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睿渥DCS系统在300MW机组中的改造技术应用

2022/9/23    来源:《自动化应用》2022年第02期    作者:张鑫      
关键字:DCS  系统改造  
某厂2×300MW机组中炉本体为东方锅炉股份有限公司生产的亚临界自然循环汽包炉,汽轮机为东方汽轮机厂生产的亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、直接空冷供热凝汽式汽轮机。运行十四年间,DCS控制系统的硬件、软件都未进行较大规模的更新,导致近两年内 DCS系统的控制器及卡件等设备呈 现出比较明显的老化严重问题等相关方面的问题,在具体的应用过程中,很可能出现不同程度的故障或者安全隐患,因此需要高度重视其优化和完善基础设施的更新和优化匹配,这样才能为该设备安全稳定的运行提供必要的支持。睿渥DCS系统的改造项目不仅提升了机组的控制水平,还进一步改善其控制性能。该系统具有独立的实时/历史数据库,能实现生产管理者远程实时监视,生产一线的热工检修人员在线修改逻辑等功能,充分发挥系统的优越性,提升了整厂的工作效率。
    0 引言
       分散控制系统(DistributedControlSystem,以下简称为 DCS)是发电企业控制系统的核心。某厂2×300MW机组DCS系统于2007年投运至今已有14年。由于电子元件老化严重,卡件、上位机、网络系统故障频发。内蒙电科院技术监督检查提出:机组控制系统已超设计 寿命运行,DCS系统在模拟量、开关量扫描周期、DEH转速控制回路工作周期、历史数据记录精度等低于标准要求。通过系统改造使机组长周期稳定运行,历史数据调阅更可靠,增加系统扩展功能,降低控制网络故障率,降低系统出现软件错误及硬件老化造成非停故障的可能性。帮助某厂降低设备安全风险,提升系统整体的运行性能,提高控制先进性与优化技术接入的优势[1]。
    1 DCS系统改造计划分析
       1.1 DCS系统改造项目背景
       某厂2×300MW机组#1、#2机组分别于2007年、 2008年投产,主控DCS及DEH系统采 用上海FOXBOROI/Aseries分散控制系统,辅控系统大部分为PLC系统,脱硫系统为上海FOXBOROI/Aseries分散控制系统。#1机组、#2机组共用一座集中控制楼,采用炉、机、电单元控制方式。锅炉、汽机、发变组及厂用电等系统均实现DCS监控[2]。
       1.2 DCS系统改造范围
       #1、2机组原DCS系统采用全新的DCS控制系统进行全面改造,整体更换DCS系统全部硬 件包括控制器、卡件、工作站及网络设备等设备。辅网PLC控制系统进行DCS系统改造,满足辅网集控的要求。DCS改造2021年已完成#2机组及公用系统DCS改造,2022年#1机组正处于改造阶段。
    2 DCS的硬件与软件设计及特点
        2.1 2×300MW机组DCS工程设计简介
       近年来以 DCS、DEH 为代表的控制系统硬件老化问题日渐严重,近几年因DCS硬件故障导致机组跳闸的电厂所使用的DCS大多已使用超过8年。华能集团所属电厂中DCS、DEH使用时间在11、12年的也不在少数,未知原因故障明显上升。部分电厂DCS、DEH的控制器、交换机、通信卡件等核心部件故障,控制器冗余及系统通信冗余功能丧失,都难以保证机组 DCS长期稳定运行。电厂解决系统部件的淘汰、元器件老化、处理能力限制和网络结构不可靠、提高机组安全运行可靠性等一系列问题已经是刻不容缓。
       2.2 DCS系统的硬件设计及特点
       华能睿渥HNICS-T316分散控制系统(DCS)是西安热工研究院在总结多年工业自动化研究成果及现场运行经验的基础上,与南瑞继保、中国电子等单位联合开发,于2020年推出的全国产化DCS系统。
       2.2.1 电源装置
       睿渥 DCS系统电源模块具有88~265V AC/DC宽电压自适应,电源故障实时监视功能,典型电源配置为 N+1冗余方式。由于每个电源模件都是隔离的,可分别提供系统电源和回路电源。
       2.2.2 网络及总线
       睿渥DCS系统采用比之更先进的以太网通信系统,改造后的快速以太网,总线上可挂站点增加,传输介质为超5类双绞线和光缆,当采用超5类双绞线超五类双绞线时,站到交换机的距离为100m,当采用多模光缆时, 站到交换机的距离为2km
       控制器、卡件所常用DCS系统目前采用的PCI总线方式,所有的IO卡件都通过冗余PCI总线与控制器通信。IO采集卡与接线端子集成,每个柜子中都有接线。一个控制器最多可以带2个PCI总线,一个 PCI总线最多可以带8个分支,每个柜子布以4个分支(即前后共4 列,每列8块)的模式布置。
       2.2.3 控制器及模件的特点
       睿渥 DCS系统的控制器特点是控制器全冗余设计,FCP100控制器是HNICS-T316控制系统中负责数据集中处理、逻辑运算以及指令响应的控制单元,其特点有:采用高性能SOC处理器进行信号处理,支持控制器之间冗余、供电之间冗余、IO网络之间的冗余、监控后台及网络的冗余。并采用飞腾四核高性能工业级处理器,100%全国产化软、硬件。其操作系统实现了大容量、高精度的实时信息处理,并自带控制器IP显示及设置,取消了拨码功能,且支持远程IO星型组网。
       睿渥 DCS系统的I/O模件特点是高速确定性网络,避免网络拥堵,双总线进一步提高通信可靠性。流线型外观,模块配置色卡及防误锁,方便现场维护。电子熔断,无熔断丝,自恢复强电误接防护功能。国产高性能处理器,实现“ms”级以下I/O实时信息处理。根据安装位置自适应模块地址,避免手动设置带来的错误,远程站地址设置取消拨码。输出类模块支持故障安全,将系统异常对生产的影响降到最低,IO模块可配置“保持/安全” 模式,其中“保持”模式表示IO与控制器通信中断时保持上一时刻正常接收的值,“安全”模式表示通信中断时通 道输出值为“安全值”参数所配置的值,安全值即输出量程范围的百分比。并支持ECC(读写校验)功能,进一步提高运行数据可靠性。
       2.3 DCS系统的软件设计及特点
       睿渥 DCS系统的软件设计在操作权限及资源权限方面实现了双重保护,并且实现了控制器及IO的离线及在线硬件组态、软件组态及运行调试,以及向导形式的层次化硬、件组态。             2.3.1 逻辑组态
       在组态逻辑中是按节点、分支、模块层次结构组织分布,从而简化组态过程。测点增加了品质、索引、告警等内容,方便测点信息汇总及统一管理。兼容不同版本的IO可同时存在,使扩展升级时对现有运行系统的影响降到最低。还有在线模块诊断功能,异常逐层汇总,方便快 速定位和排查。直观的FBD组态,支持手动、自动调整 模块执行顺序,满足特殊算法对时序的要求。算法块可支持强制,方便逻辑调试。并且支持品质传递,方便快速了解信号异常所影响的逻辑。可支持引脚隐藏图形重绘,优化页面布局。支持连接线调整,进一步提高程序可读性及美观程度。还内嵌中英文帮助,减少查阅联机帮助说明,提升工作效率。在组态编辑页面中,在线状态颜色决策,开关量呈虚线(0绿,1红),模拟量呈实线;正常绿色,强制紫色,异常红色,这样减少了编程人员在编辑、 查看逻辑组态时产生错误的判断。
        2.3.2 报警趋势及系统网络实时诊断特点
       在趋势画面中可多曲线显示,快速准确查询事故记录,还可显示时间段内最大、最小、均值、变化速率,便于过程数据分析。报警记录特点是可记录所有的工艺报警信息、SOE信息、系统报警信息、操作员操作记录信息和维护记录信息等的强大功能。诊断工具的运行过程中可 以结合系统的运行情况以及节点的具体状态;而自动化 地生成相对应的网络拓扑图,例如,自动生成包含DPU和HMI节点的网络拓扑图,并实时显示节点的通信状态和诊断信息。为了快速查看系统状态,定位问题提供了方便的手段。
    3 经济效益
       通过对2×300MW机组DCS系统改造,全厂整体自动化水平能得以明显提升,在多个方面能带来明显的效益。在更换改造后能明显降低DCS系统每年的维护费用,减少主机DCS以及各类辅助PLC的备品备件的购买费用,每年可以为电厂节约近70万元。整体更换改造能提高DCS系统的稳定性与可靠性,若此次机组大修不进行改造,未来则可能会发生由于DCS原因导致的非停事故。改造后全年能减少机组非停次数1~2次,同时也可以更有效地节省机组的启动费用,仅从节约机组启动费用一项,每年可以为电厂节约70万元。且控制系统整体更换改造后整体控制品质能得以提高,主汽压力、主汽温度以及机组负荷等波动范围能得以缩小,控制精度提高,能提高机组效率,减少一定的发电煤耗[3]。
        DCS系统整体更换改造后功率波动变小,负荷响应速度加快,一次调频、AGC等响应速度得以提高,既能满足网调对一次调频、AGC的控制需求,又能避免网调对一次调频、AGC等的考核,相对一年能节约费用近30万元。调节品质的提高、氧量、风量、风压等良好控制,既能较少燃料量的波动,又能保证锅炉炉膛燃烧温度,提高锅炉燃烧的稳定性,提高煤粉燃烬率,降低锅炉飞灰含碳量。煤耗的降低有助减少燃料型NOx的生成,炉膛温度平稳又有助于降低热力型NOx的生成。此项设计将提升自动化水平,降低运行工作量,降低运行人员工作强 度。有利于运行人员得以休整和调配,提高工作效率、降低运行风险。
     4 案例分析
        本文中所列举的另一个案例是包头一电厂#1、#2机组,该机组已经运行了整整14年,DCS系统出现了比较明显的老化问题,处于超龄运行的状态。因此在对其进行优化和完善的过程中,要充分体现出应用的改造和转型升级的效果,对其进行严格细致的检测,着重做好切实的更新和完善。通过具体调研可以看到该系统的基本组成部分主要包括电子元器件等,在具体的应用过程中结合电子元器件的相关特性和规律,在初次上电10年后则会到达故障的频发期。经过多年的运行,IO卡件已经有比较明显的老化问题,卡件电子元件老化失效、电路板损坏等相关问题十分严重,对于整个机组的安全运行和综合效能的体现都会造成十分严重的影响,甚至对于电厂的经济效益和社会效益的提升都会造成十分严重的负面影响,极有可能导致不同程度的安全事故或者风险事件,因此在这样的情况下需要对其进行及时有效的改造优化和完善等工作。
        目前来看,通过对#1、#2机组DCS控制系统进行调查、统计分析,包头一电厂#1、#2机组的DCS控制系统存在如下问题:系统运行时间长,DCS控制设备老化情况严重,备品备件采购困难。这些年来,所有的DCS厂家,无论是ABB、新华控制系统还是FOXBORO控制系 统,在科学技术不断发展和优化的背景之下,生产加工能力得到显著提升,在实践的过程中进一步有效推行全新的技术和全新的系统以及模式等等,在这种情况下需要针对此类老系统进行不断的优化和完善进行替代或者更新,通过具体调研可以看到,该案例中用的DCS控制器、 IO卡件、工作站同数据通信卡件,从某种程度上来说,都是比较典型的被淘汰产品,商家对其已经不再生产后续部件,不能获得相对应的技术支持,也没有产品的备件等等,因此相关问题往往无法得到及时有效的解决,使整个系统的运行质量,运行效率都受到严重影响,甚至可能出现比较严重的系统故障或者安全隐患。因此要对其进行切实有效的优化和完善,使其综合效能得到更充分的体现,在具体的改造升级的过程中实施300MW机组DCS系统改造,这样可以呈现出更为显著的优势和应用价值,通过具体的经济效益对比和运行效率的检测可以看出:这样的操作方法可以呈现出更为显著的应用价值,使机组的运行质量可以得到显著提升,在及时更换新闻设备和系统改造的过程中,体现出综合性的应用价值。
       从该电厂的CP控制老化原因调查和分析的过程中可以看到,共有6块CP都有不同程度的问题或者故障,13块机柜24伏电源帯载能力下降,8台交换机有比较严重的网络拥堵等相关方面的问题,在具体的运行过程中, 甚至可能导致整个机组出现停机等相关问题产生,因此在其进行运行的过程中,往往存在比较典型的逻辑未知原因的故障或者问题等等,对其性能会造成十分严重的损害,厂家对其也没有明确具体原因或者根据原因,进而使其有比较典型的带病运行的问题,#1机组空冷CP在运行中主副控自动切换不成功,导致机组非计划停运。系统的扩展性不能得到显著提升,因此对其进行相对应 的机组改造,转型升级的系统,不断地更新完善,进一步有效加强,这样才能使其控制水平得到显著提升,确保没进DCS的系统逐步改入DCS,使端子柜和模件柜原有的备用通道得到更有效的应用,在更大程度上提升其空间容量。PLC系统在具体的运行过程中也要得到相对应的转型升级和更新换代,确保相对应的备件备品能够进行 有效购买,进而在辅助设备方面也进一步优化和完善,注重做好具体的维护保养等相关工作,以此在更大程度上有效防范可能出现的安全事故或者质量隐患,确保原有的控制系统,在初始设计方面符合相对应的转型升级和改造优化的要求,进而避免或者防范可能出现的安全问 题或者隐患。
       原控制系统很多初始设计无法满足华能集团技术监督和重大事故预防反措要求。如机组主辅机保护测点冗余度不够,保护测点不够分散等问题,给机组带来一定的安全隐患,不进行彻底的DCS改造,很难纠正此类的隐患。
        #1、2机组原DCS系统采用全新的DCS控制系统进行全面细致的改造和优化升级,在整体层面对于整个系统的软件硬件都进行了更加全面细致的更换和升级,硬件包括控制器、卡件、工作站、网络设备等设 备。辅网PLC控制系统进行DCS系统改造,满足辅网集控的要求。DCS改造计划2021年完成#2机组及公用系统DCS改造,2022完成#1机组DCS改造。投资估算及效益分析项目总投资1655万元,2021年投资预算1000万元,2022年资金预算655万元。热工DCS系统整体改造和更换可以在更大程度上提升系统的安全性、稳定性,实际运行效能和质量得到显著提升,同时也确保机组运行更加安全可靠,以此防范系统故障而导致的非停事故等相关现象。
    5 结论
       本文以某厂2×300MW机组DCS系统为研究项目,介绍了电厂DCS系统改造中的现实需求,分析了DCS系统改造中的硬件、软件设计思路,完成了用睿渥DCS系统代替原DCS系统,使全厂整体自动化水平得以明显提升,燃烧稳定性提高,能降低电厂粉尘排放,降低氮氧化物生成量,减少大气污染物的排放,实现了节能降耗、绿色能源的目标,同时针对电厂管控一体化的需求,为企业提供了共享的数据平台,从而保障了机组的安全运行。
       参考文献
       [1]张剑峰.达旗电厂#3号机组DCS系统升级改造研究 [D].北京:华北电力大学.
       [2]胡君杰.戚墅堰发电有限公司395MW机组DCS系统改造设计[D].扬州:扬州大学,2021.
       [3]刘婕,崔瑞廷.呼和浩特热电厂#1、#2火电机组DCS改造可行性研究[J].科学导报,2015(12):171-173. 130
       作者简介
       张鑫(1988—),男,内蒙古包头人,本科,工程师,主要从事火力发电厂热控自动装置检修方面工作。

        来源:《自动化应用》2022年第02期
责任编辑:杨培
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