朱北恒

1  DCS改造的概況
浙江省電網(wǎng)共有125MW發(fā)電機組16臺，200MW發(fā)電機組4臺。DCS技術(shù)改造工作起步較早但實(shí)施較晚，1999年由鎮海電廠(chǎng)#3機組首先完成DCS改造。隨后的3年里，鎮海電廠(chǎng)#4、#5機組，半山電廠(chǎng)#4、#5機組、長(cháng)興華能#5機組、溫州電廠(chǎng)#1機組、臺州電廠(chǎng)#1、#2機組、蕭山電廠(chǎng)#1機組、錢(qián)清電廠(chǎng)#1機組共10臺機組相繼完成了DCS改造。目前，大約還有一半機組正在或準備進(jìn)行DCS改造。在浙江省火電機組的改造中采用了5家DCS公司的產(chǎn)品：北京和利時(shí)、上海新華、南京科遠、上海Foxboro、ABB北京貝利。
浙江省火電機組DCS、DEH(Digital Electro-Hydraulic Control, 汽輪機數字電液控制系統)技術(shù)改造的總體情況見(jiàn)表1。

表1  浙江省火電機組DCS、DEH技術(shù)改造總體情況

鎮海電廠(chǎng)#3機組在DCS功能上只包括DAS(Data Acquisition System, 數據采集系統）、SCS(Sequence Control System, 順序控制系統)、CCS(Coordinated Control System, 協(xié)調控制系統)，I/O點(diǎn)數只有3100點(diǎn)；在以后的改造中擴大了改造的范圍和深度，DCS的功能逐步擴展到DAS、SCS、CCS、FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System, 爐膛安全監控系統)、ETS(Emergency Trip System, 汽輪機緊急跳閘系統)、ECS(Electric Control System, 電氣控制系統)以及外圍輔助系統的小程控。DCS的I/O點(diǎn)數也發(fā)展到4000點(diǎn)（125MW機組）、6000點(diǎn)（200MW機組）左右。在浙江省火電機組汽機DEH的改造中，全部采用了上海新華公司的DEH-ⅢA高壓抗燃油純電調。各廠(chǎng)根據自己的實(shí)際情況，在FSSS、ECS、ETS等系統上采用了不同的技術(shù)方案。
2  DCS改造后的效果
2.1  在線(xiàn)驗收測試
鎮海電廠(chǎng)#3機、半山電廠(chǎng)#4機DCS改造完成后，省電力公司分別組織了在線(xiàn)驗收測試。并在此基礎上編制了企業(yè)標準《125MW、200MW機組控制系統改造工程的驗收測試規范》，以便對后來(lái)完成DCS改造的機組組織驗收測試。
驗收測試主要包括以下內容：圖紙及技術(shù)資料；試驗記錄和報告；安裝質(zhì)量；測量系統精度抽測和系統抗干擾性能試驗；DCS、DEH系統功能測試；協(xié)調系統及其子系統調節品質(zhì)試驗。
在線(xiàn)驗收測試結果表明：各改造機組DCS控制系統的各項性能指標能夠滿(mǎn)足省電力公司《驗收測試規范》的要求；在負荷指令變化率為3%Pe/ min的擾動(dòng)下，協(xié)調控制系統均能較好地投入運行，除汽溫調節品質(zhì)外，各主要參數的動(dòng)態(tài)偏差均在允許范圍內。
2.2  機組協(xié)調控制的實(shí)現
改造前，主要控制設備為DDZ-II型或TF-900組裝儀表，是七、八十年代初甚至更早期產(chǎn)品，這些產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)非常落后，難以實(shí)現機組協(xié)調控制和AGC(Automatic Generation Control, 自動(dòng)發(fā)電控制)控制。經(jīng)過(guò)多年運行，設備已經(jīng)嚴重老化、系統可靠性低、故障率高、維護量大，有些備品備件也得不到保障，已嚴重影響到機組的安全和經(jīng)濟運行。改造前，汽機負荷控制系統采用液壓調速系統，調節精度較差，晃動(dòng)較大；同步器從空載到全負荷行程僅為2mm，負荷調控困難。通過(guò)改造，DCS、DEH系統的應用，使機組實(shí)現了協(xié)調控制，提高了自動(dòng)調節品質(zhì)，增加了機組運行的穩定性。
鎮海電廠(chǎng)#3、#4、#5機組協(xié)調控制系統先后完成了升降速率為5%的負荷擺動(dòng)試驗，機組協(xié)調控制范圍為120～200MW；主要被調參數均在允許范圍內。#3、#4、#5機組均先后成功進(jìn)行了一臺引風(fēng)機、一臺送風(fēng)機、一臺給水泵跳閘的RB(Run Back, 輔機故障減負荷)試驗；RB發(fā)生后，協(xié)調控制轉為T(mén)F方式，負荷以100%/min的速率自動(dòng)降至120MW，主汽壓力滑壓至12MPa，實(shí)現了輔機故障下的快速降負荷，為機組在協(xié)調控制下的安全運行提供了保證。
蕭電#1機組、溫電#1機組完成了升降速率為4MW/min負荷擺動(dòng)試驗，負荷范圍為70～130MW，實(shí)際負荷變化率為3.9MW/min。半電#4、#5機組完成了升降速率為5%負荷擺動(dòng)試驗，負荷擺動(dòng)范圍為80～120MW。錢(qián)清#1機組還就協(xié)調控制系統的負荷擺動(dòng)特性在各種不同工況下進(jìn)行了試驗和比較：負荷變化速率分別為3MW/min、4MW/min、5MW/min、6MW/min，負荷擺動(dòng)范圍為70～125MW。
臺電#1、#2機組不僅完成了升降速率為5%負荷擺動(dòng)試驗，還成功進(jìn)行了135MW工況下一臺引風(fēng)機、110MW工況下一臺送風(fēng)機跳閘的RB試驗。
2.3  AGC和一次調頻
采用中儲式制粉系統的火電機組，具有負荷響應快的特點(diǎn)，其協(xié)調控制能較快地跟蹤中調下達的ADS(Automatic Dispatch System, 自動(dòng)調度系統)指令，具有較好的調節特性。浙江省200MW和125MW機組均為中儲式制粉系統的火電機組，通過(guò)自動(dòng)化改造，實(shí)現了AGC功能，大大改善了省電網(wǎng)火電機組對調頻調峰和守口子的整體特性。實(shí)踐證明，改造后投入AGC控制的電廠(chǎng)，也得到相當數量的AGC獎勵，可抵消DCS改造的投資費用。半山電廠(chǎng)#4機組完成自動(dòng)化改造后，每月減少偏差考核罰款40萬(wàn)以上，自動(dòng)化改造所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益每年近500萬(wàn)。鎮海電廠(chǎng)#3機組完成自動(dòng)化改造后的第二年就獲得AGC獎勵近千萬(wàn)元，到2001年年底，鎮海電廠(chǎng)累計獲得AGC獎勵4千多萬(wàn)元，經(jīng)濟效益相當可觀(guān)。其他完成改造后投入AGC控制的機組，也都得到了相當可觀(guān)的AGC獎勵。
浙江省對各改造機組參與AGC控制的質(zhì)量指標如下：AGC調節范圍為70%～100%MCR；調節速率為3.5～4MW/min；機組的負荷響應時(shí)間均在40秒以?xún)?，機組其他主要參數也應在允許范圍內。各改造機組均按照上述要求完成了AGC調試。如鎮海電廠(chǎng)#4機組AGC調節范圍為65%～100%MCR；響應時(shí)間：上調8秒、下調18秒；調節速率：上調4.9MW/min、下調4.8MW/min。
浙江省要求改造后的機組全部參加一次調頻，DEH參數設置如下：轉速（頻率）死區為±2r/min（0.033Hz）；轉速不等率為4%～5%；調頻限幅為6%MCR；一次調頻作用產(chǎn)生的有功功率對頻率變化的響應時(shí)間＜15s。改造后的機組目前一次調頻投運正常，為提高華東電網(wǎng)的CPS合格率起到了積極的作用。
3  DCS改造中有關(guān)問(wèn)題的探討
3.1  DCS應用中存在的問(wèn)題
在改造工程中選用國產(chǎn)DCS，由于價(jià)格上的優(yōu)勢，應該在配置上非常充裕，但實(shí)際情況并非如此。大多數機組在完成改造后DCS的I/O余量不夠，資源配置偏緊，DPU(Distributed Processing Unit, 分散處理單元)和通訊負荷率偏高。這主要有兩個(gè)原因：DCS廠(chǎng)商在激烈的商業(yè)競爭中盡量減少配置降低成本；設計過(guò)程中的變更，增加I/O點(diǎn)太多。由于DCS各自有不同的特點(diǎn)，招標文件不可能具體到對控制器的對數作出規定。廠(chǎng)商在投標中展開(kāi)價(jià)格戰使用戶(hù)少花錢(qián)當然好，但用戶(hù)更希望能買(mǎi)到最好的東西。筆者不想就用戶(hù)與DCS廠(chǎng)商之間在價(jià)格與配置上如何實(shí)現公平交易展開(kāi)討論，這個(gè)問(wèn)題非常復雜，但無(wú)非是想說(shuō)明這樣一個(gè)事實(shí)：由于價(jià)格上或其他方面的原因使得DCS廠(chǎng)商沒(méi)有把最好的產(chǎn)品提供給用戶(hù)。
無(wú)論是國產(chǎn)還是進(jìn)口DCS，其硬件的可靠性均存在一些問(wèn)題，有些DCS在一段時(shí)間里模件損壞率較高，DPU故障頻繁，甚至導致機組MFT(Master Fuel Trip, 總燃料跳閘)。對于DPU和電源模件損壞，一般認為是硬件故障。但分析認為：不能簡(jiǎn)單認為是硬件質(zhì)量問(wèn)題，如果在短時(shí)間內發(fā)生大量的模件損壞，而且是不同批次的器件，其損壞的原因應從軟件故障去考慮，如DPU負荷率過(guò)高會(huì )導致功耗增加，通訊負荷率過(guò)高會(huì )增加電源系統的平均負載等。
在某些工程中，DCS主干通訊網(wǎng)絡(luò )使用了較多的非屏蔽雙絞線(xiàn)，如某改造機組電子室至工程師室使用非屏蔽雙絞線(xiàn)（UTP）達60m以上，很可能這是導致通訊故障的主要原因。目前，中試所和發(fā)電廠(chǎng)都尚未開(kāi)展對使用中的DCS通訊網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試和評估，現在尚不清楚發(fā)電廠(chǎng)中實(shí)際存在的干擾對采用不屏蔽雙絞線(xiàn)DCS的影響程度。屏蔽雙絞線(xiàn)（STP）依賴(lài)兩端良好接地的屏蔽層降低外界的電磁干擾，而UTP依賴(lài)平衡系統達到共載抑制干擾。在辦公環(huán)境，UTP由于比STP價(jià)格低，安裝容易而被選用；但在信息量大電磁干擾強的發(fā)電廠(chǎng)環(huán)境中，選用UTP是不合適的。
某些DCS軟件需要完善，減少通訊故障和死機；增強自診斷功能，提高系統的可維護性；某些DCS軟件在線(xiàn)修改下載功能不強；某些DCS缺少正確的負荷率測試的手段和工具；某些DCS響應速度較慢等問(wèn)題也經(jīng)常在DCS應用中出現。
3.2  一次設備的治理和改造
自動(dòng)化改造工程中，DCS改造必須伴隨著(zhù)一次設備的治理和改造，才能使機組的可控性最終得以提高。各廠(chǎng)在DCS改造中增加了大量的變送器（包括新增及更換，浙江省多采用1151智能變送器及3051差壓變送器）和電動(dòng)門(mén)（部分電動(dòng)門(mén)進(jìn)行了更換，部分手動(dòng)門(mén)更換為電動(dòng)門(mén)，浙江省多采用Rotork IQ、SIPOS5 flash）；對控制性能較差電動(dòng)執行機構進(jìn)行了更換，主給水調門(mén)、給水旁路門(mén)、減溫水調門(mén)等執行機構采用了性能可靠的進(jìn)口產(chǎn)品；給煤機與給粉機采用了變頻調速；對送引風(fēng)液偶的控制采用變頻執行機構，更有效地解決控制特性差問(wèn)題。
一次設備存在的問(wèn)題影響著(zhù)DCS改造的成效，如有的機組由于二次風(fēng)壓總風(fēng)門(mén)執行機構可控性差導致送風(fēng)自動(dòng)不能完全投入；有的機組氧量、風(fēng)量等測量裝置還不能完全滿(mǎn)足控制需求，要繼續進(jìn)行改造或完善；據了解，各廠(chǎng)都已將送引風(fēng)機改為變頻控制擺上了議事日程。
3.3  ETS由DCS實(shí)現時(shí)應采用專(zhuān)用模件
浙江省在ETS功能實(shí)現上采用了3種模式：由DEH實(shí)現，由DCS實(shí)現，由PLC實(shí)現。
ETS由DCS實(shí)現時(shí)，應注意動(dòng)作時(shí)間是否能滿(mǎn)足保護系統的要求。一般來(lái)說(shuō)，DCS應采用專(zhuān)用模件。錢(qián)清#1機組在作110%超速試驗時(shí)，發(fā)現保護動(dòng)作時(shí)間太慢（約100ms），后來(lái)采用了繼電器實(shí)現110%超速保護與ETS并聯(lián)，提高了保護動(dòng)作響應時(shí)間（約20ms）。
鎮海電廠(chǎng)#4機組ETS采用西門(mén)子公司的S7-300可編程控制器，構成冗余的PLC汽機主保護裝置，并通過(guò)組態(tài)軟件可以對保護系統進(jìn)行靈活組態(tài)，增加首出記憶功能。
溫州電廠(chǎng)#1機組和華能長(cháng)興電廠(chǎng)#5機組ETS的邏輯直接固化在LPC卡上，開(kāi)關(guān)量輸出動(dòng)作速度快，可靠性高。由于LPC卡插在DEH的I/O站中，能與DPU通訊，所以可在MMI站上對ETS的狀態(tài)進(jìn)行監視和記錄，并具有SOE功能。LPC卡冗余配置，可在線(xiàn)更換；任一LPC卡動(dòng)作，ETS就發(fā)出跳機信號。與用PLC配置的ETS比較，更為簡(jiǎn)單。
3.4  FSSS改造中火檢信號不同的處理方式
中儲式機組FSSS功能相對簡(jiǎn)單，主要實(shí)現了鍋爐爐膛安全監控、制粉系統啟停操作和聯(lián)鎖保護功能。FSSS改造中，僅火檢信號有不同的處理方式。
半山電廠(chǎng)和溫州電廠(chǎng)將火檢信號直接引入DCS，由DCS直接完成火焰信號檢測和滅火判斷并實(shí)現FSSS邏輯功能。
鎮海電廠(chǎng)和華能長(cháng)興電廠(chǎng)均采用哈爾濱中能公司的智能火焰檢測器。它分輕油、重油、4層粉層共六層火焰可見(jiàn)光檢測。它通過(guò)雙CPU處理將光信號轉換為電流信號，再經(jīng)火檢板處理后將有無(wú)火開(kāi)關(guān)量信號送給DCS，由DCS實(shí)現滅火保護邏輯、輕重油閥自動(dòng)控制、油槍的自動(dòng)投入撤出、油系統的泄漏試驗、點(diǎn)火程控等功能。臺州電廠(chǎng)#1機組鍋爐滅火保護系統自成系統，未進(jìn)入DCS；#2、#3機組也采用了哈爾濱中能公司的智能火焰檢測器，方案同鎮電。
3.5  電氣控制進(jìn)入DCS是大勢所趨
同熱工控制一樣，電氣控制進(jìn)入DCS，也分為數據采集、開(kāi)關(guān)量控制和模擬量控制。但電氣保護由于其快速、可靠和專(zhuān)業(yè)性強的要求，一般由獨立的裝置完成，不進(jìn)入DCS。
鎮電#3機組、臺電#1機、蕭電#1機在改造中均確定電氣進(jìn)入DCS只作為信號而不參與控制。華能長(cháng)興電廠(chǎng)#5機組ECS實(shí)現廠(chǎng)用系統電氣設備控制操作功能；實(shí)現高、低壓廠(chǎng)變與高、低壓備變之間的正常切換操作；實(shí)現與電氣單列微機保護、微機故障錄波器、微機型勵磁調節器的通訊，與單列微機勵磁調節器配合實(shí)現調節功能等。
鎮電#4、#5、#6機組在電氣進(jìn)入DCS控制方面有了較大的改進(jìn)：發(fā)變組系統（包括發(fā)變組、同期系統、滅磁開(kāi)關(guān)）、廠(chǎng)用電系統、公用系統控制由ECS實(shí)現；發(fā)變組系統取消硬手動(dòng)并網(wǎng)功能；廠(chǎng)用電系統、公用系統的BZT功能的邏輯判斷由DCS實(shí)現；勵磁系統為滿(mǎn)足機組自動(dòng)升壓并網(wǎng)和自動(dòng)解列順控要求，由ECS實(shí)現對DAVR(Digital Automatic Voltage Regulator, 數字式自動(dòng)電壓調節器)調節增、減操作和整流柜A/B的分、合閘功能，保留手動(dòng)調節柜的硬操作回路。取消所有輔機在控制屏、臺上電氣硬手操及相應的電流表。大大簡(jiǎn)化了運行的操作，提高了電氣控制的自動(dòng)化水平。
溫州電廠(chǎng)#1機組在DCS中通過(guò)IMTAS01模件實(shí)現了自動(dòng)同期功能，IMTAS01模件是Symphony控制系統中一塊專(zhuān)用的自動(dòng)同期模件，使用該專(zhuān)用模件并結合DCS的多功能處理模件（IMMFP12）完成發(fā)電機自動(dòng)同期并網(wǎng)。
浙江省在有關(guān)DCS改造總結中鼓勵電氣進(jìn)入DCS控制，認為：隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，把火電廠(chǎng)熱工自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化整合為電廠(chǎng)自動(dòng)化已經(jīng)具備條件；有些電廠(chǎng)已經(jīng)在技術(shù)人員結構上進(jìn)行了調整，成立電廠(chǎng)自動(dòng)化部等，就是為了滿(mǎn)足當前火電廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)的需求；應在確保安全的基礎上逐步推廣加大電氣進(jìn)入DCS的功能。
3.6  先進(jìn)控制策略在DCS改造中的應用
浙江省開(kāi)展模糊控制在電廠(chǎng)中的應用研究較早，如模糊控制在主汽溫、燃燒及協(xié)調控制中的應用等，這些曾獲獎的科技成果一直為電廠(chǎng)控制技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮著(zhù)作用。DCS改造后，如何將先進(jìn)控制策略移植到新系統中并繼續發(fā)揮作用，是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。
鎮電#5機組在MACS算法中增加了燃燒模糊控制和主汽溫模糊控制兩個(gè)算法模塊，并對#5機組主汽溫進(jìn)行了模糊控制算法組態(tài)，和常規PID控制切換使用。通過(guò)對甲二級減溫的調試，證明其調節品質(zhì)優(yōu)于常規PID控制。
鎮電#3機組為了在制粉控制系統實(shí)現模糊控制技術(shù)，采用在HS2000 DCS SENT上掛接計算站的方法，把模糊控制算法嵌入DCS中，突破了以前的磨煤機模糊控制只能作為一個(gè)獨立系統來(lái)實(shí)現的局限性。
半山電廠(chǎng)除氧器-凝汽器水位控制系統采用了仿真智能控制技術(shù)；主汽溫控制系統采用了預測控制技術(shù)；華能長(cháng)興電廠(chǎng)#5機組除氧器-凝汽器水位控制系統采用模糊-PID復合控制比較簡(jiǎn)潔，也取得較好的效果。
盡管各廠(chǎng)在DCS改造中對先進(jìn)控制策略有一定的應用研究，但還是非常局限的。
4  結語(yǔ)
通過(guò)以DCS為“龍頭”的熱控自動(dòng)化改造，帶動(dòng)了對主輔機可控性的全面治理。浙江省火電機組DCS改造不僅使機組的自動(dòng)化水平得到提高，實(shí)現電網(wǎng)要求的AGC功能，而且使機組的運行管理水平上了一個(gè)新的臺階，實(shí)現了優(yōu)化運行、節能降耗、減少運行維護人員的工作強度，提高了電網(wǎng)整體的經(jīng)濟效益。