摘 要：本文針對火力發(fā)電中DCS設計、安裝、操作、管理、維護等方面的應用情況，例舉了應用中出現(xiàn)的有代表性的問題并提出解決對策，試圖提供有益的借鑒，提高DCS應用水平，從而提高發(fā)電機組的安全性和經濟性。 關鍵詞：DCS 火力發(fā)電 安全性 經濟性 0 前言 分散控制系統(tǒng)（DCS）于上世紀七十年代問世，經過三十年的應用、發(fā)展和完善，在工業(yè)過程控制領域占據了舉足輕重的地位。我國自上世紀八十年代中后期在成套引進發(fā)電機組上應用DCS以來，絕大多數(shù)發(fā)電企業(yè)尤其是大機組的生產過程控制，均采用了各型進口或國產DCS，為電力生產的安全、經濟運行作出了很大貢獻。 1 存在問題和解決方法 雖然DCS采用先進技術，功能強大，但實際應用中，包括設計、安裝、操作、管理和維護等環(huán)節(jié)，還存在諸多問題。 資料顯示，由于DCS（包括DEH）原因引起熱控保護誤動而造成的機組跳閘在全部熱控保護誤動中占很大比例，且隨著DCS大量應用有逐漸增長之勢。如我省100 MW以上機組2001年共發(fā)生熱控保護誤動41次，其中DCS原因為19次，占熱控保護誤動總數(shù)的46.3％；2002年在統(tǒng)計的24次熱控保護誤動造成機組跳閘中，DCS原因為13次，占熱控保護誤動總數(shù)的54.2%；2003年在統(tǒng)計的44次熱控保護誤動造成機組跳閘中，DCS原因為25次，占熱控保護誤動總數(shù)的56.8%。 當前電力供應緊張，分析并解決DCS在應用中出現(xiàn)的各種問題對于保障機組安全、經濟運行尤為重要。以下結合實例試進行探討，希望能提供有益的借鑒。 1．1 DCS本身原因 1．1．1 早些投產而沒有經過升級改造的DCS功能不完善，有些DCS供應商或協(xié)作商或被兼并，或某型號停產而無法繼續(xù)提供備件，造成DCS個別設備不可控或局部失效，這種情況必須進行系統(tǒng)升級或進行技術改造。 1．1．2 DCS設備（包括配套設備）存在質量問題。 1．1．2．1 硬件質量問題 某300MW機組，正常運行中發(fā)電機出口開關、勵磁開關跳閘，“調節(jié)器A柜退出運行”、“調節(jié)器B柜退出運行”報警信號發(fā)出，機組解列。對ECS檢查試驗，發(fā)現(xiàn)控制A、B柜調節(jié)器的主控制器離線，與之冗余的控制器重啟。分析發(fā)現(xiàn)控制器主板晶振存在問題，聯(lián)系制造廠予以全部免費更換。 要重視DCS的FAT工廠測試，派有經驗的技術人員參與DCS出廠的性能測試和驗收，爭取及早發(fā)現(xiàn)并解決問題，盡量避免在運行中發(fā)生問題。 再如某300MW機組，運行中所有磨煤機跳閘，MFT動作，機組跳閘。分析發(fā)現(xiàn)故障原因是DCS選用集線器上的總通訊板故障，導致與其通信的所有控制器同時切換至備用。切換過程中，F(xiàn)SSS功能三個控制器誤發(fā)磨煤機跳閘信號，后用CISCO集線器更換。 對于DCS供應商在配套設備上的選型應提出要求或者規(guī)定產品型號，避免采用即將淘汰或非主流產品。 1．1．2．2 軟件問題 軟件故障一般較難發(fā)現(xiàn)，但軟件引起的問題如果不能及時發(fā)現(xiàn)，不僅會影響系統(tǒng)的工作，甚至會導致系統(tǒng)的癱瘓。 某350MW機組，正常運行時9個控制器依次發(fā)NTP報警，在此后的七個半小時內，相繼因控制器離線造成三臺磨煤機跳閘和一臺引風機動葉關閉。經分析，是系統(tǒng)時鐘偏差積累到一定程度后導致主、備時鐘不同步，引起系統(tǒng)時鐘紊亂，最終導致控制器離線，從而導致整個控制系統(tǒng)癱瘓。找制造商將軟件升級后正常。 某200MW機組DCS采用UNIX操作系統(tǒng)，每臺操作員站運行一段時間后都會發(fā)生因資源耗盡而死機，必須定期檢查系統(tǒng)資源，定期重啟操作員站主機，影響機組正常運行。檢查發(fā)現(xiàn)內存資源計數(shù)器不能自行復位，由DCS供應商為升級應用程序后正常。 任何軟件即使經過測試也非常有可能存在各種BUG，據統(tǒng)計,初次編出的軟件平均每100-4000條指令就會出現(xiàn)一個錯誤，這些錯誤需要在調試、試運,甚至到運行時才能陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和改正。在平時的運行維護中，要仔細檢查記錄并分析DCS相關的各種異常和缺陷，發(fā)現(xiàn)與軟件相關的問題后立即與供應商取得聯(lián)系，將情況反饋并加以解決。 1．2 安裝原因 DCS進行安裝時沒有嚴格按規(guī)程要求進行，技術上有漏洞，特別是系統(tǒng)接地、電纜（信號電纜和通訊電纜）敷設方面。 1．2．1 系統(tǒng)接地不好造成設備損壞 某熱電廠DCS在6月投用，夏季兩次由于打雷損壞數(shù)塊I/O模件端子板。檢查電源系統(tǒng)均正常，后測量DCS接地電阻，發(fā)現(xiàn)比調試時的記錄數(shù)據大很多，再檢查發(fā)現(xiàn)DCS接地至電氣接地網的接線螺絲由于安裝問題造成松動，處理后正常。 要重視安裝驗收評審工作，在按要求完成各項安裝指標測試和驗評的同時，作好技術數(shù)據的記錄、整理、歸檔便于以后分析對比。在目前用電緊張的情況下，很多項目在趕進度，更要抓好安裝質量。 1．2．2 電纜引入干擾 某200MW機組鍋爐采用煤粉濃度作為熱量調節(jié)反饋信號，DCS改造后發(fā)現(xiàn)煤粉濃度信號有高頻干擾，造成給粉機自動調節(jié)不穩(wěn)定，影響機組安全經濟運行。經檢查發(fā)現(xiàn)煤粉溫度熱電偶補償導線沒有使用屏蔽電纜，且與給粉機變頻器電纜并行。后在小修中使用數(shù)采裝置集中采集，用數(shù)字通訊方式通過屏蔽雙絞線傳輸信號，改變走向，徹底消除了干擾。 很多機組控制系統(tǒng)是改造為DCS的，對DCS出現(xiàn)的異常情況應全面分析，不能忽視外圍設備的影響。 1．3 DCS設計應用原因 1．3．1 由于歷史原因，某些系統(tǒng)設計僅用來替代常規(guī)儀表，資金投入少，難以發(fā)揮DCS技術優(yōu)勢，使機組安全性水平不高。 某200MW機組DCS改造時因節(jié)約資金選用現(xiàn)場I/O，鍋爐所有閥門電動裝置接至遠程I/O柜。由于一味考慮成本，結果選用的遠程I/O無法實現(xiàn)主控制器故障冗余切換，使得鍋爐電動閥門在單個控制器故障或控制器切換時無法操作，存在較大安全隱患，必須花更多的資金來改造。 在選擇DCS時，不但要考察DCS軟硬件技術水平的先進性，更要考察系統(tǒng)配置的可靠性，努力使其滿足機組安全運行的條件。 1．3．2 對DCS不熟悉造成設計配置上的不合理 如后備手操，一般DCS后備手操的配置有以下幾種（見圖1 ）： （1） 在操作員站上進行手動操作，要求操作員站、通信接口、主控制器、I/O模件都正常，具有一定的局限性。 （2） 用后備手操通過I/O模件進行操作，所經過的環(huán)節(jié)較少，但仍然要求I/O模件正常工作。 （3） 用后備手操直接操作，后備手操直接輸出信號去控制執(zhí)行機構，即使I/O模件發(fā)生故障仍然可以操作。 第1種為軟手操，第3種為硬手操，而2種介于兩種手操之間。重要設備應考慮后備硬手操，保證在DCS癱瘓時也能進行正常操作，必須采用第3種方式，但很多電廠采用第2種方式，并不可靠。 此外，有些DCS工程技術人員在系統(tǒng)配置，I/O分配以及邏輯組態(tài)時，沒有合理規(guī)劃，造成控制器、網絡、操作員站負荷率較高，在運行中發(fā)生通信堵塞而影響機組安全生產。 1．3．3 設計過于粗放，不切合實際，不能適應新的電力生產形勢要求，甚至影響機組可靠性和經濟性。 很多機組DCS的軟件組態(tài)包括聯(lián)鎖保護邏輯、順控邏輯以及自動控制策略照貓畫虎，生搬硬抄。由于設備情況、人員配置、運行方式等方面的差異，往往需要結合實際情況對控制思想和組態(tài)進行修改和優(yōu)化。這種情況在采用進口DCS對國產機組改造時較為突出。目前DCS設計特別是機組的監(jiān)控邏輯一般由DCS供應商來完成，技術上更要嚴格把關。 1．3．3．1 機組保護邏輯設計組態(tài)存在隱患 某300MW機組運行帶70%ECR負荷，由于爐內燃燒工況不穩(wěn)定運行人員點油槍助燃，使爐膛壓力高Ⅲ值引起MFT動作，機組跳閘。從現(xiàn)象初看為操作不當，但分析顯示：燃燒不穩(wěn)時有一臺磨煤機出現(xiàn)“層無火”而一直沒有跳閘，隨后另兩臺磨煤機也同時出現(xiàn)了嚴重燃燒不穩(wěn)“層無火”現(xiàn)象，且都沒有跳閘，使得爐膛在燃燒微弱情況下大量燃燒物聚集。當投入油槍，立即引起鍋爐爆燃，造成爐膛壓力高Ⅲ值MFT動作。 分析內部邏輯，發(fā)現(xiàn)磨煤機跳閘邏輯有一條件是“機組負荷不大于50%ECR”，亦即機組負荷大于50%ECR時是否“層無火”磨煤機都不跳閘。其次，原邏輯對相鄰磨運行的證實信號采用的是“相應給煤機的出力大于75%”，而未考慮相鄰磨運行的火檢是否正常。如果相鄰磨對應給煤機的出力大于75%且出現(xiàn)“層無火”，而給煤機仍以很高的出力運行，則極易出現(xiàn)誤判斷而發(fā)生危險。這兩種保護邏輯存在極大隱患，嚴重影響鍋爐安全運行。 對于保障機組安全運行的保護邏輯，一定要嚴格執(zhí)行安全規(guī)定進行設計組態(tài)，符合設備安全要求。在DCS設計初期以及組態(tài)時，熱控和運行技術人員應及早參與，嚴格審核保護控制邏輯設計和組態(tài)的合理性。目前電煤緊張，煤種變化較大，更要結合實際考慮周全，杜絕發(fā)生類似爆燃的事故。 1.3.3.2 在機組經濟性方面的應用需完善 隨著機組容量的增加和電能質量的提高，電網運行對發(fā)電廠的要求也在逐步提高。同時由于煤價上漲等因素，發(fā)電企業(yè)對電力生產經濟性也越來越重視。但是很多DCS在機組控制方面的設計組態(tài)還僅僅是考慮滿足自動調節(jié)品質是否符合有關規(guī)定，對在當前形勢下自動控制是否能滿足機組長期經濟運行的考慮不完善。 某200MW機組經DCS改造，雖然協(xié)調控制系統(tǒng)各子回路均滿足指標要求，AGC和一次調頻也滿足考核要求，但運行中經常發(fā)生主汽壓力波動，風煤配合欠佳，燃燒不穩(wěn)，經濟指標下降，尤其在煤種變化以及熱量擾動時。 分析其協(xié)調控制組態(tài)（見圖2），鍋爐主控指令為AGC負荷指令（或手動負荷指令）疊加主汽壓力調節(jié)指令和一次調頻校正指令，輸出至燃料控制回路，其燃料控制為典型的熱量反饋控制系統(tǒng)。而風量控制回路的指令是根據負荷指令修正的指令。當煤種發(fā)熱量變化或粉量擾動（如給粉機煤粉自流）引起熱量變化時，由于這種設計差異使燃料快速變化而風量變化不大甚至不變，引起風煤失配。雖然可用風煤交叉來限制煤粉量的快速變化，但燃料控制系統(tǒng)又滿足不了及時消除內擾的要求。 若將熱量偏差引到風量控制調節(jié)器入口（見圖3），使風煤協(xié)調一致調節(jié)，可以快速消除燃料內擾，增強自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性以提高機組運行的經濟性。 造成經濟性下降固然與很多因素有關，如工藝設備、運行調整等，但控制策略設計上的不完善也是重要因素。如何在新形勢下，不斷完善優(yōu)化DCS控制策略，提高機組控制的穩(wěn)定性，為機組運行經濟性服務是一個新課題。 1．3．4 電子設備間環(huán)境對DCS長期安全可靠運行有較大影響。 某300MW機組，DCS經常出現(xiàn)多個主控制器同時切換，診斷為交換機工作異常造成網絡堵塞，使主控單元自診程序認為自身故障而切換。后打開四臺系統(tǒng)網絡交換機，發(fā)現(xiàn)內部嚴重積灰。 某200MW機組，發(fā)生主控制器電源模件故障使主控及其通訊模件切換至備用控制器。拆下檢查電源模件發(fā)現(xiàn)線路板上已經積一層灰。該機組DCS改造后，電子間仍舊用原來的中央空調，且有的風道口對著DCS控制機柜。夏季濕度較大，極易造成DCS模件積灰損壞（該單位還曾發(fā)生夏季晚上因空調出風口冷凝水滴落到工程師站顯示器而燒壞顯示器），對DCS的安全造成極大危害。 要嚴格控制電子設備間的環(huán)境條件，包括溫度、濕度、溫度變化率、潔凈度、振動，以及電磁干擾。在保證DCS系統(tǒng)硬件環(huán)境溫度在23±2℃的基礎上，采用分體式空調加過濾換風機的配置方案比較好。采用中央空調時，出入風道的設計位應避面正對機柜或DCS其他電子設備，防止夏天冷凝水滴落到設備造成危害，同時要嚴格控制粉塵。 1．4 人員和管理因素 1．4．1 操作人員 操作不當影響機組運行的經濟性，也會引起機組出現(xiàn)異常甚至跳閘。同時，某些操作不當影響DCS硬件或軟件性能導致間接影響機組的安全經濟運行。 某300MW機組在升負荷過程中，由于再熱器溫度偏低，運行人員進行手動操作，開大再熱器風門擋板后沒有及時投入自動，便進行升負荷的啟磨操作，使再熱器管壁溫度失去控制超過580℃，30秒后產生MFT，機組跳閘。某電廠運行人員在進行操作時，誤將鍵盤上的“1”當作“4”輸入到控制系統(tǒng)中，使機組工況發(fā)生突變，最后失去控制導致機組跳閘。 某200MW機組，運行人員習慣在操作員站上打開多個設備操作窗口，造成操作員站負荷率升高，性能下降，報表不能打印，甚至死機。 在一些運行人員中存在兩種傾向。一種是過分依賴于DCS，當機組變工況運行或工況異常時，不能很好地利用改變偏置、設定值等輔助操作手段來穩(wěn)定機組運行，甚至造成機組跳閘；另一種是不信任DCS自動控制系統(tǒng)，經常手動干預。合理正確的干預是必要的，但不合理的干預卻會影響正常運行。某200MW機組運行中汽溫波動大，熱控人員做各項擾動試驗后檢查調節(jié)參數(shù)設置均正常，后發(fā)現(xiàn)運行人員一直在憑直覺手動調節(jié)備用減溫水，反而對系統(tǒng)造成擾動，使汽溫不能穩(wěn)定。 1．4．2 維護人員 某600MW機組，正常運行中發(fā)現(xiàn)負荷突降，調門關閉，主汽壓力突升，被迫手動緊急停爐，機組解列。原來熱控人員在DCS工程師站上向負責DCS與DEH通訊的PLC傳送代碼時，DCS將汽輪機閥位限制由正常運行中的120%修改為0.25%，造成汽機1～3號調門關閉。某200MW機組，運行中在線下載修改的FSSS組態(tài)代碼，造成MFT動作，機組跳閘。 DCS運行中，應盡量避免組態(tài)修改和下載代碼。必須進行系統(tǒng)組態(tài)修改并下載代碼時，要由總工批準，作好事故預想，落實各項安全措施。認真核對各可調參數(shù)修改前后的差異，必要時采取隔離措施。 很多熱控人員對DCS中出現(xiàn)的各種問題，不能進行有效的技術分析。面對海量的運行數(shù)據、系統(tǒng)信息和自診斷信息，難以發(fā)現(xiàn)、分析問題，無法及時找出原因制訂相應措施。另外，為了保證機組在各種工況下都能安全經濟運行，對DCS保護邏輯和控制策略也提出了新的要求，迫切需要不斷優(yōu)化和完善，而目前在這個環(huán)節(jié)上恰恰比較薄弱。 DCS需要高素質的操作人員和維護人員，一方面要加強對運行人員的DCS知識的培訓,提高操作水平，另一方面要加強對維護人員的培訓，提高維護技能。DCS操作維護水平受限的一個重要原因是認識上的問題，傳統(tǒng)觀念是求穩(wěn)而不求優(yōu)，只要能生產就行，這在某種程度上養(yǎng)成惰性。在新的體制和生產形勢下，觀念要不斷及時更新。 應建立并不斷完善DCS各種檢查、執(zhí)行、分析和試驗等管理制度，并細化各項要求。某200MW機組針對DCS各種設備專門建立巡檢表格，每天記錄各硬件工作狀況指示，記錄工程師站、操作員站軟件資源和進程，多次及時消除了因軟硬件故障造成的事故隱患，至今未發(fā)生因DCS原因造成機組跳閘。 2 結束語 DCS在火力發(fā)電行業(yè)普及使得機組的自動化水平躍上了新的臺階，應用中出現(xiàn)問題是正常的。但有些問題具有共性，采取適當措施可以避免。限于工作局限性，文中所舉事例不一定具有代表性，也不一定全面，歡迎指正。希望廣大DCS技術人員能加強交流和學習，取長補短，使DCS更好地為電力生產安全經濟運行服務。 參考文獻： [1]《DCS典型故障原因分析與防范對策》 作者：張魯、王利國 2003 [2]《江蘇電網大機組熱工保護動作情況分析》 作者：劉今 2003 [3]《江蘇省電力科學研究院2002/2003熱控保護可靠性分析》 作者：何育生 2002～2003 [4]《分散控制系統(tǒng)（DCS）的可靠性》 作者：劉 棟 2003