电厂单元机组热控系统的分散控制系统改造设计

冯海波

摘 要：热控系统在火电厂的生产系统中具有重要作用，是生产单元机组的基础控制系统。为了提高热控系统的运行效率和稳定性，需要对其DCS进行优化改造，从而解决DCS系统中存在的问题，进一步提高DCS设计改造水平，全面提高热控系统DCS运行效率。

关键词：火电厂;单元机组;热控系统;分散控制系统

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：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

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）对火电厂热控系统运行控制具有重要影响。受多种因素的影响，当前部分火电厂热控系统的DCS在选型及设计方面较为落后，已经难以支撐火电厂热控系统的安全运行。为了提高火电厂发电效率和安全性，必须对DCS进行优化改造，采用科学的设计方案，选择合理的DCS，通过改造设计提高DCS的实效性，从而全面提升火电厂发电效率。在此背景下，结合某火电厂的单元机组热控系统实际情况，提出一种可行的DCS改造设计方案。

1 热控系统的DCS改造选型分析

1.1 DCS改造选型基本原则

在对火电厂单元机组热控系统的DCS进行改造设计时，需要完成系统选型。系统选型的基本原则包括六点。第一，可靠性。通常情况下，可靠性需要利用平均无故障工作时间（Mean Time Between Failure，MTBF）进行衡量，但是MTBF为统计指标，并不代表可直接测量的目标。一些供应商所提供的MTBF真实性存在问题，所以在选择时需要通过常见可靠性设计、生产及应用3个方面进行考察，也就是系统设计采用的结构、可靠性目标及其在系统中的分配，所选择的元器件极限指标余量、模板间、单元间的插件、I/O卡件隔离措施及冗余备份等[1]。第二，维修性。维修性是系统必须具有的重要基础，即系统需要具备较强的故障诊断功能，能准确显示系统当前存在的故障。第三，技术性。技术性是指系统是否符合DCS的最新发展方向和技术水平，软件平台是否先进。DCS系统需要采用多任务实时操作系统，在多种不同情况下对DCS系统组件进行修改，不会对DCS系统运行产生影响。第四，经济性。在选择DCS系统时，需要充分考虑系统的经济性，即系统自身的市场价格。因为DCS改造设计需要花费较多的费用，包括系统改造费用以及维护费用等，需要对DCS改造设计后的系统运行经济效益进行计算。第五，供应商能力。需要对供应商的技术水平、服务能力及生产能力等进行评价，从而判断供应商的综合能力。第六，供货服务。因为热电厂热控系统DCS改造是一项周期较长的项目，所以必须考虑供应商的供货服务能力，防止供应商在改造过程中无法有效提供支持。

1.2 改造设计评估

按照不同项目的内容，上述6大因素对DCS改造设计的重要性不同，一般情况下采用加权因素评估方法。评估人员在确定供应商的方案和报价前，需要明确各因素的加权系数，以在与供应商洽谈时进行对比，在比较后去除最低分和最高分，按照平均分进行计算。每一项原则项目都具有具体的评分标准。例如：在考虑可靠性时，设计可靠性为4分，需要从DCS系统整体设计可靠性方面进行评价;生产流程为3分，需要对DCS系统制造过程进行考察;使用情况为3分，通过走访用户等明确故障率。该火电厂DCS系统改造设计项目的评估见表1和表2。各供应商的6项得分相加得到总分，评估出的总分和额定总分比值能反映出供应商综合水平百分比，其中C供应商不能选择，A供应商和B供应商可以选择。如果预算充足，则选择A供应商;如果预算较为紧张，可以选择B供应商。

2 火电厂单元机组热控系统的DCS设计

在确定设备选型后，正式进入设计阶段。对于DCS改造，需要依据国家标准，同时参照典型的设计方案，根据当前热控系统DCS的基本情况，尽量保留原有设备，并减少施工量，提高系统适用性和改造经济效益，减少经济投入[2]。以该火电厂的改造设计方案为例，对其系统设计进行详细介绍，其系统改造设计主要内容如图1所示。

2.1 DAS系统改造设计

在本次分布式天线系统（Distributed Antenna System，DCS）改造设计过程中，除了气温记录表、气压记录表、真空记录表及部分电接点水位表外，其他监测全部包括在DCS系统中，系统具备操作、成组、棒图及报警等功能，同时能实现定期记录、事故记录、事故追踪记录及故障原因记录等，具有可靠的历史数据存储和检索功能。

2.2 SCS系统改造设计

在顺序控制系统（Sequence Control System，SCS）改造设计中，只保留了锅炉安全门、事故放水门、汽机润滑油泵等原有的手动操作，其他操作全部接入SCS系统，通过SCS中驱动级的基本逻辑对其进行控制。所有操作都能在DCS系统内部逻辑中完成，通过驱动逻辑对反馈信号、条件信号及操作指令等进行分析，从而确定优先级，将其输出到控制回路。SCS具有启动和停止控制功能，能实现联锁及程序启动功能。设备联锁中设计了最高优先级指令，手动指令优先级高于自动指令，设备的启动、停止指令等相互闭锁，从而提高设备运行的安全性。在改造前的DCS控制方案中，热控系统常见跳闸导致无法运行的问题，且受到其他信号干扰较大。为此，在本次设计方案中增加了信号干扰报警器，当系统受到干扰时首先进行报警提醒，不会立即跳闸，仍保持正常运行状态，由操作人员对其进行处理，有效提高系统运行的可靠性[3]。

2.3 DEH系统改造设计

在数字式电气液压控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）改造设计方案中，设备控制模式设计为电液切换，保留原有的液压系统，在其基础上增加电液调节系统。电液调节系统能与液压调节系统相互跟踪，互为备用。当一套系统出现问题后，另一套系统能迅速启动实现无缝衔接。在外围系统中，本次设计方案增加了挂闸油压检测系统，保留原有的同步器和油动机形成检测系统，在其基础上进行优化设计。从外围检测点到电液控制系统的线缆要重新铺设，并增加对线缆的抗干扰处理，从而提高系统抗干扰能力。

2.4 BMS系统改造设计

在本次DCS系统改造设计方案中，电池管理系统（Battery Management System，BMS）的主要功能是对程控点火、汽包水位保护的控制。燃烧器在远程控制状态下设计了4种不同的操作模式，即手动操作、单控操作、对控操作及层控操作。汽包水位保护系统通过压力进行补充，同时连接到灭火装置中，利用灭火保护装置对水位进行防护，从而提升系统运行的安全性[4]。

2.5 系统连接改造设计

在系统连接改造设计中，SCS系统依据反馈信号与設计信号相互分离的基本理念，将炉侧转机的原始控制线缆从炉侧调整到中间转接柜，当作和SCS控制柜的中间转接，对反馈信号线缆进行重新铺设，并在线缆中做好屏蔽保护措施，提高线缆抗干扰能力。炉侧的电动门从电动抽屉柜中铺设到SCS控制柜中，一次风选线和二次风选线电控系统的继电器全部去除，设计为单独的控制回路。DCS系统和一次设备的连接设计中，电动门开关和位置反馈信号不采用原有的开关节点直接和I/O板相连，而是在设计改造方案中增加中间继电器。反馈到DCS系统中的信号线缆设计为与控制线缆分离的方式。外围设备线缆接入DCS的I/O控制柜中，单端接地、传送模拟量检测信号设计为分线屏蔽。引风机、送风机及给水泵等系统的转机启动、停止状态反馈分别接入断路器的辅助接点中，针对控制机的转机反馈设计增加360 V中间继电器，将其与原有的中间继电器相连[5]。

2.6 系统电源和地网改造设计

2.6.1 电源设计。DCS系统必须具有合理的电源才能正常运行，所以必须做好电源设计。在本次DCS系统改造设计中，利用电压380 V不同工作阶段中的同相位电路，电源输出到DCS系统的配电柜中。DCS系统配电柜中设计4台不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS），能够在全负荷状态下工作30 min。两个不同阶段的相位电源接入DEH控制柜中，通过热工交流总电源为电源到继电器提供支持，从而支持CCS系统执行使用。在对电源进行改造设计的过程中，不仅要提升电源可靠性，而且要采用冗余和分散的设计方式，将电源分散到每个机柜中，利用相对独立的电源设备，对不同电源分别进行整流和稳压处理，再利用二极管装置等进行选样处理，从而在某电源出现故障时自动切换到其他电源。切换操作要在瞬间完成，以减少DCS对I/O及RAM等硬件的冲击影响，提升热控系统的DCS运行稳定性，并有效避免多重故障。

2.6.2 地网改造设计。地网是影响DCS系统运行可靠性和安全性的重要内容。原有的地网运行保护性不足，所以需要对地网进行优化设计。在改造设计方案中，机柜之间采用铜线连接的方式，将铜线与多股铜芯相互连接，并将地线和地网相互连接，在连接点区域一定范围内不能存在大电流设备，否则会对系统运行造成影响，设计完成后系统整体接地电阻小于1.5 Ω。DCS系统地网和现场电气接地网采用共用的设计方案，能有效应对突变电磁场对系统的冲击影响，相比传统的独立接地方式更加安全可靠，同时降低了设计改造成本。

3 火电厂单元机组热控系统DCS改造设计完善内容分析

在该火电厂单元机组热控系统DCS改造完成后，将其投入正常生产运行，从而实现自动发电控制（Automation Generate Control，AGC）功能。运行一段时间后，针对DCS系统运行存在的问题，对其进行进一步完善。第一，运行一段时间后，管理人员发现DCS系统所配备的UPS可靠性不足，采用电气直流电源加逆变装置对其进行替代，提高系统运行效率。第二，在改造过程中充分考虑了改造投入，尽量以原有的仪表、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及DCS主网为基础，通过构建新的通信网络，实现和管理信息系统（Management Information System，MIS）互联。保留原有的智能巡测仪器作为DCS系统的采集前端使用，参数能在系统中显示。一些开关控制联锁采用原有PLC构建，DCS、PLC及巡测仪器共同组成新的DCS，从而降低系统改造成本，减少硬件设备及软件的改造投入，在实践改造中整体降低投入约30%，有效提升经济效益。第三，减少传统仪表和操作站数量。该火电厂的5个操作站减少到3个，并去除记录表和报警光字牌。采用DCS控制系统进行管控，减少系统运行流程，从而提高系统运行稳定性和可靠性，避免其他环节对运行过程产生干扰。

4 结语

以火电厂的单元机组热控系统DCS改造设计为例，对DCS系统的选型及系统改造设计方案进行全面阐述。改造设计方案在实际应用中取得了良好的效果，大大提升了热控系统的运行稳定性、可靠性及安全性。

参考文献：

[1]刘昊阳，孙贺，乔建平.火电厂中的单元机组集控运行的探讨[J].中国新通信，2020（1）：138.

[2]张军亮，刘龙.火力发电厂PLC系统改造为DCS研究及实践[J].仪器仪表用户，2019（5）：101-103.

[3]常龙.火电厂DCS控制系统的研究与设计[J].电力系统装备，2019（5）：40-41.

[4]赵伟，计敏焜.单元机组机侧典型模拟量控制系统DCS组态设计[J].自动化应用，2019（2）：1-4.

[5]丁晓平.现代火力发电厂单元机组集控运行的应用研究[J].电力系统装备，2021（10）：65-66.