空調系統故障引發DCS 控制異常淺析

顧德東，謝 光，黃志彬

(深能合和電力(河源)有限公司，廣東河源517025)

0 引言

隨著分散控制系統(DCS)在火力發電廠的廣泛應用，DCS系統逐漸成為掌握機組命脈、保證機組正常運行的核心。DCS硬件由電子元件和集成電路構成，結構精密，它的工作性能容易受到腐蝕性氣體、溫度和濕度等環境因素的影響。在火力發電廠的設計中，DCS硬件均布置于電子設備間內，因此，電子設備間的環境工況直接影響著DCS硬件的工作性能，是保障DCS硬件正常工作的重要因素。根據《控制室設計規定》，電子設備間溫度要求為:夏天時26±2℃，冬天時20±2℃，溫度變化率為＜5℃/h;相對濕度要求為50% ±10%，濕度變化率為＜6%/h。當空調系統故障而導致電子設備間環境超限時，容易導致DCS硬件故障，嚴重時可能會導致機組跳閘。

1 系統概況

1.1 DCS控制系統簡介

河源電廠DCS控制系統采用了ABB公司的Symphony分散控制系統，其系統硬件結構節點類型包括:現場控制單元、人機接口設備、系統工程工具、計算機接口設備和網絡接口設備等。系統的硬件模塊包括:BRC模塊，輸入、輸出模塊，通訊模塊，控制接口模塊，HSS03模塊等等。

參照ABB硬件手冊得知，ABB的硬件對溫度和濕度的要求如下:溫度要求為0℃ ～70℃;濕度要求為溫度不高于55℃時，相對濕度在5% ～95%范圍內不會結露，溫度達到70℃時，相對濕度在5% ～45%范圍內才不會結露。

1.2 空調系統簡介

河源電廠電子設備間空調系統由組合式空氣處理系統和冷水機組系統組成。組合式空氣處理系統給電子設備間通風，以促進電子設備間的空氣流動;冷水機組系統給組合式空氣處理系統供冷凍水，以冷卻通過組合式空氣處理系統空氣流，對空氣流進行降溫除濕。兩套系統均采用PLC控制，統一在中央控制室進行監控操作。組合式空氣處理系統和冷水機組系統相互獨立，相互間未設計任何聯鎖保護。

冷水機組系統流程如圖1所示。系統主要包括三臺冷卻塔、三臺冷水機組、三臺冷卻水泵、三臺冷凍水泵等。冷凍水通過分水器送至各用水用戶，然后通過集水器進行回收再冷卻。該系統設計為組合啟停方式，即同序號的冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組為一個組合單元，整組啟動和停止。因此，整個冷水機組系統可分為三套組合，每套組合可單獨啟動和停止。而三臺冷卻塔為一個整體組合，根據冷卻水的溫度來決定啟動冷卻塔的臺數。

三臺冷水機組又分別由三個就地PLC控制，該PLC接受來自冷水機組系統PLC的啟停指令而整體啟停冷水機組，同時還控制單臺冷水機組內部的啟停和聯鎖保護。

組合式空氣處理系統流程如圖2所示。該系統由回風段、新/排風調節段、表冷段、送風段等組成。冷凍水流經表冷器以冷卻循環流通的空氣流，經冷卻的空氣流通過送風機送入電子設備間。電子設備間共設置了兩套組合式空氣處理機，一用一備，不間斷運行。

2 事件處理過程及分析

2.1 事件經過

2011年6月14日，河源電廠1#機組因空調故障導致電子設備間溫度、濕度超限，進而DCS硬件出現故障，導致機組跳閘事件。事件發生的大致過程如下:

圖1 冷水機組系統流程圖

當天8時43分，冷水機組系統正在運行的2#、3#冷水機組因過載跳閘，但因冷水機組未設計任何報警功能，運行人員未能及時發現冷水機組已跳閘。大約15分鐘后，1#機組控制盤面上出現了DCS硬件故障報警，且部分的設備監測參數出現異常。此時，運行人員發現冷水機組已跳閘，在通知檢修人員處理的同時打算重新啟動冷水機組，但2#、3#冷水機組因故無法啟動，1#冷水機組亦在啟動5分鐘后過載跳閘。

9時07分，檢修人員到達電子設備間時，發現電子設備間的相對濕度高達100%，DCS模件柜及地面結露嚴重，采取措施進行緊急處理，但為時已晚。由于電子設備間嚴重結露，大量的設備監測參數出現異常，多個DCS模件出現異常。在9時18分，1#機組因DCS模件故障跳閘。

2.2 事件原因分析

事后，該電廠組織人員進行事件原因分析，發現本次事件的原因為DCS模件故障引發發電機斷水保護誤動作，模件故障原因為電子設備間濕度過大導致模件受潮，超出其正常工作濕度要求。事件發生時，測得戶外空氣濕度達到100%，悶熱潮濕的空氣進入處于長期低溫環境的電子設備間后迅速結露，導致DCS模件表面濕度過大，引發異常情況發生。綜合分析，導致此次事件的原因，可歸結為以下幾個方面。

2.2.1 電子設備間溫、濕度過大直接導致模件結露

根據《控制室設計規定》，電子設備間溫度要求為:夏天時26±2℃，冬天時20±2℃，溫度變化率為＜5℃/h;相對濕度要求為50% ±10%，濕度變化率為＜6%/h。同時，根據DCS模件的規程要求，模件在溫度＜55℃時，濕度＞95%則會結露。此次事件發生后，檢查分布安裝在電子設備間的三塊溫濕度計時發現，當時電子設備間的環境溫度大約在35℃左右，濕度為100%。濕度和濕度值遠遠超過了規定值，而濕度變化率更是從正常情況下的50%左右在15分鐘內上升至100%，變化率遠遠超過了6%/h;溫度變化率亦超過了5℃/h。另外，正常情況下，電子設備間的溫度一般在20℃左右，而當空調故障跳閘后，大量的高溫度、高濕度空氣進入電子設備間后，在溫度較低的模件上更容易導致結露，進而導致模件故障。

2.2.2 冷水機組系統設計存在缺陷

冷水機組系統全部跳閘是導致此次事件的直接原因，而導致冷水機組系統跳閘的原因與該系統的工藝設計、自動控制設計以及容量設計等方面存在不足息息相關。

(1)非生產區辦公樓與廠區共用冷水機組系統。由于非生產區辦公樓的空調使用與該區域辦公人員的上、下班有關。白天辦公人員上班時，空調的大量使用會急劇的加重冷水機組系統的負載。這就是導致此次事件中2#、3#冷水機組跳閘的原因。事件發生在當天早上8時30分左右，辦公人員開始上班，空調大量投入使用對冷冰凍水需求量大大增加，導致了冷水機組系統負載急劇增加，最終過載跳閘。

(2)自動控制方式設計不良。冷水機組系統設計為分組合啟動的方式，但組合間是獨立的，當某個組合故障跳閘時，其他組合不會聯鎖啟動，這就很容易導致正在運行的組合過載跳閘，最終導致整個冷水機組系統全部跳閘。

(3)冷水機組系統的冷卻塔容量不足。冷卻塔容量的不足，進一步加重了冷水機組的負載。特別是當有冷卻塔發生故障檢修時，冷水機組的負載將大大增加，很容易導致過載跳閘。

圖2 組合式空氣處理系統流程圖

2.2.3 組合式空氣處理系統設計存在缺陷

由圖2可知，組合式空氣處理系統的這種結構存在以下不足之處，正是這兩點不足，導致該冷水機組系統跳閘后，大量的悶熱、潮濕空氣進入電子間，最終導致了此事件的發生。

(1)未設計冷凍水斷水保護。當表冷段臟污堵塞或損壞，或者由于冷水機組系統跳閘等原因導致表冷段的冷凍水供水不足或中斷時，表冷段將失去降溫除濕的作用。未經處理的新空氣進入電子設備間，溫、濕度大幅上升，導致DCS模件結露及故障。

(2)新/排風口不可調，且系統正常運行時處于常開位置。新/排風擋板是靠重力自關的活動擋板，不可調節，無任何開度指示，當風速達到一定值能夠克服擋板重力后，擋板即全開。在系統正常運行時，新/排風調節擋板均在全開位置，而新/排風擋板口徑尺寸均為2000mm×1250mm方形;經測算，吸入的新風流量約為20000m3/h，約占單個通風組出力的50%左右，遠遠大于相關標準。依據相關規范，電子設備間的通風應設計成“閉式”循環，靠系統的漏風量即可滿足新風的交換，無需打開新風閥。

2.2.4 報警及聯鎖保護不完善

冷水機組系統及組合式空氣處理系統均可在中央控制室的輔網操作員站上進行監控。但是操作員畫面上未設計有聲光報警等提醒運行人員有異常工況發生的報警方式。此次事件中，當水冷機組全部跳閘時，未觸發任何容易提醒運行人員注意的報警，導致操作員不能及時發現，致使輔控空調系統2#、3#冷水機組全部跳閘的情況在15分鐘后才被發現，延誤了處理的時機，進而導致事件的進一步擴大。

冷水機組系統和組合式空氣處理系統之間未設置相關的聯鎖保護，當冷水機組系統跳閘后，組合式空氣處理系統仍在工作，給電子設備間送入了大量未經處理的濕熱空氣，從而導致了DCS模件異常。

另外，電子設備間亦未設計有任何溫、濕度異常報警，當電子設備間環境出現異常時，運行人員未能及時采取措施進行處理。

2.2.5 管理因素

該電廠兩臺機組已經投運兩年多時間，雖然一直比較重視主系統的管理、分析、優化和維護，卻輕視了輔助系統的保養，對輔助系統的風險評價和隱患排查不夠深入，未能及時發現輔助系統中存在的安全隱患。平時也極少進行輔助系統的事故預想。種種因素的存在，最終導致了此次事件的發生。

3 改進措施

3.1 關閉并固定電子設備間的新/排風口調節擋板

電子設備間組合式空氣處理系統設置的新/排風調節擋板一直保持開啟，當冷水機組系統全部跳閘后，致使大量的濕熱的新空氣進入電子設備間，是導致此次事件發生的重要原因之一。按照相關規范，電子設備間需置換的新風量很少，靠系統的漏風量即可滿足要求。因此，將新/排風擋板關閉并固定，使電子設備間處理“閉式循環模式”，利用系統的漏風量來滿足新/舊空氣的置換，以防止冷水機組系統全部停運后，過量的新空氣進入電子設備間而造成大量結露。

3.2 增加系統重要異常工況的聲光報警

根據此前的分析可以得知，當系統發生異常時，因系統無重要異常工況報警，運行人員未能及時發現異常情況是造成此次事件的重要原因之一。因此，在輔網操作員站上增加了“冷水機組故障跳閘”等重要異常工況聲光報警。該功能增加后，每當有異常工況發生時，運行人員能及時地采取相應的措施進行處理。

3.3 電子設備間內增加溫、濕度監測裝置

DCS模件對其工作環境要求相當嚴格，特別是對溫、濕度的要求。電子設備間是一個相對封閉的場所，一般不允許人員隨意出入。因此，運行人員難以實時掌握電子設備間的環境情況。當電子設備間的溫、濕度超過了模件工作要求時，如果不能及時發現，則會造成模件控制異常，這是導致此次事件的原因之一。因此，我們在電子設備間增加了3臺溫、濕度監測裝置，將測量值在DCS畫面上顯示，并增加相應的溫、濕度越限報警功能，使運行人員能及時準確地掌握電子設備間的溫、濕度情況，發生異常工況時能及時采取措施進行處理。

3.4 冷水機組系統及運行方式的改進

冷水機組易發故障跳閘是導致此次事件發生的重要原因，進一步優化冷水機組系統的運行方式，增強系統的安全可靠性是減少冷水機組故障跳閘事件發生的有效手段。

3.4.1 工藝系統的改進

該電廠的生產廠區和非生產辦公樓區共用了冷水機組系統，這是導致此次事件的主要原因之一。非生產辦公樓的空調系統投用率不穩定，對冷凍水的需求量變化較大，當其對冷凍水需求量大時，很容易造成冷水機組系統過載跳閘。

3.4.2 運行方式的改良

該電廠的冷水機組系統采用按流程分組合啟動的方式，各組合間無聯鎖保護。這樣的運行方式比較有利于自動控制的實現，卻大大地降低了系統的可用率，一個不重要的小設備的故障都將導致整個組合的不可用。這種運行方式容易使某組合過載跳閘，且其他組合無法聯啟，最終導致整個冷水機組停運。因此，改進冷水機組系統的運行方式，將按流程分組合啟動方式，改為按同類設備分組合啟停方式就能大大提高系統的可用率。如將3臺冷卻水泵、3臺冷水機組，3臺冷凍水泵分別作為各自組合的整體，冷卻水泵啟動的臺數依據冷卻水的用量要求進行;冷水機組的啟動臺數依據冷凍水溫度進行控制;冷凍水泵啟動臺數依據冷凍水用量要求進行。如此，將極大地提高系統的可用率和可靠性，降低故障跳閘事故發生的可能性。

3.5 改進效果

進行改進后，在很大程度上降低了空調系統的故障率，同時防止了空調系統故障未被發現而導致機組異常事故的發生。如電子設備間增加了遠傳的溫、濕度計，運行人員可以在電子設備間發生溫、濕度異常的初期就能及時發現并采取措施防止其進一步惡化。同時，增加了空調系統故障聲光報警，當空調系統出現故障時即告知運行人員，在未引發電子設備間溫、濕度異常，之前就可以采取措施進行處理。在改進后，發生過幾次空調系統異常事故，但均因及時發現得到處理，未引起電子設備間溫濕度異常，避免了機組故障的發生。

進行以上改進后，空調系統的故障率降低了約20%，極大地提高了系統的可靠性。同時由于多重報警告知的改進，使得故障發生時采取處理措施的速度大大提高，避免了事故進一步惡化。在改進后，至今未發生過空調系統故障引起電子設備間溫、濕度異常事故的發生，也未發生過空調系統故障導致機組異常跳閘事故的發生。因此，改進的效果是非常明顯的。

4 結論及思考

該電廠此次空調系統故障引發機組跳閘事件，是一起典型的輔助系統故障引發機組跳閘事件。導致此類事件發生的原因是多種多樣的，但究其深層的原因，卻有著諸多共同因素，值得我們去深入研究及思考，其經驗教訓對火力發電廠具有普遍的指導意義。

4.1 觀念的轉變

目前，火力發電廠的自動控制水平大大提高，各種自動控制設備及系統對輔助系統的要求越來越高，但“重主輕輔”的觀念存在，導致了輔助系統在技術和管理上相對薄弱，存在的安全隱患較多，而且故障頻發。輔助系統的安全可靠性能否得到進一步的提高，跟能否轉變“重主輕輔”的觀念息息相關。

4.2 人員素質的提升

隨著全廠輔控網的大力推廣實施，在人員急劇減少的情況下，對運行、檢修人員的素質水平要求更高了。運行人員需掌握的輔助系統更多，對輔助系統的運行特點要有更高的認識掌握。同時，也要求檢修人員更全面、更安全地考慮輔助系統的工藝流程、自動控制及相關的報警功能。

4.3 輔助系統的設計改進

由于諸多原因，輔助系統的設計比較薄弱，這包括工藝設計，控制設計，設備選型等方面。同時，輔助系統的設計極少考慮系統間的關聯設計，各系統相對獨立。該電廠此次事件發生就是一個典型例子，由于冷水機組系統的停運未聯鎖跳組合式空氣處理系統，最終導致機組跳閘。因此，應加強輔助系統的設計，包括工藝設計、控制設計、設備選型、輔助系統間的相互聯鎖保護功能設計等等。

［1］吳琪瑜，黃從智.Symphony系統在超臨界機組中的應用［J］.電站系統工程，2008，(6):58-60.

［2］DLT 774-2001，火力發電廠分散控制系統運行檢修導則［S］.

［3］HG/T 20508-2000，控制室設計規定［S］.