電廠單元機組熱控系統的分散控制系統改造設計

馮海波

摘 要：熱控系統在火電廠的生產系統中具有重要作用，是生產單元機組的基礎控制系統。為了提高熱控系統的運行效率和穩定性，需要對其DCS進行優化改造，從而解決DCS系統中存在的問題，進一步提高DCS設計改造水平，全面提高熱控系統DCS運行效率。

關鍵詞：火電廠;單元機組;熱控系統;分散控制系統

中圖分類號：TM621文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）34-00-03

DCS Transformation Design of Thermal Control System of Unit in

Thermal Power Plant

FENG Haibo

（Henan Hezhong Power Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： thermal control system plays an important role in the production system of thermal power plant. It is the basic control system of production unit. In order to improve the operation efficiency and stability of thermal control system， its DCS needs to be optimized and transformed， so as to solve the problems existing in DCS system， in order to further improve the design and transformation level of DCS and comprehensively improve the operation efficiency of DCS of thermal control system.

Keywords： thermal power plant;unit;thermal control system;distributed control system

分散控制系統（Distributed Control System，DCS）對火電廠熱控系統運行控制具有重要影響。受多種因素的影響，當前部分火電廠熱控系統的DCS在選型及設計方面較為落后，已經難以支撐火電廠熱控系統的安全運行。為了提高火電廠發電效率和安全性，必須對DCS進行優化改造，采用科學的設計方案，選擇合理的DCS，通過改造設計提高DCS的實效性，從而全面提升火電廠發電效率。在此背景下，結合某火電廠的單元機組熱控系統實際情況，提出一種可行的DCS改造設計方案。

1 熱控系統的DCS改造選型分析

1.1 DCS改造選型基本原則

在對火電廠單元機組熱控系統的DCS進行改造設計時，需要完成系統選型。系統選型的基本原則包括六點。第一，可靠性。通常情況下，可靠性需要利用平均無故障工作時間（Mean Time Between Failure，MTBF）進行衡量，但是MTBF為統計指標，并不代表可直接測量的目標。一些供應商所提供的MTBF真實性存在問題，所以在選擇時需要通過常見可靠性設計、生產及應用3個方面進行考察，也就是系統設計采用的結構、可靠性目標及其在系統中的分配，所選擇的元器件極限指標余量、模板間、單元間的插件、I/O卡件隔離措施及冗余備份等[1]。第二，維修性。維修性是系統必須具有的重要基礎，即系統需要具備較強的故障診斷功能，能準確顯示系統當前存在的故障。第三，技術性。技術性是指系統是否符合DCS的最新發展方向和技術水平，軟件平臺是否先進。DCS系統需要采用多任務實時操作系統，在多種不同情況下對DCS系統組件進行修改，不會對DCS系統運行產生影響。第四，經濟性。在選擇DCS系統時，需要充分考慮系統的經濟性，即系統自身的市場價格。因為DCS改造設計需要花費較多的費用，包括系統改造費用以及維護費用等，需要對DCS改造設計后的系統運行經濟效益進行計算。第五，供應商能力。需要對供應商的技術水平、服務能力及生產能力等進行評價，從而判斷供應商的綜合能力。第六，供貨服務。因為熱電廠熱控系統DCS改造是一項周期較長的項目，所以必須考慮供應商的供貨服務能力，防止供應商在改造過程中無法有效提供支持。

1.2 改造設計評估

按照不同項目的內容，上述6大因素對DCS改造設計的重要性不同，一般情況下采用加權因素評估方法。評估人員在確定供應商的方案和報價前，需要明確各因素的加權系數，以在與供應商洽談時進行對比，在比較后去除最低分和最高分，按照平均分進行計算。每一項原則項目都具有具體的評分標準。例如：在考慮可靠性時，設計可靠性為4分，需要從DCS系統整體設計可靠性方面進行評價;生產流程為3分，需要對DCS系統制造過程進行考察;使用情況為3分，通過走訪用戶等明確故障率。該火電廠DCS系統改造設計項目的評估見表1和表2。各供應商的6項得分相加得到總分，評估出的總分和額定總分比值能反映出供應商綜合水平百分比，其中C供應商不能選擇，A供應商和B供應商可以選擇。如果預算充足，則選擇A供應商;如果預算較為緊張，可以選擇B供應商。

2 火電廠單元機組熱控系統的DCS設計

在確定設備選型后，正式進入設計階段。對于DCS改造，需要依據國家標準，同時參照典型的設計方案，根據當前熱控系統DCS的基本情況，盡量保留原有設備，并減少施工量，提高系統適用性和改造經濟效益，減少經濟投入[2]。以該火電廠的改造設計方案為例，對其系統設計進行詳細介紹，其系統改造設計主要內容如圖1所示。

2.1 DAS系統改造設計

在本次分布式天線系統（Distributed Antenna System，DCS）改造設計過程中，除了氣溫記錄表、氣壓記錄表、真空記錄表及部分電接點水位表外，其他監測全部包括在DCS系統中，系統具備操作、成組、棒圖及報警等功能，同時能實現定期記錄、事故記錄、事故追蹤記錄及故障原因記錄等，具有可靠的歷史數據存儲和檢索功能。

2.2 SCS系統改造設計

在順序控制系統（Sequence Control System，SCS）改造設計中，只保留了鍋爐安全門、事故放水門、汽機潤滑油泵等原有的手動操作，其他操作全部接入SCS系統，通過SCS中驅動級的基本邏輯對其進行控制。所有操作都能在DCS系統內部邏輯中完成，通過驅動邏輯對反饋信號、條件信號及操作指令等進行分析，從而確定優先級，將其輸出到控制回路。SCS具有啟動和停止控制功能，能實現聯鎖及程序啟動功能。設備聯鎖中設計了最高優先級指令，手動指令優先級高于自動指令，設備的啟動、停止指令等相互閉鎖，從而提高設備運行的安全性。在改造前的DCS控制方案中，熱控系統常見跳閘導致無法運行的問題，且受到其他信號干擾較大。為此，在本次設計方案中增加了信號干擾報警器，當系統受到干擾時首先進行報警提醒，不會立即跳閘，仍保持正常運行狀態，由操作人員對其進行處理，有效提高系統運行的可靠性[3]。

2.3 DEH系統改造設計

在數字式電氣液壓控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）改造設計方案中，設備控制模式設計為電液切換，保留原有的液壓系統，在其基礎上增加電液調節系統。電液調節系統能與液壓調節系統相互跟蹤，互為備用。當一套系統出現問題后，另一套系統能迅速啟動實現無縫銜接。在外圍系統中，本次設計方案增加了掛閘油壓檢測系統，保留原有的同步器和油動機形成檢測系統，在其基礎上進行優化設計。從外圍檢測點到電液控制系統的線纜要重新鋪設，并增加對線纜的抗干擾處理，從而提高系統抗干擾能力。

2.4 BMS系統改造設計

在本次DCS系統改造設計方案中，電池管理系統（Battery Management System，BMS）的主要功能是對程控點火、汽包水位保護的控制。燃燒器在遠程控制狀態下設計了4種不同的操作模式，即手動操作、單控操作、對控操作及層控操作。汽包水位保護系統通過壓力進行補充，同時連接到滅火裝置中，利用滅火保護裝置對水位進行防護，從而提升系統運行的安全性[4]。

2.5 系統連接改造設計

在系統連接改造設計中，SCS系統依據反饋信號與設計信號相互分離的基本理念，將爐側轉機的原始控制線纜從爐側調整到中間轉接柜，當作和SCS控制柜的中間轉接，對反饋信號線纜進行重新鋪設，并在線纜中做好屏蔽保護措施，提高線纜抗干擾能力。爐側的電動門從電動抽屜柜中鋪設到SCS控制柜中，一次風選線和二次風選線電控系統的繼電器全部去除，設計為單獨的控制回路。DCS系統和一次設備的連接設計中，電動門開關和位置反饋信號不采用原有的開關節點直接和I/O板相連，而是在設計改造方案中增加中間繼電器。反饋到DCS系統中的信號線纜設計為與控制線纜分離的方式。外圍設備線纜接入DCS的I/O控制柜中，單端接地、傳送模擬量檢測信號設計為分線屏蔽。引風機、送風機及給水泵等系統的轉機啟動、停止狀態反饋分別接入斷路器的輔助接點中，針對控制機的轉機反饋設計增加360 V中間繼電器，將其與原有的中間繼電器相連[5]。

2.6 系統電源和地網改造設計

2.6.1 電源設計。DCS系統必須具有合理的電源才能正常運行，所以必須做好電源設計。在本次DCS系統改造設計中，利用電壓380 V不同工作階段中的同相位電路，電源輸出到DCS系統的配電柜中。DCS系統配電柜中設計4臺不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS），能夠在全負荷狀態下工作30 min。兩個不同階段的相位電源接入DEH控制柜中，通過熱工交流總電源為電源到繼電器提供支持，從而支持CCS系統執行使用。在對電源進行改造設計的過程中，不僅要提升電源可靠性，而且要采用冗余和分散的設計方式，將電源分散到每個機柜中，利用相對獨立的電源設備，對不同電源分別進行整流和穩壓處理，再利用二極管裝置等進行選樣處理，從而在某電源出現故障時自動切換到其他電源。切換操作要在瞬間完成，以減少DCS對I/O及RAM等硬件的沖擊影響，提升熱控系統的DCS運行穩定性，并有效避免多重故障。

2.6.2 地網改造設計。地網是影響DCS系統運行可靠性和安全性的重要內容。原有的地網運行保護性不足，所以需要對地網進行優化設計。在改造設計方案中，機柜之間采用銅線連接的方式，將銅線與多股銅芯相互連接，并將地線和地網相互連接，在連接點區域一定范圍內不能存在大電流設備，否則會對系統運行造成影響，設計完成后系統整體接地電阻小于1.5 Ω。DCS系統地網和現場電氣接地網采用共用的設計方案，能有效應對突變電磁場對系統的沖擊影響，相比傳統的獨立接地方式更加安全可靠，同時降低了設計改造成本。

3 火電廠單元機組熱控系統DCS改造設計完善內容分析

在該火電廠單元機組熱控系統DCS改造完成后，將其投入正常生產運行，從而實現自動發電控制（Automation Generate Control，AGC）功能。運行一段時間后，針對DCS系統運行存在的問題，對其進行進一步完善。第一，運行一段時間后，管理人員發現DCS系統所配備的UPS可靠性不足，采用電氣直流電源加逆變裝置對其進行替代，提高系統運行效率。第二，在改造過程中充分考慮了改造投入，盡量以原有的儀表、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及DCS主網為基礎，通過構建新的通信網絡，實現和管理信息系統（Management Information System，MIS）互聯。保留原有的智能巡測儀器作為DCS系統的采集前端使用，參數能在系統中顯示。一些開關控制聯鎖采用原有PLC構建，DCS、PLC及巡測儀器共同組成新的DCS，從而降低系統改造成本，減少硬件設備及軟件的改造投入，在實踐改造中整體降低投入約30%，有效提升經濟效益。第三，減少傳統儀表和操作站數量。該火電廠的5個操作站減少到3個，并去除記錄表和報警光字牌。采用DCS控制系統進行管控，減少系統運行流程，從而提高系統運行穩定性和可靠性，避免其他環節對運行過程產生干擾。

4 結語

以火電廠的單元機組熱控系統DCS改造設計為例，對DCS系統的選型及系統改造設計方案進行全面闡述。改造設計方案在實際應用中取得了良好的效果，大大提升了熱控系統的運行穩定性、可靠性及安全性。

參考文獻：

[1]劉昊陽，孫賀，喬建平.火電廠中的單元機組集控運行的探討[J].中國新通信，2020（1）：138.

[2]張軍亮，劉龍.火力發電廠PLC系統改造為DCS研究及實踐[J].儀器儀表用戶，2019（5）：101-103.

[3]常龍.火電廠DCS控制系統的研究與設計[J].電力系統裝備，2019（5）：40-41.

[4]趙偉，計敏焜.單元機組機側典型模擬量控制系統DCS組態設計[J].自動化應用，2019（2）：1-4.

[5]丁曉平.現代火力發電廠單元機組集控運行的應用研究[J].電力系統裝備，2021（10）：65-66.