發生，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定運行的水平和質量，具體條件如下。

4.1 冗余設定

為了防止設備的保護系統不能及時觸發或者誤觸發情況發生，需要對觸發系統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。例如鍋爐內壓力高觸發保護系統這一操作而言，系統會接收到3個鍋爐內的壓力信號，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臺一次風機全停”，此保護含義是密封風機正常運行條件下，如果跳閘條件發生時，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。

5 熱工保護在DCS組態中的優化策略

5.1 提升設計合理性，優化系統運行能力

為提升系統的穩定性，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的要求。在系統運行中，可以在熱工信號監測時也引入冗余思想，即多次取樣同一個測試點的數據，以保證測試結果的準確性，防止錯誤指令的產生。另外，為保證系統運行的穩定性，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構建和升級時，應重視設計、安裝，多角度評測：①DCS控制系統的優化。為防止DCS出現軟硬件故障，可通過優化設計，提升DCS系統的“壞質量”診斷體系，通過優化硬件質量和軟件自診斷能力，提升系統預防和弱化故障的能力。②系統保護邏輯的優化?？梢圆扇〕Y保護、抗積分飽和等運行邏輯提升自動控制系統的穩定性。超馳保護即自動控制系統接收到故障信號、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，使得系統設備在故障發生時得到有效保護，也保障系統的穩定運行能力。例如，爐膛內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，以保證爐膛內的壓力逐漸恢復到正常值。積分飽和即執行機構已經到極限位置，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增大或減小，但執行機構已無相應的動作。出現積分飽和時，系統的自動控制系統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、穩定性強的熱工元件

隨著自動化控制系統的復雜性和智能型逐漸提升，系統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，因此為保證系統的穩定性和安全性，盡量使用穩定性強的熱工元件。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定性，關乎企業的運行能力和經濟性。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的有效性和及時性產生影響，通過對保護設置和保護措施的優化策略進行介紹，可以有效提升機組系統運行的穩定性。

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2095－6835（2019）22－0100－02

TM621.4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.22.038

〔編輯：嚴麗琴〕