空调系统故障引发DCS 控制异常浅析

顾德东，谢 光，黄志彬

(深能合和电力(河源)有限公司，广东河源517025)

0 引言

随着分散控制系统(DCS)在火力发电厂的广泛应用，DCS系统逐渐成为掌握机组命脉、保证机组正常运行的核心。DCS硬件由电子元件和集成电路构成，结构精密，它的工作性能容易受到腐蚀性气体、温度和湿度等环境因素的影响。在火力发电厂的设计中，DCS硬件均布置于电子设备间内，因此，电子设备间的环境工况直接影响着DCS硬件的工作性能，是保障DCS硬件正常工作的重要因素。根据《控制室设计规定》，电子设备间温度要求为:夏天时26±2℃，冬天时20±2℃，温度变化率为＜5℃/h;相对湿度要求为50% ±10%，湿度变化率为＜6%/h。当空调系统故障而导致电子设备间环境超限时，容易导致DCS硬件故障，严重时可能会导致机组跳闸。

1 系统概况

1.1 DCS控制系统简介

河源电厂DCS控制系统采用了ABB公司的Symphony分散控制系统，其系统硬件结构节点类型包括:现场控制单元、人机接口设备、系统工程工具、计算机接口设备和网络接口设备等。系统的硬件模块包括:BRC模块，输入、输出模块，通讯模块，控制接口模块，HSS03模块等等。

参照ABB硬件手册得知，ABB的硬件对温度和湿度的要求如下:温度要求为0℃ ～70℃;湿度要求为温度不高于55℃时，相对湿度在5% ～95%范围内不会结露，温度达到70℃时，相对湿度在5% ～45%范围内才不会结露。

1.2 空调系统简介

河源电厂电子设备间空调系统由组合式空气处理系统和冷水机组系统组成。组合式空气处理系统给电子设备间通风，以促进电子设备间的空气流动;冷水机组系统给组合式空气处理系统供冷冻水，以冷却通过组合式空气处理系统空气流，对空气流进行降温除湿。两套系统均采用PLC控制，统一在中央控制室进行监控操作。组合式空气处理系统和冷水机组系统相互独立，相互间未设计任何联锁保护。

冷水机组系统流程如图1所示。系统主要包括三台冷却塔、三台冷水机组、三台冷却水泵、三台冷冻水泵等。冷冻水通过分水器送至各用水用户，然后通过集水器进行回收再冷却。该系统设计为组合启停方式，即同序号的冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组为一个组合单元，整组启动和停止。因此，整个冷水机组系统可分为三套组合，每套组合可单独启动和停止。而三台冷却塔为一个整体组合，根据冷却水的温度来决定启动冷却塔的台数。

三台冷水机组又分别由三个就地PLC控制，该PLC接受来自冷水机组系统PLC的启停指令而整体启停冷水机组，同时还控制单台冷水机组内部的启停和联锁保护。

组合式空气处理系统流程如图2所示。该系统由回风段、新/排风调节段、表冷段、送风段等组成。冷冻水流经表冷器以冷却循环流通的空气流，经冷却的空气流通过送风机送入电子设备间。电子设备间共设置了两套组合式空气处理机，一用一备，不间断运行。

2 事件处理过程及分析

2.1 事件经过

2011年6月14日，河源电厂1#机组因空调故障导致电子设备间温度、湿度超限，进而DCS硬件出现故障，导致机组跳闸事件。事件发生的大致过程如下:

图1 冷水机组系统流程图

当天8时43分，冷水机组系统正在运行的2#、3#冷水机组因过载跳闸，但因冷水机组未设计任何报警功能，运行人员未能及时发现冷水机组已跳闸。大约15分钟后，1#机组控制盘面上出现了DCS硬件故障报警，且部分的设备监测参数出现异常。此时，运行人员发现冷水机组已跳闸，在通知检修人员处理的同时打算重新启动冷水机组，但2#、3#冷水机组因故无法启动，1#冷水机组亦在启动5分钟后过载跳闸。

9时07分，检修人员到达电子设备间时，发现电子设备间的相对湿度高达100%，DCS模件柜及地面结露严重，采取措施进行紧急处理，但为时已晚。由于电子设备间严重结露，大量的设备监测参数出现异常，多个DCS模件出现异常。在9时18分，1#机组因DCS模件故障跳闸。

2.2 事件原因分析

事后，该电厂组织人员进行事件原因分析，发现本次事件的原因为DCS模件故障引发发电机断水保护误动作，模件故障原因为电子设备间湿度过大导致模件受潮，超出其正常工作湿度要求。事件发生时，测得户外空气湿度达到100%，闷热潮湿的空气进入处于长期低温环境的电子设备间后迅速结露，导致DCS模件表面湿度过大，引发异常情况发生。综合分析，导致此次事件的原因，可归结为以下几个方面。

2.2.1 电子设备间温、湿度过大直接导致模件结露

根据《控制室设计规定》，电子设备间温度要求为:夏天时26±2℃，冬天时20±2℃，温度变化率为＜5℃/h;相对湿度要求为50% ±10%，湿度变化率为＜6%/h。同时，根据DCS模件的规程要求，模件在温度＜55℃时，湿度＞95%则会结露。此次事件发生后，检查分布安装在电子设备间的三块温湿度计时发现，当时电子设备间的环境温度大约在35℃左右，湿度为100%。湿度和湿度值远远超过了规定值，而湿度变化率更是从正常情况下的50%左右在15分钟内上升至100%，变化率远远超过了6%/h;温度变化率亦超过了5℃/h。另外，正常情况下，电子设备间的温度一般在20℃左右，而当空调故障跳闸后，大量的高温度、高湿度空气进入电子设备间后，在温度较低的模件上更容易导致结露，进而导致模件故障。

2.2.2 冷水机组系统设计存在缺陷

冷水机组系统全部跳闸是导致此次事件的直接原因，而导致冷水机组系统跳闸的原因与该系统的工艺设计、自动控制设计以及容量设计等方面存在不足息息相关。

(1)非生产区办公楼与厂区共用冷水机组系统。由于非生产区办公楼的空调使用与该区域办公人员的上、下班有关。白天办公人员上班时，空调的大量使用会急剧的加重冷水机组系统的负载。这就是导致此次事件中2#、3#冷水机组跳闸的原因。事件发生在当天早上8时30分左右，办公人员开始上班，空调大量投入使用对冷冰冻水需求量大大增加，导致了冷水机组系统负载急剧增加，最终过载跳闸。

(2)自动控制方式设计不良。冷水机组系统设计为分组合启动的方式，但组合间是独立的，当某个组合故障跳闸时，其他组合不会联锁启动，这就很容易导致正在运行的组合过载跳闸，最终导致整个冷水机组系统全部跳闸。

(3)冷水机组系统的冷却塔容量不足。冷却塔容量的不足，进一步加重了冷水机组的负载。特别是当有冷却塔发生故障检修时，冷水机组的负载将大大增加，很容易导致过载跳闸。

图2 组合式空气处理系统流程图

2.2.3 组合式空气处理系统设计存在缺陷

由图2可知，组合式空气处理系统的这种结构存在以下不足之处，正是这两点不足，导致该冷水机组系统跳闸后，大量的闷热、潮湿空气进入电子间，最终导致了此事件的发生。

(1)未设计冷冻水断水保护。当表冷段脏污堵塞或损坏，或者由于冷水机组系统跳闸等原因导致表冷段的冷冻水供水不足或中断时，表冷段将失去降温除湿的作用。未经处理的新空气进入电子设备间，温、湿度大幅上升，导致DCS模件结露及故障。

(2)新/排风口不可调，且系统正常运行时处于常开位置。新/排风挡板是靠重力自关的活动挡板，不可调节，无任何开度指示，当风速达到一定值能够克服挡板重力后，挡板即全开。在系统正常运行时，新/排风调节挡板均在全开位置，而新/排风挡板口径尺寸均为2000mm×1250mm方形;经测算，吸入的新风流量约为20000m3/h，约占单个通风组出力的50%左右，远远大于相关标准。依据相关规范，电子设备间的通风应设计成“闭式”循环，靠系统的漏风量即可满足新风的交换，无需打开新风阀。

2.2.4 报警及联锁保护不完善

冷水机组系统及组合式空气处理系统均可在中央控制室的辅网操作员站上进行监控。但是操作员画面上未设计有声光报警等提醒运行人员有异常工况发生的报警方式。此次事件中，当水冷机组全部跳闸时，未触发任何容易提醒运行人员注意的报警，导致操作员不能及时发现，致使辅控空调系统2#、3#冷水机组全部跳闸的情况在15分钟后才被发现，延误了处理的时机，进而导致事件的进一步扩大。

冷水机组系统和组合式空气处理系统之间未设置相关的联锁保护，当冷水机组系统跳闸后，组合式空气处理系统仍在工作，给电子设备间送入了大量未经处理的湿热空气，从而导致了DCS模件异常。

另外，电子设备间亦未设计有任何温、湿度异常报警，当电子设备间环境出现异常时，运行人员未能及时采取措施进行处理。

2.2.5 管理因素

该电厂两台机组已经投运两年多时间，虽然一直比较重视主系统的管理、分析、优化和维护，却轻视了辅助系统的保养，对辅助系统的风险评价和隐患排查不够深入，未能及时发现辅助系统中存在的安全隐患。平时也极少进行辅助系统的事故预想。种种因素的存在，最终导致了此次事件的发生。

3 改进措施

3.1 关闭并固定电子设备间的新/排风口调节挡板

电子设备间组合式空气处理系统设置的新/排风调节挡板一直保持开启，当冷水机组系统全部跳闸后，致使大量的湿热的新空气进入电子设备间，是导致此次事件发生的重要原因之一。按照相关规范，电子设备间需置换的新风量很少，靠系统的漏风量即可满足要求。因此，将新/排风挡板关闭并固定，使电子设备间处理“闭式循环模式”，利用系统的漏风量来满足新/旧空气的置换，以防止冷水机组系统全部停运后，过量的新空气进入电子设备间而造成大量结露。

3.2 增加系统重要异常工况的声光报警

根据此前的分析可以得知，当系统发生异常时，因系统无重要异常工况报警，运行人员未能及时发现异常情况是造成此次事件的重要原因之一。因此，在辅网操作员站上增加了“冷水机组故障跳闸”等重要异常工况声光报警。该功能增加后，每当有异常工况发生时，运行人员能及时地采取相应的措施进行处理。

3.3 电子设备间内增加温、湿度监测装置

DCS模件对其工作环境要求相当严格，特别是对温、湿度的要求。电子设备间是一个相对封闭的场所，一般不允许人员随意出入。因此，运行人员难以实时掌握电子设备间的环境情况。当电子设备间的温、湿度超过了模件工作要求时，如果不能及时发现，则会造成模件控制异常，这是导致此次事件的原因之一。因此，我们在电子设备间增加了3台温、湿度监测装置，将测量值在DCS画面上显示，并增加相应的温、湿度越限报警功能，使运行人员能及时准确地掌握电子设备间的温、湿度情况，发生异常工况时能及时采取措施进行处理。

3.4 冷水机组系统及运行方式的改进

冷水机组易发故障跳闸是导致此次事件发生的重要原因，进一步优化冷水机组系统的运行方式，增强系统的安全可靠性是减少冷水机组故障跳闸事件发生的有效手段。

3.4.1 工艺系统的改进

该电厂的生产厂区和非生产办公楼区共用了冷水机组系统，这是导致此次事件的主要原因之一。非生产办公楼的空调系统投用率不稳定，对冷冻水的需求量变化较大，当其对冷冻水需求量大时，很容易造成冷水机组系统过载跳闸。

3.4.2 运行方式的改良

该电厂的冷水机组系统采用按流程分组合启动的方式，各组合间无联锁保护。这样的运行方式比较有利于自动控制的实现，却大大地降低了系统的可用率，一个不重要的小设备的故障都将导致整个组合的不可用。这种运行方式容易使某组合过载跳闸，且其他组合无法联启，最终导致整个冷水机组停运。因此，改进冷水机组系统的运行方式，将按流程分组合启动方式，改为按同类设备分组合启停方式就能大大提高系统的可用率。如将3台冷却水泵、3台冷水机组，3台冷冻水泵分别作为各自组合的整体，冷却水泵启动的台数依据冷却水的用量要求进行;冷水机组的启动台数依据冷冻水温度进行控制;冷冻水泵启动台数依据冷冻水用量要求进行。如此，将极大地提高系统的可用率和可靠性，降低故障跳闸事故发生的可能性。

3.5 改进效果

进行改进后，在很大程度上降低了空调系统的故障率，同时防止了空调系统故障未被发现而导致机组异常事故的发生。如电子设备间增加了远传的温、湿度计，运行人员可以在电子设备间发生温、湿度异常的初期就能及时发现并采取措施防止其进一步恶化。同时，增加了空调系统故障声光报警，当空调系统出现故障时即告知运行人员，在未引发电子设备间温、湿度异常，之前就可以采取措施进行处理。在改进后，发生过几次空调系统异常事故，但均因及时发现得到处理，未引起电子设备间温湿度异常，避免了机组故障的发生。

进行以上改进后，空调系统的故障率降低了约20%，极大地提高了系统的可靠性。同时由于多重报警告知的改进，使得故障发生时采取处理措施的速度大大提高，避免了事故进一步恶化。在改进后，至今未发生过空调系统故障引起电子设备间温、湿度异常事故的发生，也未发生过空调系统故障导致机组异常跳闸事故的发生。因此，改进的效果是非常明显的。

4 结论及思考

该电厂此次空调系统故障引发机组跳闸事件，是一起典型的辅助系统故障引发机组跳闸事件。导致此类事件发生的原因是多种多样的，但究其深层的原因，却有着诸多共同因素，值得我们去深入研究及思考，其经验教训对火力发电厂具有普遍的指导意义。

4.1 观念的转变

目前，火力发电厂的自动控制水平大大提高，各种自动控制设备及系统对辅助系统的要求越来越高，但“重主轻辅”的观念存在，导致了辅助系统在技术和管理上相对薄弱，存在的安全隐患较多，而且故障频发。辅助系统的安全可靠性能否得到进一步的提高，跟能否转变“重主轻辅”的观念息息相关。

4.2 人员素质的提升

随着全厂辅控网的大力推广实施，在人员急剧减少的情况下，对运行、检修人员的素质水平要求更高了。运行人员需掌握的辅助系统更多，对辅助系统的运行特点要有更高的认识掌握。同时，也要求检修人员更全面、更安全地考虑辅助系统的工艺流程、自动控制及相关的报警功能。

4.3 辅助系统的设计改进

由于诸多原因，辅助系统的设计比较薄弱，这包括工艺设计，控制设计，设备选型等方面。同时，辅助系统的设计极少考虑系统间的关联设计，各系统相对独立。该电厂此次事件发生就是一个典型例子，由于冷水机组系统的停运未联锁跳组合式空气处理系统，最终导致机组跳闸。因此，应加强辅助系统的设计，包括工艺设计、控制设计、设备选型、辅助系统间的相互联锁保护功能设计等等。

［1］吴琪瑜，黄从智.Symphony系统在超临界机组中的应用［J］.电站系统工程，2008，(6):58-60.

［2］DLT 774-2001，火力发电厂分散控制系统运行检修导则［S］.

［3］HG/T 20508-2000，控制室设计规定［S］.