（阳泉煤业集团西上庄低热值煤热电有限公司 山西阳泉 045000)
摘要：通过对两个百万等级超超临界火电机组DCS系统控制器配置数量和分配原则进行对比分析，提出目前进口DCS系统在参与国内火力发电厂投标中采用“以控制功能为主原则”存在的风险，指出国产DCS系统以“以工艺为主兼顾控制功能原则”的优点。在此基础上提出火力发电厂尤其是高参数超超临界火电机组对DPU控制器配置进行设计优化的经验原则，为同类型机组提供借鉴意见。
关键词：超超临界；DCS；DPU控制器；安全；环境污染
1引言
DCS系统控制器又称“DPU” （Distributed Processing Unit)，中文名称叫“分散式处理单元”，在电厂俗称“控制器”。它是一个小型的计算机系统，是DCS系统的控制级单元，俗称一个控制“站”，是完成火电机组数据采集、控制逻辑运算、报警处理，实现各种控制功能的“大脑”。由于DCS系统设计的分散理念，其DPU控制器可以自主地在网络上独立工作，其运行不完全依赖于网络通讯或上级单元的控制。在DCS系统设计组态中，原则上以一对DPU控制器构成冗余的控制单元，并合理地对DPU控制器的数量和分配原则进行设计优化，可以保证DCS系统的分散性，以降低一个或一对DPU控制器故障对机组安全运行的影响，进而保证机组设备安全，防止事故扩大。
在能源日益紧张和对环境保护日益严格的今天，火电厂采用大容量，高参数、高效率的超超临界发电机组成为一种发展趋势，也成为火力发电厂相对有效减少环境污染控制的主要发展方向。这样高参数、大容量火电机组的安全稳定运行，对保证电网安全显得十分重要，其机组控制采用DCS系统的安全性和可靠性对机组的安全稳定经济运行也越来越重要。因此DCS的初步设计是保证系统可靠性的第一步，而对DPU控制器的数量配置和分配原则的设计是DCS系统初步设计中关键的一步。本文就超超临界火电机组DCS系统控制器配置优化进行研究分析。
2实际工程情况对比
在实际工程应用中，无论是进口还是国产DCS系统，各厂商的设计理念和系统结构都不相同，其分散控制系统控制器的处理能力也有所区别，即使对于同一个电厂，采用不同厂商的DCS分散控制系统，其实际控制器的配置数量也会有所差异。下面列举两个百万等级火力发电厂单元机组配置实例对比分析。
由上表可以看出，这两个火力发电厂单元机组控制器配置的数量和分配原则有很大差别。对比的直接结果是进口DCS系统配置了24对DPU控制器，而国产DCS系统配置了37对DPU控制器，数量的差异导致其价格不同。虽然进口DCS系统硬件质量稳定，系统运行可靠，但一直以来在国内火力发电厂应用基本都是按照“以控制功能为主的原则”来配置控制器，这样控制器配置的数量大大减少，其价格还是接近国产DCS系统的两倍。这种进口DCS系统厂商采取压缩DCS系统控制器配置数量的办法来获取价格的竞争力，在国内电厂招投标中也是普遍现象，也为以后的机组安全运行留下了潜在的安全隐患风险。
3控制器配置对机组安全运行分析
通过上面针对进口和国产DCS系统在两个火力发电厂单元机组配置实例对比可以看出，进口DCS系统的分配原则是“以控制功能为主的原则”，而国产DCS系统的分配原则是“以工艺为主兼顾控制功能的原则”。
3.1以控制功能为主原则的安全性分析
这种分配原则最大的特点是：功能集中。在这种原则下，数据采集DAS系统、顺序控制SCS系统、模拟量控制MCS系统被专门各自划分到一个或几个控制器中，测点相对集中，所有的顺序控制也都集中到一个或几个控制器下，这样与相应的工艺系统连接需要通过硬接线或网络通讯来实现连锁保护功能，增加了系统的故障点。而模拟量控制MCS系统自动回路也集中设计，同样会导致MCS系统的控制器负荷率偏高，在某些极端工况(比如：机组启/停或事故状态)下，就可能会导致DCS系统控制器出现异常死机、离线等现象，进而导致火电机组控制功能的丧失，而威胁到设备的安全稳定经济运行。因此这种“以控制功能为主的分配原则”，由于先天性的设计缺陷，给火电机组尤其是大容量、高参数火电机组的稳定运行带来潜在的安全隐患和风险。严重的是国外厂商一味地追求利润，不重视火力发电厂DCS系统的安全性，虽系统硬件产品故障率低，软件设计可靠性较高，但潜在的风险并不会因这些原因而避免消除。
3.2以工艺为主兼顾控制功能原则的安全性分析
这种分配原则最大的特点是：根据工艺系统的特点结合控制功能来划分控制器功能。在这种原则下，按照工艺把相应的设备驱动级和与之有关的DAS测点放在同一个控制器下面，这样的优点是兼顾了工艺系统的控制功能，分散了DCS系统的控制功能，均衡了DPU控制器的负荷率，有利于在某些极端工况(比如：机组启/停或事故状态)下控制器运行的稳定。这种原则还大大降低了工艺系统之间硬接线点的数量，降低了硬件模块通道的占用率，降低了控制站与控制站之间的通讯点数量，降低了网络通讯负荷率，降低了DPU控制器负荷率，更有利于机组安全稳定经济运行。
4基于“以工艺为主兼顾控制功能原则”的设计优化
对比两种分配原则，其优缺点显而易见，但在实际工程应用中，如果能对控制器配置数量和功能进行设计优化，将可以有效地解决目前超超临界火电机组DCS系统控制器配置的片面性和局限性，对提高火电机组的安全稳定经济运行具有重要的意义，为此提出基于“以工艺为主兼顾控制功能原则”的设计优化原则。
4.1工艺功能相对集中优化原则
以工艺系统划分为主，将与之有关的控制功能集中设计。比如：火电厂汽机侧的单回路调节设备（除氧器压力、高低加水位，轴封压力等），可以同相应系统的顺序控制SCS系统分配在同一对控制器中，这样模拟量回路调节和顺控联锁结合在一起，减少了控制器之间的网络通讯量和硬接线点数量，也有效地降低了系统的网络负荷率。火电厂锅炉风烟系统的模拟量回路调节设备（送、引风机的手操站），可以分别与对应的设备驱动级分配在同一对控制器中，这样除减少控制器之间的通讯点的引用，降低网络负荷率外，在单侧风烟系统故障或模拟手操站故障的情况下，可以保证另外一侧正常运行。还有协调控制主控的设计，可以将燃料主控和手操总站与锅炉主控分配在一对控制器下，将燃料手操子站与对应的制粉设备驱动级分配在一对控制器中，这样的优点是在主控故障或无法投入自动的情况下，可以手动单独操作或手动总操。总之，这样将与工艺控制有关的功能集中设计，能更有效地隔离系统，隔离因控制器故障而导致机组非正常停机情况，降低故障的范围。
4.2控制器运算周期优化原则
熟悉DCS系统的工程师都知道，控制器运算周期的变化将直接导致控制器负荷率变化。因此在进行控制器分配时，除按照“以工艺为主兼顾控制功能的原则”分配控制器的功能外，还应对控制器的运算周期按照DCS厂商提供的技术数据进行优化设计，在满足《DL_T774-2004火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》的要求下，应按照模拟量控制系统不大于250 ms，开关量控制系统不大于100 ms。快速处理回路，模拟量控制系统不大于125 ms，开关量控制系统不大于50 ms。ETS系统可设为50 ms，DEH系统可设为100 ms，其它系统一般设为250 ms的原则设计控制器功能。使控制器的负荷率满足《DL_T1083-2008火力发电厂分散控制系统技术条件》等相关规程的要求。即所有控制站的DPU极端工况下的负荷率均不得超过60%，平均负荷率宜不超过40％，数据通信总线的负荷率不超过30%。
4.3控制器功能分配可靠性优化原则
为保证DCS控制功能的可靠，防止因一对控制器故障导致机组非停事故的发生，应按照《DL_T5428-2009 火力发电厂热工保护系统设计技术规定》的要求进行冗余设计。对火力发电厂冗余配置或并列运行的重要辅机应分别配置在不同的控制器中。上表中可以看出，送风机、引风机、一次风机、凝结水泵、汽泵系统、磨煤机系统等两台或多台并列运行的设备，均分配在不同的控制器中。重要的模拟量控制系统，特别是影响同一个主要参数的控制回路应配置在不同的控制器中。重要的I/O信号，应采用双重冗余甚至三重冗余配置，且必须配置在不同的I/O模件上。为保证影响机组安全的重要参数在控制器故障时的监视,也要分配在不同的控制器中。因此，对控制器功能分配可靠性的设计优化很有必要，且需要在仔细研究工艺系统的流程和控制需求的基础上进行可靠性优化设计。
4.4控制功能具有独立性的优化原则
近年来随着大容量、高参数火电机组对集中控制高度集成的需求，在火力发电厂中原来分散的系统或离散的功能以及数据，越来越多地被纳入DCS系统进行集中控制。比如：火力发电厂中一些功能相对独立的系统，吹灰程控系统、脱硝系统、脱硫系统、机组自启停(APS)功能以及主机厂单独供货的汽轮机数字电液DEH控制系统、汽动给水泵数字电液MEH控制系统、汽轮机紧急跳闸ETS系统等，均可以配置单独的控制器纳入DCS系统实现集中控制。
5结论
DCS系统控制器配置的优化设计关系到整个机组DCS系统的安全性和可靠性。通过对进口和国产DCS系统控制器配置实例对研究分析,可以看出“以工艺为主兼顾控制功能的原则”总体上优于传统“以控制功能为主的原则”。指出了目前进口DCS系统控制器配置数量和分配原则存在的问题，在此基础上提出“以工艺为主兼顾控制功能原则”的设计优化，对今后同类型超超临界火电机组DCS系统无论采用进口还是国产系统的设计和选型提供了借鉴经验。可喜的是随着国产DCS系统日益成熟和应用，这种“以工艺为主兼顾控制功能的原则”将会得到更大的推广和实践检验。
参考文献：
[1]DL_T1083-2008 火力发电厂分散控制系统技术条件；
[2]DL_T5428-2009 火力发电厂热工保护系统设计技术规定；
[3]DL_T 774-2004 火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程；
[4]DL_T1056-2007 发电厂热工仪表及控制系统技术监督导则。
论文作者:白常青
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/9
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