北仑发电厂DCS一体化改造技术研究与应用

顾志恩，林光锐

（浙江浙能北仑发电有限公司，浙江宁波315800）

北仑发电厂DCS一体化改造技术研究与应用

顾志恩，林光锐

（浙江浙能北仑发电有限公司，浙江宁波315800）

结合北仑电厂3，4，5号机组DCS一体化改造项目的背景，以提升机组安全运行水平和降低改造成本为目的，开展DCS一体化改造技术研究。确定控制系统一体化改造的范围，提出费用节省、操作流程优化的改造施工工艺，提高系统可靠性，深度优化DCS系统控制策略，以满足电网要求。总结机组改造的经验和效果，供其它同类机组改造项目借鉴。

机组改造；可靠性优化；降低改造成本

1 控制系统改造背景与目标

1.1 改造背景

北仑发电厂3，4，5号机组建于20世纪90年代末，运行至2013年均已超过15年。DCS采用Bailey公司INFI-90系统，只控制主厂房内部分设备，主机采用东芝DEH系统（数字电液控制系统）、给水泵汽轮机采用WOODWARD 505系统，旁路为苏尔寿的AV6系统、吹灰采用SBC1000 PLC系统。这些系统为独立系统，在集控室都配有相应的监控设备。全厂PPI（保护系统）由硬回路组成，电气部分配置电气备用盘，每台机组在6.7 m层的电子室内配2套MAPS-90硬报警系统，分别处理来自锅炉侧和汽机侧的报警信号。控制系统种类繁多，集控室内监控设备凌乱，给运行和检修都带来不便。

各控制系统自投入运行以来，设备老化现象日益严重，各项技术性能指标逐步下降，并且部分控制系统硬件已停产，维护成本快速上升。系统中存在的一些疑难问题，如增容改造后的机组负荷响应速率不满足电网要求等，一直未能解决，随着国家节能减排增效指标的提高，系统需新增脱硝系统，运行操作需要DCS画面按工艺流程进行分类（原按控制器控制对象进行分类）等一系列问题，迫切需要控制系统进行改造。北仑发电厂于2011年计划实施DCS（分散控制系统）升级改造，并开展DCS一体化改造技术研究，于2012—2014年在3台机组大修期间，实施改造。

1.2 改造目标与范围

针对上述问题，组织专业人员外出调研，进行控制系统改造范围、可靠性配置及优化专题研究，实现改造费用最小、提升改造后机组的安全运行水平，优化控制策略以快速响应电网负荷变化速率要求为具体目标，制定了DCS的安全要求、控制器分配准则、I/O模件配置原则和一体化改造方案。首次将脱硝、引风机变频、低NOX燃烧器改造等系统同时纳入DCS改造范围，使其一体化改造范围和深度领先于国内同类机组。

2 降低改造成本方法

2.1 前期工作充分，降低控制系统改造费用

为解决DCS设备老化的问题，一般采用升级的方法，将原来的控制逻辑和操作画面转换到新系统，并且控制设备的布置十分相似，可以大大降低风险。但升级费用高达900万元。通过多方调研，掌握市场情况，最后选择改造方案，通过招标，使得3号机组DCS系统的改造费用（包括备件）节约了近400万元。并在3号机组DCS一体化改造施工完成后，着手准备4，5号机组控制系统一体化改造相关事宜，使得后续每台机组改造价格又下降90万元。

2.2 重新设计控制器控制对象

原机组DCS系统画面，按照控制器的控制对象进行分类，不符合运行人员的操作习惯。为更好地满足运行人员的实际操作需求，将DCS系统画面以工艺流程重新进行分类设计，并在控制器分配设计时，充分考虑原有电缆的有效利用。

2.3 合理利用原有电缆

改造前控制系统中的中间接线柜和过渡柜占用了大量的空间，也增加了大量的故障点。为提高控制系统的运行可靠性，改造中将可取消的过渡柜全部取消，不能取消的机柜更换新机柜，并更换柜内接线端子。0 m层中间接线柜到电子室端子柜之间的电缆严重老化，改造中除了更换这部分电缆外，采取了相应的保障措施有效地保留了I/O端子以下可利用的外部信号电缆。

（1）设计电缆路径有效利用原电缆。

改造中取消原0 m层过渡柜和电子室下方转接柜，就地来电缆直接上翻进入电子室，减少了中间环节和接线工作量，提高了改造后控制系统运行可靠性。但施工前必须把每根电缆的走向摸清楚，为了充分利用原电缆，需要确认每根电缆的走向，将电缆外抽到电缆桥架两侧。由于电缆桥架有3层，每层桥架内又有多层电缆，回抽非常困难、工作量很大，另需要逐根估算电缆的长度，尽量兼顾电缆长度来进行新系统的布局和I/O通道分配。对于少量长度不够的原电缆，在电子室的控制机柜内部两侧增加中间接线端子转接。充分考虑改造后的3，4，5号机组系统的布局及I/O通道分配的一致性，虽然增加了通道分配的难度，但方便了以后的维护与管理。

（2）重新分配I/O点。

控制系统一体化改造每台机组I/O点数超过9 000点，由于新旧系统卡件的差异导致部分现场来的信号接线位置需要变动，加上原系统之间互送的信号需要根据重要程度进行不同的处理，因此在对I/O点进行整理并重新分配I/O通道过程中，也考虑了原有电缆的充分利用。

（3）充分做好准备工作。

改造过程拆除旧中间柜、更换原控制系统机柜时，为有效保留利用原电缆，需要对保留电缆进行标签粘贴、拆线、回抽敷设以及新机柜接线等工作。为此，在停机前做了充足的准备工作，包括核对改造图纸、整理拆线和接线表格清单、打印线芯标签纸和电缆线号/号牌，搭设脚手架和布置检修电源等。在工作过程中为了更好地保护已粘贴的线芯标签，对拆下的电缆在回抽前用透明胶带包覆在标签纸上，防止其磨损；同时在电缆外表面上粘贴该电缆新机柜号的电缆标签，为便于区分，对弃用电缆统一用绿色胶带做电缆标签，这些具体工作，对有效利用原电缆起了很大的作用。

（4）绘制接线图。

对原有DCS，DEH，MEH（小型汽轮机电液调节系统）、ECS、旁路、硬报警、吹灰等系统共约9 000点的I/O通道和控制接线图进行整理，重新绘制接线图和完整的DCS I/O清册，为充分利用原有电缆创造了条件。

（5）规范电缆接线工艺。

电子室机柜的接线是展示工艺的窗口，施工前针对机柜的实际情况，制定了电缆接线工艺手册，明确了每个接线步骤的要求，统一了工艺。为了使电缆头编制整齐，制作了电缆头绑扎支架，电缆头排列固定后，根据每根电缆的实际接线情况，填写电缆排列表，排列表的内容包括新柜接线位置（卡件号、端子号）、电缆规格，这样既完善了接线图纸，也可核对电缆的入柜情况。

2.43 台机组共用1套TSL系统

配合4，5号机组通流改造需增装TSL（汽轮机应力监控系统），由于改造将3，4，5号机组合并为一个控制室，仅需在4，5号机组DEH系统的42控制器增加通信接口，连接至3号机组TSL系统，即3台机组共用原3号机组的TSL系统，这样至少节省了1套TSL系统配置费用。

3 提升改造后机组安全运行水平研究

3.1 提升控制器运行可靠性研究

在确定改造方案时，项目组根据调研收集的省内外电厂有关控制器故障和运行中暴露出的问题，对3台机组原控制系统控制器可能存在的隐患进行全面分析，对不安全因素进行优化。原DEH，ETS，METS（小机紧急跳闸系统）在DPU冗余控制器情况下存在控制器输出失控的严重隐患，经研究设计了新的输出控制逻辑，通过试验确认DPU控制器双死机不影响其输出信号的正常动作；原系统中重要辅机的冗余控制配置在同一控制器中，不符合风险分散原则，改造中重新配置。

此外，改造过程中，DCS厂家采用转换工具将原控制逻辑自动转换成新系统的逻辑，并由发电厂专业人员检查核对新逻辑，全部安排人工重新组态，确保了转换后逻辑的可读性和准确性。

3.2 报警信号优化

改造前机组运行中，报警信息不能很好地发挥警示作用，特别是在机组故障情况下，很多信号同时发出，让运行人员不知所措。经专题研究后，取消机组的所有硬报警盘，根据《火电厂热控系统可靠性配置与事故预控》要求，对报警信号进行了三级分级优化[2]。

3.3 变化速率限制功能可靠性进行研究

北仑发电厂机组运行中，多次发生由于信号干扰导致机组保护误动作。采用信号变化速率限制或坏质量信号报警、切除逻辑功能，可有效防止接线松动或测量设备故障引起的信号突变而导致的控制对象异常动作或保护系统误动作[3]。但信号可靠性与设定的变化率密切相关，设置速率限值过小容易导致保护拒动，设置过大将使速率限制失去作用导致保护误动。某电厂300 MW机组就因汽机轴承温度变化速率限值设置3℃/s2，当实际温升速率达3.2℃/s2时自动屏蔽了该信号，导致保护拒动而发生汽轮机轴承烧损事件。

目前电厂温度变化速率限制功能设置有（3， 5，8，10，18）℃/s2不等，为此，对变化速率限制功能可靠性进行了研究和试验，得出“DCS设置的变化速率数值并不等于实际的动作值，而与控制器设置的周期相关”的结论，因此不同的DCS设置温度变化速率时应通过试验确定，而对OVATION控制系统，一般设置5℃/s2为宜。

3.4 保护信号取信方式优化

改造前，系统中存在相当部份的单点保护信号。为避免单个信号测量部件或设备故障而造成机组跳闸，采用容错逻辑设计方法，对于原系统运行中容易出现故障的单点保护的温度开关、压力开关信号，均优化和完善为三取二或二取二逻辑。温度和压力开关保护信号改为热电偶信号和压力变送器信号经定值比较后转换为开关量信号，再经三取二逻辑判断。并对涉及保护功能的温度信号全部增加了变化速率限制功能。主机振动保护信号，通过水平振动高高和垂直振动高与门逻辑判断后或垂直振动高高和水平振动高与门逻辑判断后取信。

3.5 控制与保护回路可靠性优化

PLU（功率负荷不平衡保护）是在发电机突然甩负荷时对汽轮机的一项保护功能，防止甩负荷后汽轮机超速。原机组PLU功能通过东芝卡件2路信号来实现（一路来自检测发电机电流的CT信号，一路来自CCS的主机首级压力信号，当两信号对应功率偏差大于39.5%，且发电机电流信号24 ms内突变大于32.2%时，保护动作），可靠性不高[4]。改造后的系统采用OPC（超速保护）：当转速到达3 090 r/min时，OPC保护动作，快速关闭高中压调门。另外增加了2个功率信号和2个首级压力信号，将该保护构成3冗余，从而提高了PLU功能的可靠性。

原来现场伺服阀接线为2个线圈，通过1根控制电缆与控制系统连接，使得线圈减半，并且如果一个线圈短路故障将影响另外一个线圈，不利于调门安全可靠运行。改造中每个伺服阀增加1根电缆，将每个线圈通过1根电缆连接到阀位控制卡上，提高了伺服阀动作的可靠性。

增加硬跳闸回路，除了主机车头机械超速保护外，增加2路电磁阀动作来跳闸主机：一路是主跳电磁阀MTSVA和MTSVB失电，泄去安全油后跳闸主机；另一路是机械电磁阀MTS得电，机械传动连杆与主机车头手动打闸以及超速飞环等装置连接（任一动作跳机），泄去安全油后跳闸主机。

表1 3—5号机组主要自动控制参数调节品质

原来TSI（汽轮机安全监视系统）信号通过通信方式在DCS系统上显示，由于通信软件不够完善导致对应的DCS控制器负荷率达到100%，数据刷新时间高达5 s。本次改造将TSI信号的模拟量信号通过硬接线直接输入DCS系统通道。

取消了DEH，MEH及旁路系统原来控制逻辑中的黑匣子，重新进行逻辑组态。

3.6 控制策略满足电网要求的深度优化研究

改造过程中，整理并简化了原有的控制逻辑，优化了协调、主汽温度、RB（辅机故障减负荷）、AGC（自动发电控制）、一次调频等自动控制系统的控制策略，解决了增容改造后机组负荷响应速率无法满足电网要求的问题，并使机组的负荷响应速率优于电网考核要求。

4 机组改造效果

3台机组改造后，分别于2012年12月20日，2014年2月15日、2014年4月3日复役运行至今，运行稳定，没有发生因热工系统问题引起的机组异常事件。控制系统在调节精度、调节速度、调节稳定性以及满足电网要求方面都得到了很大提升，机组的整体安全性、可靠性和经济性得到较大幅度提高。

（1）利用控制系统改造，有效进行控制系统的合理布局和一体化设计、可靠性配置及优化，减少故障点，提高机组的运行安全性。

（2）将原来按照控制器控制对象进行分类的DCS画面改造为按工艺流程进行分类，更好地满足运行人员的实际操作需求。取消过渡柜后，为有效利用原有电缆，提出一系列工艺创新，节省了改造费用、缩短施工，减轻施工、检修人员的工作量。

（3）实现ETS，METS系统在DPU冗余控制器双死机的情况下不影响正常动作功能，对报警信号分级优化，提高PLU功能可靠性，优化单点保护信号，提高信号变化速率限制功能的可靠性，系统改造后机组的安全运行水平明显提升。

（4）通过控制逻辑和控制策略优化消除了增容改造后的机组负荷响应速率无法满足电网要求的疑难问题，使得机组的负荷响应速率优于电网考核要求，提升机组参与发电市场竞争能力。

（5）主要参数调节品质优于《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》[6]考核指标要求，参见表1。

北仑发电厂装机容量大，同时3—5号机组担负着北仑地区的供热，3台机组改造后，提高了机组运行安全性与经济性，利于稳定浙江电网和北仑地区供热，同时也降低了机组污染物的排放。

5 结语

北仑发电厂DCS一体化改造项目实现了3，4，5号机组集控室合并，节省了大量的施工时间与电缆费用，减少了系统的故障点和安全隐患。控制系统优化后明显提升了机组的安全运行水平，对同类机组的改造具有指导意义。

[1]孙长生，朱北恒，尹峰，等.火电厂热控系统可靠性配置与事故预控[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]叶国满，屠士凤，林晨，等.抑制信号干扰的方法研究和应用[J].浙江电力，2012，31（12）∶67-69.

[3]过小玲，郑渭建.取消东汽机组PLU保护的可行性探讨[J].浙江电力，2012，31（1）∶52-54.

[4]DL/T 657-2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》[S].北京：中国电力出版社，2016.

（本文编辑：张彩）

Research and Application of DCS Integrated Reconstruction Technology in Beilun Power Station

GU Zhien，LIN Guangrui
（Zhejiang Zheneng Beilun Power Generation Co.Ltd.，Ningbo Zhejiang 315800，China）

Combined with the background of the DCS integrated reconstruction project of units#3，#4 and#5 in Beilun Power Plant，this paper conducts DCS integrated reconstruction technology research to improve operation safety level of the units and reduce reconstruction cost.The paper determines the range of the integrated reconstruction and presents construction technology of cost saving and operation procedure optimization to improve system reliability and fundamentally optimize the control strategy of DCS to meet the requirements of power grid.The experience and effect of the reconstruction are summarized to provide reference to the same type of units reconstruction.

unit reconstruction；reliability optimization；reconstruction cost reduction

TK39

B

1007-1881（2017）01-0031-04

2016-09-13

顾志恩（1965），男，工程师，从事发电厂技术管理工作。