DCS系统中热工保护的合理设置研究

时间：2024-05-18

刘国华

DCS系统中热工保护的合理设置研究

刘国华

（华电电力科学研究院有限公司东北分公司，辽宁沈阳 110180）

热工保护自动化控制系统的稳定性在很大程度上影响机组的运行稳定性。热工保护控制系统可以对机组运行中的相关参数进行监控和保护，使得参数维持在稳定区间内。在实际应用中，由于系统复杂程度较高，其很容易受到影响。通过分析探究，对相关的保护控制策略进行优化，可以提升系统的稳定性。

DCS；热工保护；合理设置；优化策略

1 引言

随着社会经济的不断发展，国家对于电力的需求量不断攀升，另外对电能的稳定提出了更高的要求。目前，中国电力主要来自于燃煤电厂，火电厂运行过程中，影响发电的因素较多，很容易引发供电的稳定性。为保证火电厂的供电质量，电厂往往采取热工自动控制系统。通过自动化控制，设备的稳定性运行能力得到较大的提升。一般情况下，电厂的热工自动化控制系统主要包括检测器、执行设备及控制系统三部分组成，随着自动化控制设备和技术的不断发展，热工自动化系统中逐渐包含顺序控制、自动检测、报警与保护等相关内容。随着电厂DCS系统的逐渐应用和发展，热工自动化控制系统迎来新的发展期。

DCS控制系统一般包括数据采集处理组件（DAS）、模拟计算控制组件（MCS）、开关量顺序控制（SCS）以及热工保护组件。

工作原理是DAS采集数据，在MCS中模拟计算，通过比较计算值和测量值，通过PID控制系统回路。主要通过SCS控制各个阀门完成调节变量。热工保护组件主要用于保护系统，遇到危险情况或者某变量超过预警量时报警，提醒工作人员系统异常，或者直接跳闸。本文主要对DCS控制系统中的热工保护内容进行分析介绍。

2 热工保护概述

火电机组的三大设备主要为锅炉、汽轮机及发电机，随着超临界机组和超超临界机组的不断应用发展，机组对于自身保护的要求也越来越高，根据机组设备的具体特点，要求自保护跳闸的反应周期控制在毫秒级别。因此需要对热工保护进行提升改进，DCS热工保护系统主要针对锅炉及汽轮机的保护、辅机保护组成，完善的保护系统能够更加有效地保护系统的稳定运行。另外，还需要对保护信号进行合理的设定，设定必要的显示提示功能，保护当前信号数值显示，保护首出显示等信息。

3 热工保护故障类型简述

工作环境导致DCS仪器仪表的精度和灵敏度降低或失灵。DCS的仪表大多都比较灵敏，对外界环境的温度、湿度和酸碱度、灰尘等都具有要求。但环境出现变化时，可能导致仪器仪表出现故障。

3.1 仪表之间出现通信故障

系统传输系统的稳定性关键，在通信系统中，最容易出现故障的是I/O端口模块，故障的原因多为信号线的短路。

3.2 操作不当引起仪器的故障

主要的故障类型有硬盘故障、通讯故障、数据线或者硬盘存储不足等，主要的原因有人员操作不当引起人机接口故障、工作时间离岗造成操作机站死机。

3.3 DAS系统异常

DAS系统是自动保护系统的基础，其稳定运行受到外界接地系统稳定性、现场磁场干扰及调试质量的影响。在实际运行过程中，DAS数值可能会出现瞬间的变化触动机组的误跳闸发生，典型故障类型有模拟量信号漂移、DCS故障类型设定错误等。

3.4 主控制器故障

主控制器的故障多为冗余设定的不合理导致，通过对冗余进行优化可以减少控制器异常导致的机组跳闸。另外，主控制的故障类型多为软故障，可以通过初始化或复位操作恢复机组的运行。

4 热工保护的设置探究

热工保护的设定条件合理与否直接关系着机组设备稳定运行的水平和质量，具体条件如下。

4.1 冗余设定

为了防止设备的保护系统不能及时触发或者误触发情况发生，需要对触发系统的冗余情况进行设定。一般采取冗余信号3取2的操作方式。例如锅炉内压力高触发保护系统这一操作而言，系统会接收到3个锅炉内的压力信号，如果其中存在2个以上的信号显示温度超高，即会引发操作。

4.2 温度保护信号要对坏点和速率大信号进行切除

坏点切除指温度探测器故障不能有效对监测点的温度信号进行判断，该测量点的信号舍去；速率大信号切除指温度的变化速率超过设定的标准值时，需要对该检测数值进行舍去，在该标准值设定时需要结合设备运行的实际特点。温度速率变化大不能完全说明监测点存在温度测试故障，有可能确实反馈温度异常，如电机烧瓦。一般情况下，该数值设定在15～30 ℃/s。

4.3 保护信号进行合理的脉冲处理

在对密封风机进行保护设定时，其中一条是“2台一次风机全停”，此保护含义是密封风机正常运行条件下，如果跳闸条件发生时，密封风机停止运行。在2台一次风机停止的条件下可以启动密封风机。此时不能利用长信号作为跳闸条件，需要使用脉冲信号。否则可能会造成跳闸发生时，密封风机不能运行的情况。

4.4 保护条件设定合适的时间延迟

保护条件延迟设定的含义时，机组运行时如果出现异常信号，保护跳闸不会马上运行，而是在异常信号保持一段稳定时间输出时，保护跳闸才会运行。此设置可以防止因信号的抖动而造成的机组误停机情况出现。

5 热工保护在DCS组态中的优化策略

5.1 提升设计合理性，优化系统运行能力

为提升系统的稳定性，冗余引入到电源和DPU中的做法十分常见，但仅在上述设备中引入冗余操作还不足以满足自动化控制系统的要求。在系统运行中，可以在热工信号监测时也引入冗余思想，即多次取样同一个测试点的数据，以保证测试结果的准确性，防止错误指令的产生。另外，为保证系统运行的稳定性，可以将重要测点的通道布置在不同的卡件上，从而减缓故障压力。

总体而言，在热工自动控制系统构建和升级时，应重视设计、安装，多角度评测：①DCS控制系统的优化。为防止DCS出现软硬件故障，可通过优化设计，提升DCS系统的“坏质量”诊断体系，通过优化硬件质量和软件自诊断能力，提升系统预防和弱化故障的能力。②系统保护逻辑的优化。可以采取超驰保护、抗积分饱和等运行逻辑提升自动控制系统的稳定性。超驰保护即自动控制系统接收到故障信号、偏差越限等异常信号时，该保护措施会立即切换自动切手动、禁止增或禁止减等逻辑，使得系统设备在故障发生时得到有效保护，也保障系统的稳定运行能力。例如，炉膛内的压力高于设定值后，超驰保护机制会对送风机进行禁止增，对引风机做禁止减操作，以保证炉膛内的压力逐渐恢复到正常值。积分饱和即执行机构已经到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，尽管PID差分方程式所得的运算结果继续增大或减小，但执行机构已无相应的动作。出现积分饱和时，系统的自动控制系统不能对被控指标实行有效的控制，因此需要采取抗积分饱和机制。