火電廠熱控保護技術優化研究

山西崇光發電有限責任公司 趙 玉

在科學技術快速發展的背景下，電廠設備逐漸朝著智能化的方向發展，以此使社會用電需求得到滿足。而熱控保護技術的應用，是保護火電廠發電設備正常運行的重要舉措。為此，電廠技術人員需要加強對此項技術的研究，以此發揮技術的應用價值。本文以本火電廠為例，對火電廠熱控保護技術優化展開研究。

1 項目概況

1.1 項目背景

在經濟快速發展的時期，社會用電需求增加，火力發電廠作為主力軍，需要滿足社會用電需求。但由于發電設備長期處在超負荷的工作狀態，其性能必然會受到影響，容易在運行過程中出現故障。為此，需要應用熱控保護技術對故障加以控制，避免由于事故擴大，使設備受損。由此可見，熱控保護技術的應用，是確保火力發電廠運行安全的重要舉措[1]。本文以本火電廠為例，該火電廠配備2×35萬kW 低熱值煤超臨界循環流化床發電機組，在實際建設過程中，通過優化主機設備、簡化煙風系統，實現了超低排放。

1.2 熱控保護技術應用問題

在測量不穩定信號時運用了熱控保護技術，但系統出現誤動概率較大。在研究后發現，單點式信號測量屬于系統中的主要觸發式信號。在熱控系統中，各設備和系統均處在電磁場內，且這個電磁場較為強大，容易受到內外部環境的影響，具體表現為干擾回路，這里所說的回路主要是指單點式信號，之后誤動現象就會隨之出現。

1.3 具體解決對策

針對上述項目中存在的熱控問題，可以在檢修或新設備邏輯設計階段，對容錯式設計理念加以應用。在此過程中，依據國家相關標準要求，對#1/#2機組重要輔機設備部分單點保護邏輯進行優化，主要優化內容包括以下幾個方面[2]。

一次風機部分保護邏輯內容優化：原邏輯當中，一次風機油站油泵均停運，延時15s 跳閘；根據相關規范和技術要求將其優化為，一次風機油站油泵均停運且潤滑油壓＜0.25MPa（三取中），延時15s跳閘；原邏輯為一次風機工變頻模式均消失，延時2s 跳閘；經過優化將其修改為，一次風機工變頻模式均消失（工頻模式下且電流＜50A 與變頻模式下且電流＜50A），延時2s 跳閘。

二次風機部分保護邏輯內容優化：原邏輯中，二次風機運行60s 后出口關斷門在關位，延時跳閘；優化后改為，二次風機運行60s 后出口關斷門在關位且二次風機出口壓力＜1kPa，延時5s 跳閘；原邏輯中，二次風機運行60s 后入口調節擋板開度小于5%，延時跳閘；優化后，二次風機運行60s 后入口調節擋板開度小于5%且品質信號正常，延時5s 跳閘。

流化風機部分保護邏輯內容優化：原邏輯中，流化風機運行60s，風機入口調門＜5%跳閘。優化修改后變為，流化風機運行60s，風機入口調門＜5%且品質信號正常，延時5s 跳閘。

2 火力發電廠熱控DCS 系統硬件設計

2.1 I/O 點數統計

筆者所在火力發電廠基于生產特點，以及各信號點的統計和控制要求，選擇DCS 系統所需的硬件。在實際展開I/O 點數統計的過程中，為降低生產事故發生的概率，根據相關要求，在重要參數測點、參與機組或設備保護的測點進行冗余配置，值得注意的是，冗余I/O 測點需要分配在不同模件上，確保任一測點出現故障時不會對其他冗余測點采集產生影響。在硬件選擇和設計階段，應確保所選硬件與數據監控要求相吻合，同時還要考慮到系統后續的擴展需求，簡言之就是留有余地。

在系統設計階段，需要以I/O 點表為基礎。將設備I/O 類型和數量作為依據，對全部設備子系統對I/O 提出的要求加以明確，這里所說的要求分別為數量和類型。其中類型可以通過點表確定，在此基礎上對卡件需求加以明確。卡件的應用能夠使信號和系統相互連接，可以為后續軟件設計創造有利的條件。本電廠所設計的DCS 系統，單臺機組，其I/O 信號總點數為4100個，其中1200個點為模擬量輸入，130個點為模擬量輸出，而開關輸入點的數量為2000個，輸出點為770個，表1為I/O 點統計表。

表1 I/O 點統計表

將現場輸入輸出信號類型作為依據，可以將信號點分為四種，分別為兩類輸入和兩類輸出信號，所針對的對象包括模擬量和開關。本電廠在設計DCS 控制系統時，所應用的卡件如下。

輸入模塊：這里所說的輸入模塊，主要針對模擬量，其由兩部分組成，分別為調理電路以及處理器系統，各個輸入通道，所設置的電流和電壓輸入模式均相同，其信號范圍處在0～20mA 的區間范圍內，同時，在通道內安裝采樣電阻，其強度為250Ω，該電阻可以完成對電流信號的轉化，使其成為電壓信號；輸出模塊：該模塊的組成，與輸入模塊相同，但作用存在差異，輸出模塊具有模擬輸出作用，可以為電壓和電流輸出提供支持[3]；開關量輸出模塊。該模塊的組成同樣為調理電路和處理器系統，該模塊可以對命令進行讀取；開關量輸入模塊。在開關輸入后，模塊會將狀態指示顯示在面板上，同時還具有記錄功能，且精度非常高。

2.2 網絡結構設計

在結構設計過程中，為保障設計的合理性，避免出現分散控制系統網絡事故，要求分散控制系統與管理信息大區間，及廣域網的縱向交接處，必須設置經國家指定部門檢測認證的電力專用橫向單向安全隔離裝置，及縱向加密認證裝置，并使用具有訪問控制功能的設備、防火墻等實現邏輯隔離，嚴禁采用高風險的網絡服務功能，并在重要業務系統當中運用加密機制。此外，還需要在分散控制系統與無線通信網、虛擬網絡等進行連接時設置安全接入區。

本電廠在設計系統硬件的過程中，對現場配置情況進行了考慮，同時兼顧以太網的特點，故對光纖環形網絡加以運用。究其原因，主要是可以直接與I/O 網絡相連接，避免中斷和延時問題。并且，I/O 網絡以IEC1588協議為基礎，能夠在最大限度上增強模塊同步精度[4]。

3 火力發電廠熱控DCS 系統軟件設計

本電廠在設計熱控DCS 軟件過程中，將熱控系統功能作為依據對系統模塊進行劃分，并實施針對性設計，其要點如下所述。

3.1 數據采集系統

在實際進行數據采集系統設計過程中，為保障系統運行的穩定性以及可靠性，除特殊要求外，其他所有設備均需要采用脈沖信號控制方式，避免分散控制系統失電導致停機停爐，造成設備損壞。此外，所有設備需采用“三取二”“四取二”等可靠邏輯判斷方式，確保保護信號相對獨立，并設計保護誤動及拒動措施。值得注意的是，熱工保護系統輸出的指令應優先于其他任何類型指令，并對控制系統回路進行冗余配置。

3.2 模擬量控制系統

模擬量控制系統的設計需避免發生模擬量調節事故，保障系統功能設計的合理性。一方面應確保系統設計滿足相關標準要求，并定期對模擬量控制系統進行試驗，包括協調系統、燃燒系統等；另一方面，為保障模擬量調節系統測量信號、執行機構運行的可靠性，應確保系統在出現綜合信號故障、設定值與被調量相差過大等情況下可發出警報，并切換為手動模式。此外，模擬量控制系統還應具備全工況、全過程的無擾切換功能[5]。

在系統設計時，所采用的設計方法為層次化。將系統分為多個組成部分，分別進行針對性設計。其中，主控系統屬于第一級系統，該系統會向下方的主控系統發送負荷指令；鍋爐和汽機主控系統屬于第二級系統，其在接收主控系統發出的指令后會實施相應的控制。其中，前者會通過調整燃料和送風量的方式，使鍋爐燃燒效率增加或減少，同時還會設定DEH 功率值，對汽機負荷指令予以執行。上述系統的控制方式較為靈活，手動和自動均可；第三級為子控制回路線，負責各類發電設備回路的調整；控制驅動級屬于最下方的層級。以鍋爐氣溫控制為例，系統可以構建反映過熱氣溫的模型如下：

導前區的傳遞函數：G1（s）=-1/（48s+1）4，惰性區的傳遞函數：G2（s）=-2/（33s+1）4，在上述模型基礎上，即可構建與之相匹配的空間表達式：

在上述公式中，導前溫度由y1表示；主蒸汽溫度由輸出y表示；狀態變量由x表示；其中y=x1。在現場系統可以直接對y1和y進行測量。

3.3 順序控制系統

本電廠所設計的順序控制系統，其針對的設備分別為鍋爐和汽輪機。鍋爐順序控制系統由三個級別構成，第一級為機組、第二級為功能組、第三級為設備。將其功能作為依據，可將其作為兩個子系統，分別為風煙和汽水。前者可以通過聯鎖邏輯將各類風機和輔助設備相關聯，而后者具有控制汽水系統的作用，且能夠在設備出現故障時，通過聯鎖和保護的方式對故障進行控制。汽機順序控制系統的組成部分較多，如高低加、凝結水系統等。

3.4 鍋爐爐膛安全監控系統

本電廠設計該系統時，采用了分過程的設計方式，簡言之就是將該系統分為多個子系統，分別展開設計。設計要點如下。

吹掃系統。為確定爐膛內是否存在雜物，在點火前需要關停鍋爐，并對內部實施吹掃，值得注意的是，吹掃必須連續進行。在吹掃階段還要滿足相應的條件，即將全部燃料源切斷。同時還要保證通風量達標，且吹掃時間不能超過5min。此外，在吹掃階段，若上述任何一個條件不滿足均不能吹掃。

爐焰檢測系統。除對火球進行檢測外，還要對燃燒器內是否存在火焰進行檢測。在對前者檢測時，僅需對火焰強度檢測即可，但檢測后者時還要考慮脈沖頻率；主燃料跳閘。在該系統中，此項子系統十分重要。其能通過持續監測的方式對系統運行條件予以明確，若在監測過程中發現異常，為防止設備受損和控制事故規模，系統會切斷進入爐膛內的燃燒。并且在特殊情況下系統還會控制負荷，防止鍋爐受損[6]。

3.5 電液調節系統

在汽機調節系統中該系統屬于新型系統，其存在諸多的優勢，如體積小、功能多和質量高等。基于實際需求，本電廠在設計過程中將系統分為多個部分，分別為數據顯示、運行方式、控制方式、汽機啟動方式等。

3.6 應用結果

在本電廠應用DCS 控制系統后，主要運行參數均處在設備允許范圍之內，并且各參數在運行過程中其曲線并無明顯的波動。故得出如下結論：本電廠所設計的系統，其應用可以滿足火電廠熱控保護需求，具有推廣價值。總而言之，DCS 系統經過多年發展已經成為自動化領域的標志。雖然本次設計能夠保證火力發電廠控制系統的性能，但依然存在諸多不足，需要在后續研究中優化和改善。