基于DCS的火电厂系统控制方法研究

吴秉泽

中国电建集团上海电力建设有限责任公司，上海，200031

0 引言

印度尼西亚某电厂建设规模为2×50MW（净出力）高温高压燃煤机组，同步建设海水脱硫装置。采用分散控制系统（DCS）满足机组任何工况下的监控要求（包括紧急故障处理），控制站及人机接口站的中央处理器（CPU）负荷率、系统网络负荷率、分散控制系统与其他相关系统的通信负荷率、控制处理器周期、系统响应时间、事件顺序记录（SOE）分辨率、抗干扰性能、控制电源质量、GPS时钟装置等指标均需满足相关标准的要求。

在分散控制系统中，从控制器到通信网络，从供电I/0模件的电源到系统电源所采用的冗余配置都是完全独立的，且能做到无扰切换；若分散控制系统配设的服务器采用的结构模式为B/S或是C/S，选取的为冗余配置，那么无论是服务器切换，还是供电电源切换，同样应做到无扰化。分散控制系统与全厂信息系统大区之间设置横向单向安全隔离装置[1]。

自功能层面上划分DCS系统为如下子系统：DAS（数据采集）、MCS（模拟量管控）、FSSS（炉膛安全监控）、ECS（用电监控）、BPC（旁路控制）、SCS（顺序控制）、FGD_DCS（脱硫控制）、ETS（汽机急跳闸）、DEH（汽机电液控制）、循环水泵房、化学加药、汽水分析、除渣子系统、燃油泵房控制子系统等等，除了上述子系统外，DCS系统的组成部件还包括各种控制接口、组态及画面编制软件与编制工具等。

1 数据通信子系统

数据通信子系统为系统的高效通信提供了有力的保障，它将系统外设、系统的处理单元（分散在系统各个角落中）与处理系统有效地连接在一起。DCS控制网络应安全、可靠、高效，在网络里为任意两个设备间的通信创设丰富的路径，这样即便发生单点故障，乃至是多点故障，也不会影响到通信的稳定进行；采用全光纤或UTP通信线缆，以提高系统通信中的抗电磁干扰能力，且网络设备采用管理型交换机；工作站或控制器与交换机间通信速率不低于100Mbps，交换机与交换机间通信速率不低于100Mbps。

1.1 DCS通信接口

DCS若想和其他控制系统进行便捷、高效的通信，就必须有通信接口。全部通信接口被内置到DPU（分散处理单元）中，或是将通信接口独立挂于数据高速公路上，让其担负起多功能网关的功能。如果通信接口被用来监控通信过程，就应是双向的冗余配置。无论何种情形，冗余接口都应一起运行，任一接口发生通信故障均不应对过程监控产生影响。经通信接口接收的全部数据都应能在控制系统里被捕获到，而且不限制捕获的具体位置，同时还应能显示在操作员站与报表记录中，能进行自动报警。DCS和其他控制系统进行通信时，同样要做到可靠、快速[2]。

DCS通信接口对所连设备的工作状态还负有监视报告的责任，也即过程监管。DCS应经通信接口捕获与其相连的其他控制系统中发生的故障信息、采取的诊断信息，诊断信息产生于标准自诊程序，存在于微机控制系统里。一旦相连的控制系统出现了故障，操作人员就能经操作员站显示的工况信息获知。通信接口还应具备计算功能、逻辑功能，并能为DCS实现所有功能提供所需的数据。需要指出的是，传输控制系统信号不但可借助通信接口实现，还可经硬接线直接传输。

1.2 DCS与全厂信息系统（IMS）通信接口

DCS和IMS之间布设着一套完整的接口，含接口站、通信电缆、接口卡、软件包、数据库、驱动程序以及操作系统。

IMS接口站需要单独设置，可将全部的DCS数据点发送到IMS系统中。和IMS系统相接，不会造成DCS性能的下降，也不会因为IMS故障影响到DCS的正常运转。以传输速率作为参数指标，IMS接口模拟量每秒最低应能传输12000个点的数据、25000个点的数字。单个点所应包含的信息必须有点的数值、标志号、时间标签以及描述等等。IMS接口机不能直接接入DCS以太网，必须通过硬件防火墙才能和DCS以太网连接[3]。

日投喂量以吃饱、吃完、不留残饵为原则，一般为池虾、蟹体重的4.0%～5.0%，可根据虾、蟹的吃食情况进行调整。每天投喂2次，早晨和傍晚各1次，晚上投喂量占日投喂量的70.0%～80.0%。

2 数据采集系统（DAS）

DAS要能对全部和机组相关的测点信号、设备的具体状态信号进行连续采集、持续处理，这样才能将运行信息及时提供给操作人员，保证机组运行的安全性和经济性。机组工况一旦出现异常，会马上报警，借此让机组对应的可利用率得以提升。

DAS必须具备如下四项基本功能：①显示：含对模拟图、操作、成组、棒状图以及报警等相关信息的显示；②记录：含定期记录、跳闸、事故追溯与事故顺序等相关信息的记录；③存储数据与数据检索；④性能计算。

2.1 DAS显示

显示功能应能做到滚动显示以及多窗口一起显示，还能在菜单驱动下对外显示、显示缩放图像等。原则上应按层显示，比如按区域显示、据概貌显示、按功能组进行显示等等。分层显示是基于工艺过程、运行要求所确定的，分层显示的目的在于方便查看细节信息，方便分析特定工况。经由分层显示中的快捷切换模式，运行人员就不需耗费大量的时间和精力用来记忆切换步骤[4]。

DAS能将DCS中的全部过程点显示出来，从输入输出模拟量到输入输出数字量再到计算值以及中间变量等均能显示出来。显示的所有过程点都应包含如下信息：标志号、工程单位、数值、高低限值、说明、性质等等。在DCS模拟画面或表格显示中，可显示电气送入DCS系统的所有信号，包括保护动作、装置报警、开关状态、电流、电压、电度量、功率等。

2.2 锅炉超温统计

按照运行规程与事故处理规程，对运行状态下机组与设备的超温状况做好统计与编制，经LED显示器以图像、文字形式对外显示。超温统计必须考虑的工况情形最少有如下三种：起动、机组跳闸、正常运行。

从功能上看，超温统计需具备如下四点：①对锅炉各点处的金属温度以及温度和限值之间的偏差进行计算，在超温状况下还应对超温时间进行累计；②对锅炉各点处金属的实际温度值予以提供，显示温度偏差值，并具备打印功能；③对各班次的超温次数进行统计，包含单次持续时长，同时提供显示、打印功能；④对超温统计进行全程在线计算，计算精度要在0.1%以上。另外，在LED上显示热工自动投入情况，自动计算投入率[5]。

3 模拟量控制系统（MCS）

MCS的主要组成部件为微处理器，由微处理器所组成的子系统调控各个单元机组和相关的辅机系统。其中的“锅炉-汽轮机-发电机”被视作整体单元，对其予以一起管控，借此管控模式，锅炉、汽轮机就能对控制要求作出同步态的响应，保证了机组的稳定、高效运转，即便负荷处于变化中，机组也能稳定运转。将控制系统划分成数量不等的子系统，对子系统进行设计时，“独立完整”是必须遵守的基本原则，借此保证信息在通信总线上以最少的量进行交换。经由冗余控制系统，最小化局部故障给机组整体造成的影响。借助联锁保护，控制系统有效避免了危险动作、预防了系统性错误。安全工况条件下，联锁保护使得锅炉及其辅机能够高度灵活地进行运行维护、校正调验、试验验证作业[6]。

3.1 锅炉-汽机协调控制

（1）阀门开度固定。保持汽机阀门于特定位置，伴随负荷的上升，蒸汽压力随之升高，一旦达到85%的额定值，系统就会处于定压运行状态，若想继续加大负荷，汽机阀门也必须增大。

（2）阀门开度固定且调节空间处于±10%之间。压力加大，负荷上升至85%时，若想让机组能对负荷的波动做出继续响应，并能保证频率稳定，汽机阀门应该有±10%的可调空间。

（3）程序处理。低负荷（负荷在25%及以下水平）运行情况下，通过对汽机阀门进行调节，满足负荷要求。负荷需求再次升高时，就到达滑压运行状态。伴随压力的增加，负荷上升。汽机阀门在±10%的调整空间，对负荷的波动做出响应，保持频率稳定。负荷一旦达到85%，机组运行就会切换到定压模式。

3.2 锅炉控制

锅炉控制系统同样包含了数目不等的子系统，子系统要在协调状态下运行，运行的主要特征可以概括为：前馈，并能让锅炉在安全、稳定状态下快速而且灵敏地运作，这样无论什么样的工况，都有负荷所需的电量产生。锅炉控制系统也应和FSSS系统互为协调，借此为锅炉的安全稳定运行提供更好的保证。

设计锅炉控制系统需要对高温高压锅炉的动态特征、工艺流程予以充分认识，进行深入研究，在锅炉生产商所提供的资料基础上，与设计方的已有经验结合，而后展开设计。在协调转化负荷指令的基础上，控制燃料的量与进风量。

3.3 其他控制系统

其他控制系统大约有40多个，均为单回路管控，比如除氧器的压力与水位管控系统、汽轮发电机中的油温与润滑控制系统、凝汽器中控制热井水位的系统、汽机EH液温度控制、液位控制等。

4 锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）

FSSS是DCS的重要组成，可被进一步分解为BCS（燃烧器管控系统）与FSS（燃料安全管控系统），此外还有和其他控制系统之间的接口，能对机组整体运行的工况信息、运行指令予以接收传送。FSSS所有控制和连锁应与锅炉的控制和连锁相协调。

4.1 BCS功能

①持续监视油、煤燃烧器的点火、切除以及投运状态。②选择适合电厂的自动化设备，设备选择的基本要求为操作灵活、最少有两级水平，技术尽可能新。③于不同运行方式（高一级、次一级的自动运行和手操运行）下，对监视以及联锁功能予以进一步的完善，含监视燃烧器的火焰。④吹扫时、点燃燃烧器时、负荷条件下的运行中，对风箱挡板的具体位置进行管控，满足二次风的分配要求。⑤具有磨煤机、给煤机、密封风机、火检冷却风机等设备相关控制功能。⑥FCB出现时，要将磨煤机马上切除，待到锅炉负荷下降到最低稳燃状态，事故发生的可能彻底消除时，再启动运转。

4.2 FSS功能

4.2.1 炉膛吹扫

MFT出现后，要充分吹扫炉膛里与烟道中的可燃混合物，为重新点燃燃料做好准备。程序中设定的吹扫时间应该可调，注意泄漏试验是吹扫程序的一部分。

4.2.2 燃料油系统泄漏试验

吹扫炉膛时，子系统应开始进行泄漏试验，试验目的为判定油系统不同组成部分间是否严密相接，比如：关断阀是否处于密闭状态，一旦发现了泄漏要马上锁定原因。吹扫完成前，泄漏试验也必须成功完成。

4.2.3 燃料跳闸

燃料跳闸要设置多层管控，借此保证停运的设备尽可能地少，降低安全风险，最小化不安全工况问题的发生。燃料跳闸有如下三种具体的情形：MFT（总燃料）、磨煤机与油燃料三类跳闸。MFT情形下，要将所有输送到锅炉中的燃料切断。

5 电气监控

电气系统主要监控如下子系统的运转：发电机出口500kV断路器、起备变断路器及隔离开关、发电机与变压器机组、用电系统（含6.3kV的高压用电与400V的低压用电）、励磁系统、电源系统（保安部分的），以及如下组成部件：接触器、变压器以及短路、柴油发电机组以及ATS（厂用电自切换设备）等等。除了监控上述子系统和组成部件，同时还监测直流系统、UPS、主厂房所布设的离相封闭母线等等。监控的主要内容含元器件的状态与信号、联锁及部分设备的具体温度等[7]。

5.1 发电机控制

“发电机与变压器机组”的监控同样在DCS中进行，断路器与AYR（即励磁系统）也属于本管控系统。启动时，要一并做完自准同期合闸动作，借助LED显示器以及鼠标操作进行控制。

发电机启动的过程中，如果转速超过了规定值，则参照如下程序进行：①投入励磁系统，予以确认；②对AVR有无故障以及其运行方式进行确认；③经AVR将发电机电压调整到规定数值；④对励磁电流以及空载电压有无处于正常范围进行核对确认；⑤对断路器有无故障进行确认；⑥对自准同期设备有无故障进行确认，判定是否具备对应条件；⑦DCS将同期电压命令发送给自准同期设备，收到命令后，自准同期设备和同期电压相接，而后DCS将同期启动命令发送给待发电机，命令经待发点击到达自准同期设备，设备因而带电，并将自调频、自调压相关的信号发送给DEH和D-AVR，一旦频率与电压达到了同期和并网的条件，装置就将接点传送给断路器，让其合闸，通过DEH自动调节使发电机带初负荷[8]。

5.2 断路器控制

发电机并网停机时，要控制150kV断路器。此外，机组停运时，要判定闭锁条件（比如：无保护动作，无其他异常，能满足安全联锁、防误联锁的条件）后再对断路器进行操作。

6 结语

本工程根据工艺设备情况，还设置了机组快速甩负荷（FCB）功能，具有成熟、先进、安全、可靠的FCB控制逻辑及人机界面。运行期间，DCS可利用率不低于99.9%，保证了电厂的可靠运行，后续还将对DCS进行升级，达到更好的运行性能。