火電廠DCS性能考核試驗與可靠性分析

一、存在問題
隨著計算機控制技術的快速發展，DCS的人機接口頻繁更新，控制器不斷升級，使許多機組投產不久就面臨控制系統的升級與改造。改造后的DCS具有靈活的人機界面功能和強大的數據儲存與處理能力，大大提高了控制系統分析效率，同時也存在一些需要完善之處。
1.l DCS覆蓋范圍增大與設備配置縮減
隨著DCS在火電機組控制中應用的逐步成熟，125MW以上機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(MCS)、爐膛安全監控系統(FSSS)、順序控制系統(SCS)、數據采集系統(DAS)等基本功能擴展到電氣控制系統(ECS)、旁路控制系統(BPC)、吹灰程控，以及數字式電液控制系統(DEH)、給水泵汽輪機電液控制系統(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備。目前，大多數機組控制系統除保留少量用于緊急停機、停爐的后備手動操作按鈕外，所有控制、保護和監視功能全部集于DCS,DCS的安全性和可靠性對機組的安全運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制造商不斷縮減設備配置，將系統優化的空間幾乎擠壓殆盡，導致DCS性能下降。
1.2 控制器能力的增強使故障風險集中
在目前采用的DCS招標技術規范中僅對I/0模件的分散配置做了詳細規定，而對于控制器的配置，除了對負荷率有具體要求外，僅籠統地規定應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，DCS制造商以滿足負荷率為標準，減少控制器數量來取得價格的競爭力，結果造成DCS控制分散性下降，使故障風險集中，嚴重影響了系統整體的安全性和可靠性。有些DCS雖然通過硬件升級滿足了負荷率的要求，但控制軟件并無太大變化，無法實現復雜的控制功能，降低了系統的總體性能。
1.3 新控制系統的穩定性與可靠性
由于廣泛采用市場化產品降低成本，使DCS總體工藝水平較低，存在許多故障隱患。部分國產DCS的
網絡故障率很高，造成控制系統死機的情況越來越頻繁;有些DCS甚至無法實現正常的在線下載功能等，致使在運行階段不斷對DCS功能進行升級、開發和完善，嚴重影響了機組的安全運行與正常維護。
1.4 基建工期壓縮使控制系統調節性能下降
由于電力緊缺使電廠建設工期不斷壓縮，使控制系統調試時間減少，造成控制系統的調節性能普遍呈下降趨勢。以某火電廠60OMW進口機組為例，在對主要自動調節系統調節品質的考核試驗中，共獲取測試數據143項，試驗合格率為51.75%。目前國內采用的DCS技術規范中，對控制系統性能考核試驗并未考慮對調節系統性能指標的考核，因此失去了對DCS性能要求的一個約束手段，而控制系統的調節性能對于機組的長期穩定運行起著至關重要的作用。
二、性能考核試驗的內容與要求
DCS性能考核試驗是基建機組移交商業運行前的最終性能測試。目前國內對DCS的最終性能考核試驗僅規定了現場可利用率試驗(SAT)，而對于DCS一些具體的性能保證如何進行測試和考核末做要求。因此，應對DCS考核試驗內容進行以下完善。
2.1 基本性能與功能
DCS的基本性能參數應滿足其可維護性和容錯能力正常的要求。雖然有些項目在DCS驗收試驗時已做過測試，但機組在調試過程中，其軟、硬件系統均有所變化。有些系統功能的性能測試要利用機組停機時進行，而在機組運行時性能指標要求更高。
DCS基本性能試驗應主要包括系統實時性(包括畫面調用時間、參數刷新時間、操作指令響應時間、信號掃描周期等)、模擬量通道精度、SOE點的分辨率、歷史站容量與采集周期、抗干擾能力、系統容錯能力(包括網絡局部中斷或控制器各類故障下的系統自愈能力、非法輸入的容錯能力、設備斷電的正常恢復能力等)、系統時間同步精度、控制器負荷率與裕量、網絡通訊負荷率及系統電源裕量等測試。
DCS基本功能試驗應包括對系統完整性的檢查和對用戶要求的功能的確認，一般為控制系統軟件和硬件完整性、I/0點接入率和完好率、系統失電與通電情況、人機接口標準應用功能、SOE與報表打印功能、模件的軟件和硬件工作情況等檢查，以及機組監視和操作及報警功能、系統組態與在線下載功能、I/0通道和模件及網絡的自診斷功能、輸出通道自保持功能、系統可維護性功能(包括控制器與網絡設備的冗余切換、帶電插拔模件、控制裝置與通訊系統的典型故障排除等)、DCS全部失電和部分失電的系統響應、電源切換功能等試驗。
2.2 調節品質
通過不同負荷變化速率下的負荷擾動試驗，獲得機組各項主要控制參數的穩定情況和控制偏差，并與要求的性能指標進行比較。常規機組的典型試驗包括主蒸汽壓力、爐膛壓力、風煤比率(以煙氣含氧量反映)、磨煤機出口溫度、汽包水位、過熱蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度等自動調節系統，其試驗應在不同的負荷區間分別進行，試驗范圍應覆蓋到控制系統可自動調節的每個負荷段。
2.3 現場可利用率
DCS的可利用率表明了一個可恢復特性的裝置或系統能夠在規定的時間內完成其規定功能的概率。通過可利用率試驗，驗證機組DCS連續可靠運行能力。試驗期間的可利用率一般規定不低于99.9%，試驗時間為90天，如末達到要求，則可以90天的周期順延，但總時間應限制在250個連續日內。若試驗結果連續3次不合格，則認為該項試驗末通過。DCS現場可利用率試驗結果應依據試驗期間的事件記錄，以約定的計算規則和權重系數進行折算后產生，最終確定 DCS達到規定的現場可利用率指標。
三、常見故障
據相關統計顯示，2000~2005年間某省網屬各電廠因DCS各類軟、硬件故障引起的設備二類以上障礙共41起，占同期二類障礙以上設備異動總數的30.1%，是機組非計劃停運的主要原因之一。其中，DCS控制器或I/0模件故障造成機組跳閘13次，設備異動10次;DCS電源故障或備用容量不足造成機組跳閘5次;DCS軟件故障或控制邏輯錯誤造成機組跳閘3次，設備異動1次;調節系統品質劣化且運行干預不當造成機組跳閘2次;操作員站服務器死機手動MFT2次;通訊故障或信號干擾造成機組跳閘3次，設備異動2次。以上各類典型故障均與DCS性能考核試驗的測試內容密切相關，嚴格考核將有利于促進制造商從系統整體考慮來提高DCS的性能與設備的可靠性。
四、通過性能考核試驗提高 DCS可靠性
(1)現場可利用率試驗方法與原則對不同配置水平的系統普遍適用，可以從試驗結果考察系統的綜合故障時間與正常利用率。由于控制系統考核試驗時間較短，可結合基本性能與功能試驗和調節系統性能品質試驗對具體的DCS性能進行考核，以降低試驗結果的偶然性。
(2)性能考校可促進控制系統技術發展，同時利用科學嚴格的考核指標抑制縮減配置的競爭，保證控制系統的高可靠性能。
(3)進一步充實與完善性能考核試驗的內容，對涉及到系統安全和可靠性的分散度、獨立性和完整性制定可操作的性能考核指標。
(4)對于末經過長期應用考驗的新的或整體換代的DCS，嚴格的性能考核試驗是對其技術均衡發展的制約與調節手段，可起到正確的引導與促進作用。
(5)為提高DCS的整體可靠性，不僅在基建機組中應嚴格進行性能考核試驗，對于大修后的運行機組也可參照DCS基本性能與功能試驗的要求其性能進行評估與考核。
五、結語
火電廠機組安全、穩定運行，DCS的可靠性是關鍵。DCS從控制功能的完善到實際應用需要經過應用、反饋、改進、應用的多次循環的考驗過程，并通過其系統性能考核試驗的指標，確定系統的投入應用。 DCS性能考核試驗是提高DCS性能，確保其長周期、可靠運行和避免商業化造成系統性能下降的一種手段，需要隨著DCS控制技術的發展不斷地探索、研究和完善其試驗內容，使DCS性能考核試驗更加有效。