關鍵控制回路特性冗余結構的實際應用與研究

頡志杰 趙建冰 陳 俊

中石化廣元天然凈化有限公司，四川 廣元 628400

目前，DCS集散控制系統在國內外得到廣泛應用，特別是在化工行業，很多工廠均通過集散控制系統對整個生產過程實現了計算機實時監控。集散控制系統具有冗余控制、系統運行穩定、靈活性高、易于維護等優點。冗余結構是指重復配置系統的一些節點，這些冗余節點能夠自動檢查主備節點的運行狀態，并且在主節點失敗時自動切換到備節點[1]。動力站單元是重要的輔助裝置，為全廠裝置提供高壓蒸汽，為透平提供動力，也是低中壓蒸汽的主要產出裝置[2]。動力站一旦發生停車，不但會影響生產，還會發生火災、爆炸等安全事故，危及整個廠區，因此控制系統冗余的設計尤為重要。本文將結合動力站實際運行情況對動力站控制系統冗余結構進行分析與研究。

1 研究目的與意義

某廠動力站單元自開工運行以來一直無法停工檢修，導致控制系統故障率大幅增加，使用壽命降低，故障現象頻發。擬通過對動力站DCS系統冗余功能的分析，增加特性冗余結構，解決正常生產與裝置檢修的矛盾。

2 動力站DCS系統結構

動力站DCS系統由三套冗余的控制器分別控制A、B、C爐，三臺爐子相互獨立運行，互不干擾。但是三套爐子的燃料氣管線共用一個調節閥、一個副線調節閥，停用任意一套控制系統將導致無法正常生產，這就致使開車至今DCS系統無法進行輪番檢修，增大了DCS系統發生故障的可能性。動力站DCS系統結構如圖1所示。

圖1 動力站DCS系統結構

3 動力站DCS系統產生非冗余原因分析

3.1 工藝

動力站單元連續運行，是造成系統無法檢修的根本原因。

3.2 工程設計缺陷

動力站燃料氣總管調節閥PV-30101、除氧器D-401A液位調節閥LV-40101由DCS-001實現單獨控制，燃料氣總管副線調節閥PV-30102、除氧器D-401B液位調節閥LV-40102由DCS-002單獨控制。

動力站有三臺鍋爐，DCS系統有三套控制器與之一一對應。調查發現部分重要調節閥由一套控制器控制，這些調節閥同時對三臺鍋爐進行燃料氣供應調節，導致控制器在事故狀態下無法操作，從而造成設備停車以及裝置停車。關鍵調節閥燃料氣控制裝置如圖2所示。

圖2 關鍵調節閥燃料氣控制裝置圖

對設計缺陷導致停車事故總結發現，DCS系統內各個關鍵設備、閥門及重要控制邏輯的控制器冗余配置功能不夠完善，對于一些重要設備是否具備冗余可操作條件未有明確界定，存在著安全隱患，增加了設備不穩定性[3]。而無法進行停工檢修，導致控制系統故障率大幅增加，使用壽命降低，故障現象頻發。

4 解決方案

4.1 從設計上解決

基于以上某廠動力站冗余配置情況，應以現有設備為基礎，通過拓展或新增基礎卡件，采用編程組態方式對閥門控制進行分析，兼顧到緊急或特種情況的閥門操作過程，采取科學有效的方法避免單點故障造成停車[4]。具體方法如下：影響三套鍋爐的公用儀表點位經過改造實現選擇性控制，將4臺調節閥的輸出信號以及測量反饋信號用4個信號分配器和4個信號選擇器引入DCS-003系統；輸入信號由信號分配器實現一入二出，輸出型號由信號選擇器實現二選一，信號的選擇由改變分配器或選擇器的手動開關來實現。

原設計：DCS-001控制PV-30101、LV-40101調節閥，以及LT-40101、PT-30101測量信號。DCS-002控制PV-30102、LV-40102調節閥，以及LT-40102、PT-30102測量信號。設計變更：DCS-001、DCS-003同時控制PV-30101、LV-40101調節閥，以及LT-40101、PT-30101測量信號。DCS-002、DCS-003同時控制PV-30102、LV-40102調節閥，以及LT-40102、PT-30102測量信號。該方法可有效地解決控制系統在檢修期間無法對重要閥門進行操作情況的問題，保證了動力站的穩定運行，可以對裝置的平穩生產起到一定的保護作用，對裝置檢修造成的停產停工有極大改善。

4.2 生產工藝與冗余系統相結合

在動力站某套鍋爐需進行不停工檢修操作時，如DCS-001、DCS-002、DCS-003當中任意一套DCS系統需要檢修時，因DCS-001、DCS-003同時控制PV-30101、LV-40101調節閥，以及LT-40101、PT-30101測量信號，DCS-002、DCS-003同時控制PV-30102、LV-40102調節閥，以及LT-40102、PT-30102測量信號，所以可通過手動切換至另外兩套DCS系統進行控制，從而實現單套DCS系統停車檢修的目的，解決無法檢修的隱患，為裝置的安全生產帶來保障[5]。該方法的實施不僅對檢修起到了良好的作用，也可以作為生產應急處置措施。

5 結語

新增的特性冗余結構在DCS系統經過長周期試運行，有效地解決了該廠動力站單元無法檢修的問題，降低了檢修時的風險性，排除了重大的安全隱患，為安全生產、提效增收提供了有力的保障。對控制器負荷、調節器的輸出誤差、安全柵的輸出信號的穩定性等各方面進行檢查和評估，可提升動力站DCS系統冗余控制功能特性。