关键控制回路特性冗余结构的实际应用与研究

颉志杰 赵建冰 陈 俊

中石化广元天然净化有限公司，四川 广元 628400

目前，DCS集散控制系统在国内外得到广泛应用，特别是在化工行业，很多工厂均通过集散控制系统对整个生产过程实现了计算机实时监控。集散控制系统具有冗余控制、系统运行稳定、灵活性高、易于维护等优点。冗余结构是指重复配置系统的一些节点，这些冗余节点能够自动检查主备节点的运行状态，并且在主节点失败时自动切换到备节点[1]。动力站单元是重要的辅助装置，为全厂装置提供高压蒸汽，为透平提供动力，也是低中压蒸汽的主要产出装置[2]。动力站一旦发生停车，不但会影响生产，还会发生火灾、爆炸等安全事故，危及整个厂区，因此控制系统冗余的设计尤为重要。本文将结合动力站实际运行情况对动力站控制系统冗余结构进行分析与研究。

1 研究目的与意义

某厂动力站单元自开工运行以来一直无法停工检修，导致控制系统故障率大幅增加，使用寿命降低，故障现象频发。拟通过对动力站DCS系统冗余功能的分析，增加特性冗余结构，解决正常生产与装置检修的矛盾。

2 动力站DCS系统结构

动力站DCS系统由三套冗余的控制器分别控制A、B、C炉，三台炉子相互独立运行，互不干扰。但是三套炉子的燃料气管线共用一个调节阀、一个副线调节阀，停用任意一套控制系统将导致无法正常生产，这就致使开车至今DCS系统无法进行轮番检修，增大了DCS系统发生故障的可能性。动力站DCS系统结构如图1所示。

图1 动力站DCS系统结构

3 动力站DCS系统产生非冗余原因分析

3.1 工艺

动力站单元连续运行，是造成系统无法检修的根本原因。

3.2 工程设计缺陷

动力站燃料气总管调节阀PV-30101、除氧器D-401A液位调节阀LV-40101由DCS-001实现单独控制，燃料气总管副线调节阀PV-30102、除氧器D-401B液位调节阀LV-40102由DCS-002单独控制。

动力站有三台锅炉，DCS系统有三套控制器与之一一对应。调查发现部分重要调节阀由一套控制器控制，这些调节阀同时对三台锅炉进行燃料气供应调节，导致控制器在事故状态下无法操作，从而造成设备停车以及装置停车。关键调节阀燃料气控制装置如图2所示。

图2 关键调节阀燃料气控制装置图

对设计缺陷导致停车事故总结发现，DCS系统内各个关键设备、阀门及重要控制逻辑的控制器冗余配置功能不够完善，对于一些重要设备是否具备冗余可操作条件未有明确界定，存在着安全隐患，增加了设备不稳定性[3]。而无法进行停工检修，导致控制系统故障率大幅增加，使用寿命降低，故障现象频发。

4 解决方案

4.1 从设计上解决

基于以上某厂动力站冗余配置情况，应以现有设备为基础，通过拓展或新增基础卡件，采用编程组态方式对阀门控制进行分析，兼顾到紧急或特种情况的阀门操作过程，采取科学有效的方法避免单点故障造成停车[4]。具体方法如下：影响三套锅炉的公用仪表点位经过改造实现选择性控制，将4台调节阀的输出信号以及测量反馈信号用4个信号分配器和4个信号选择器引入DCS-003系统；输入信号由信号分配器实现一入二出，输出型号由信号选择器实现二选一，信号的选择由改变分配器或选择器的手动开关来实现。

原设计：DCS-001控制PV-30101、LV-40101调节阀，以及LT-40101、PT-30101测量信号。DCS-002控制PV-30102、LV-40102调节阀，以及LT-40102、PT-30102测量信号。设计变更：DCS-001、DCS-003同时控制PV-30101、LV-40101调节阀，以及LT-40101、PT-30101测量信号。DCS-002、DCS-003同时控制PV-30102、LV-40102调节阀，以及LT-40102、PT-30102测量信号。该方法可有效地解决控制系统在检修期间无法对重要阀门进行操作情况的问题，保证了动力站的稳定运行，可以对装置的平稳生产起到一定的保护作用，对装置检修造成的停产停工有极大改善。

4.2 生产工艺与冗余系统相结合

在动力站某套锅炉需进行不停工检修操作时，如DCS-001、DCS-002、DCS-003当中任意一套DCS系统需要检修时，因DCS-001、DCS-003同时控制PV-30101、LV-40101调节阀，以及LT-40101、PT-30101测量信号，DCS-002、DCS-003同时控制PV-30102、LV-40102调节阀，以及LT-40102、PT-30102测量信号，所以可通过手动切换至另外两套DCS系统进行控制，从而实现单套DCS系统停车检修的目的，解决无法检修的隐患，为装置的安全生产带来保障[5]。该方法的实施不仅对检修起到了良好的作用，也可以作为生产应急处置措施。

5 结语

新增的特性冗余结构在DCS系统经过长周期试运行，有效地解决了该厂动力站单元无法检修的问题，降低了检修时的风险性，排除了重大的安全隐患，为安全生产、提效增收提供了有力的保障。对控制器负荷、调节器的输出误差、安全栅的输出信号的稳定性等各方面进行检查和评估，可提升动力站DCS系统冗余控制功能特性。