火電廠DCS性能考核試驗(yàn)與可靠性分析

一、存在問題
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，DCS的人機(jī)接口頻繁更新，控制器不斷升級(jí)，使許多機(jī)組投產(chǎn)不久就面臨控制系統(tǒng)的升級(jí)與改造。改造后的DCS具有靈活的人機(jī)界面功能和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理能力，大大提高了控制系統(tǒng)分析效率，同時(shí)也存在一些需要完善之處。
1.l DCS覆蓋范圍增大與設(shè)備配置縮減
隨著DCS在火電機(jī)組控制中應(yīng)用的逐步成熟，125MW以上機(jī)組在基建與改造中已普遍采用了DCS。近年來，DCS控制功能的覆蓋范圍不斷增大，由最初的模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)等基本功能擴(kuò)展到電氣控制系統(tǒng)(ECS)、旁路控制系統(tǒng)(BPC)、吹灰程控，以及數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)、給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)、脫硫控制、外圍輔助控制等的一體化控制，范圍幾乎包括了電廠的所有設(shè)備。目前，大多數(shù)機(jī)組控制系統(tǒng)除保留少量用于緊急停機(jī)、停爐的后備手動(dòng)操作按鈕外，所有控制、保護(hù)和監(jiān)視功能全部集于DCS,DCS的安全性和可靠性對機(jī)組的安全運(yùn)行起到了越來越重要的作用。但是，隨著市場競爭的加劇，為了降低成本，DCS制造商不斷縮減設(shè)備配置，將系統(tǒng)優(yōu)化的空間幾乎擠壓殆盡，導(dǎo)致DCS性能下降。
1.2 控制器能力的增強(qiáng)使故障風(fēng)險(xiǎn)集中
在目前采用的DCS招標(biāo)技術(shù)規(guī)范中僅對I/0模件的分散配置做了詳細(xì)規(guī)定，而對于控制器的配置，除了對負(fù)荷率有具體要求外，僅籠統(tǒng)地規(guī)定應(yīng)遵循功能分散和物理分散的原則。隨著CPU芯片主頻的提高，使得DCS控制處理能力不斷加強(qiáng)，DCS制造商以滿足負(fù)荷率為標(biāo)準(zhǔn)，減少控制器數(shù)量來取得價(jià)格的競爭力，結(jié)果造成DCS控制分散性下降，使故障風(fēng)險(xiǎn)集中，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)整體的安全性和可靠性。有些DCS雖然通過硬件升級(jí)滿足了負(fù)荷率的要求，但控制軟件并無太大變化，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，降低了系統(tǒng)的總體性能。
1.3 新控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性
由于廣泛采用市場化產(chǎn)品降低成本，使DCS總體工藝水平較低，存在許多故障隱患。部分國產(chǎn)DCS的
網(wǎng)絡(luò)故障率很高，造成控制系統(tǒng)死機(jī)的情況越來越頻繁;有些DCS甚至無法實(shí)現(xiàn)正常的在線下載功能等，致使在運(yùn)行階段不斷對DCS功能進(jìn)行升級(jí)、開發(fā)和完善，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行與正常維護(hù)。
1.4 基建工期壓縮使控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能下降
由于電力緊缺使電廠建設(shè)工期不斷壓縮，使控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間減少，造成控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能普遍呈下降趨勢。以某火電廠60OMW進(jìn)口機(jī)組為例，在對主要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的考核試驗(yàn)中，共獲取測試數(shù)據(jù)143項(xiàng)，試驗(yàn)合格率為51.75%。目前國內(nèi)采用的DCS技術(shù)規(guī)范中，對控制系統(tǒng)性能考核試驗(yàn)并未考慮對調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能指標(biāo)的考核，因此失去了對DCS性能要求的一個(gè)約束手段，而控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能對于機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。
二、性能考核試驗(yàn)的內(nèi)容與要求
DCS性能考核試驗(yàn)是基建機(jī)組移交商業(yè)運(yùn)行前的最終性能測試。目前國內(nèi)對DCS的最終性能考核試驗(yàn)僅規(guī)定了現(xiàn)場可利用率試驗(yàn)(SAT)，而對于DCS一些具體的性能保證如何進(jìn)行測試和考核末做要求。因此，應(yīng)對DCS考核試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行以下完善。
2.1 基本性能與功能
DCS的基本性能參數(shù)應(yīng)滿足其可維護(hù)性和容錯(cuò)能力正常的要求。雖然有些項(xiàng)目在DCS驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)已做過測試，但機(jī)組在調(diào)試過程中，其軟、硬件系統(tǒng)均有所變化。有些系統(tǒng)功能的性能測試要利用機(jī)組停機(jī)時(shí)進(jìn)行，而在機(jī)組運(yùn)行時(shí)性能指標(biāo)要求更高。
DCS基本性能試驗(yàn)應(yīng)主要包括系統(tǒng)實(shí)時(shí)性(包括畫面調(diào)用時(shí)間、參數(shù)刷新時(shí)間、操作指令響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)掃描周期等)、模擬量通道精度、SOE點(diǎn)的分辨率、歷史站容量與采集周期、抗干擾能力、系統(tǒng)容錯(cuò)能力(包括網(wǎng)絡(luò)局部中斷或控制器各類故障下的系統(tǒng)自愈能力、非法輸入的容錯(cuò)能力、設(shè)備斷電的正?；謴?fù)能力等)、系統(tǒng)時(shí)間同步精度、控制器負(fù)荷率與裕量、網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷率及系統(tǒng)電源裕量等測試。
DCS基本功能試驗(yàn)應(yīng)包括對系統(tǒng)完整性的檢查和對用戶要求的功能的確認(rèn)，一般為控制系統(tǒng)軟件和硬件完整性、I/0點(diǎn)接入率和完好率、系統(tǒng)失電與通電情況、人機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用功能、SOE與報(bào)表打印功能、模件的軟件和硬件工作情況等檢查，以及機(jī)組監(jiān)視和操作及報(bào)警功能、系統(tǒng)組態(tài)與在線下載功能、I/0通道和模件及網(wǎng)絡(luò)的自診斷功能、輸出通道自保持功能、系統(tǒng)可維護(hù)性功能(包括控制器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余切換、帶電插拔模件、控制裝置與通訊系統(tǒng)的典型故障排除等)、DCS全部失電和部分失電的系統(tǒng)響應(yīng)、電源切換功能等試驗(yàn)。
2.2 調(diào)節(jié)品質(zhì)
通過不同負(fù)荷變化速率下的負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)，獲得機(jī)組各項(xiàng)主要控制參數(shù)的穩(wěn)定情況和控制偏差，并與要求的性能指標(biāo)進(jìn)行比較。常規(guī)機(jī)組的典型試驗(yàn)包括主蒸汽壓力、爐膛壓力、風(fēng)煤比率(以煙氣含氧量反映)、磨煤機(jī)出口溫度、汽包水位、過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度等自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其試驗(yàn)應(yīng)在不同的負(fù)荷區(qū)間分別進(jìn)行，試驗(yàn)范圍應(yīng)覆蓋到控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)的每個(gè)負(fù)荷段。
2.3 現(xiàn)場可利用率
DCS的可利用率表明了一個(gè)可恢復(fù)特性的裝置或系統(tǒng)能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成其規(guī)定功能的概率。通過可利用率試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)組DCS連續(xù)可靠運(yùn)行能力。試驗(yàn)期間的可利用率一般規(guī)定不低于99.9%，試驗(yàn)時(shí)間為90天，如末達(dá)到要求，則可以90天的周期順延，但總時(shí)間應(yīng)限制在250個(gè)連續(xù)日內(nèi)。若試驗(yàn)結(jié)果連續(xù)3次不合格，則認(rèn)為該項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)┩ㄟ^。DCS現(xiàn)場可利用率試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)期間的事件記錄，以約定的計(jì)算規(guī)則和權(quán)重系數(shù)進(jìn)行折算后產(chǎn)生，最終確定 DCS達(dá)到規(guī)定的現(xiàn)場可利用率指標(biāo)。
三、常見故障
據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，2000~2005年間某省網(wǎng)屬各電廠因DCS各類軟、硬件故障引起的設(shè)備二類以上障礙共41起，占同期二類障礙以上設(shè)備異動(dòng)總數(shù)的30.1%，是機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的主要原因之一。其中，DCS控制器或I/0模件故障造成機(jī)組跳閘13次，設(shè)備異動(dòng)10次;DCS電源故障或備用容量不足造成機(jī)組跳閘5次;DCS軟件故障或控制邏輯錯(cuò)誤造成機(jī)組跳閘3次，設(shè)備異動(dòng)1次;調(diào)節(jié)系統(tǒng)品質(zhì)劣化且運(yùn)行干預(yù)不當(dāng)造成機(jī)組跳閘2次;操作員站服務(wù)器死機(jī)手動(dòng)MFT2次;通訊故障或信號(hào)干擾造成機(jī)組跳閘3次，設(shè)備異動(dòng)2次。以上各類典型故障均與DCS性能考核試驗(yàn)的測試內(nèi)容密切相關(guān)，嚴(yán)格考核將有利于促進(jìn)制造商從系統(tǒng)整體考慮來提高DCS的性能與設(shè)備的可靠性。
四、通過性能考核試驗(yàn)提高 DCS可靠性
(1)現(xiàn)場可利用率試驗(yàn)方法與原則對不同配置水平的系統(tǒng)普遍適用，可以從試驗(yàn)結(jié)果考察系統(tǒng)的綜合故障時(shí)間與正常利用率。由于控制系統(tǒng)考核試驗(yàn)時(shí)間較短，可結(jié)合基本性能與功能試驗(yàn)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能品質(zhì)試驗(yàn)對具體的DCS性能進(jìn)行考核，以降低試驗(yàn)結(jié)果的偶然性。
(2)性能考校可促進(jìn)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，同時(shí)利用科學(xué)嚴(yán)格的考核指標(biāo)抑制縮減配置的競爭，保證控制系統(tǒng)的高可靠性能。
(3)進(jìn)一步充實(shí)與完善性能考核試驗(yàn)的內(nèi)容，對涉及到系統(tǒng)安全和可靠性的分散度、獨(dú)立性和完整性制定可操作的性能考核指標(biāo)。
(4)對于末經(jīng)過長期應(yīng)用考驗(yàn)的新的或整體換代的DCS，嚴(yán)格的性能考核試驗(yàn)是對其技術(shù)均衡發(fā)展的制約與調(diào)節(jié)手段，可起到正確的引導(dǎo)與促進(jìn)作用。
(5)為提高DCS的整體可靠性，不僅在基建機(jī)組中應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行性能考核試驗(yàn)，對于大修后的運(yùn)行機(jī)組也可參照DCS基本性能與功能試驗(yàn)的要求其性能進(jìn)行評(píng)估與考核。
五、結(jié)語
火電廠機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，DCS的可靠性是關(guān)鍵。DCS從控制功能的完善到實(shí)際應(yīng)用需要經(jīng)過應(yīng)用、反饋、改進(jìn)、應(yīng)用的多次循環(huán)的考驗(yàn)過程，并通過其系統(tǒng)性能考核試驗(yàn)的指標(biāo)，確定系統(tǒng)的投入應(yīng)用。 DCS性能考核試驗(yàn)是提高DCS性能，確保其長周期、可靠運(yùn)行和避免商業(yè)化造成系統(tǒng)性能下降的一種手段，需要隨著DCS控制技術(shù)的發(fā)展不斷地探索、研究和完善其試驗(yàn)內(nèi)容，使DCS性能考核試驗(yàn)更加有效。