火电厂DCS性能考核试验与可靠性分析

一、存在问题
随着计算机控制技术的快速发展，DCS的人机接口频繁更新，控制器不断升级，使许多机组投产不久就面临控制系统的升级与改造。改造后的DCS具有灵活的人机界面功能和强大的数据储存与处理能力，大大提高了控制系统分析效率，同时也存在一些需要完善之处。
1.l DCS覆盖范围增大与设备配置缩减
随着DCS在火电机组控制中应用的逐步成熟，125MW以上机组在基建与改造中已普遍采用了DCS。近年来，DCS控制功能的覆盖范围不断增大，由最初的模拟量控制系统(MCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、顺序控制系统(SCS)、数据采集系统(DAS)等基本功能扩展到电气控制系统(ECS)、旁路控制系统(BPC)、吹灰程控，以及数字式电液控制系统(DEH)、给水泵汽轮机电液控制系统(MEH)、脱硫控制、外围辅助控制等的一体化控制，范围几乎包括了电厂的所有设备。目前，大多数机组控制系统除保留少量用于紧急停机、停炉的后备手动操作按钮外，所有控制、保护和监视功能全部集于DCS,DCS的安全性和可靠性对机组的安全运行起到了越来越重要的作用。但是，随着市场竞争的加剧，为了降低成本，DCS制造商不断缩减设备配置，将系统优化的空间几乎挤压殆尽，导致DCS性能下降。
1.2 控制器能力的增强使故障风险集中
在目前采用的DCS招标技术规范中仅对I/0模件的分散配置做了详细规定，而对于控制器的配置，除了对负荷率有具体要求外，仅笼统地规定应遵循功能分散和物理分散的原则。随着CPU芯片主频的提高，使得DCS控制处理能力不断加强，DCS制造商以满足负荷率为标准，减少控制器数量来取得价格的竞争力，结果造成DCS控制分散性下降，使故障风险集中，严重影响了系统整体的安全性和可靠性。有些DCS虽然通过硬件升级满足了负荷率的要求，但控制软件并无太大变化，无法实现复杂的控制功能，降低了系统的总体性能。
1.3 新控制系统的稳定性与可靠性
由于广泛采用市场化产品降低成本，使DCS总体工艺水平较低，存在许多故障隐患。部分国产DCS的
网络故障率很高，造成控制系统死机的情况越来越频繁;有些DCS甚至无法实现正常的在线下载功能等，致使在运行阶段不断对DCS功能进行升级、开发和完善，严重影响了机组的安全运行与正常维护。
1.4 基建工期压缩使控制系统调节性能下降
由于电力紧缺使电厂建设工期不断压缩，使控制系统调试时间减少，造成控制系统的调节性能普遍呈下降趋势。以某火电厂60OMW进口机组为例，在对主要自动调节系统调节品质的考核试验中，共获取测试数据143项，试验合格率为51.75%。目前国内采用的DCS技术规范中，对控制系统性能考核试验并未考虑对调节系统性能指标的考核，因此失去了对DCS性能要求的一个约束手段，而控制系统的调节性能对于机组的长期稳定运行起着至关重要的作用。
二、性能考核试验的内容与要求
DCS性能考核试验是基建机组移交商业运行前的最终性能测试。目前国内对DCS的最终性能考核试验仅规定了现场可利用率试验(SAT)，而对于DCS一些具体的性能保证如何进行测试和考核末做要求。因此，应对DCS考核试验内容进行以下完善。
2.1 基本性能与功能
DCS的基本性能参数应满足其可维护性和容错能力正常的要求。虽然有些项目在DCS验收试验时已做过测试，但机组在调试过程中，其软、硬件系统均有所变化。有些系统功能的性能测试要利用机组停机时进行，而在机组运行时性能指标要求更高。
DCS基本性能试验应主要包括系统实时性(包括画面调用时间、参数刷新时间、操作指令响应时间、信号扫描周期等)、模拟量通道精度、SOE点的分辨率、历史站容量与采集周期、抗干扰能力、系统容错能力(包括网络局部中断或控制器各类故障下的系统自愈能力、非法输入的容错能力、设备断电的正常恢复能力等)、系统时间同步精度、控制器负荷率与裕量、网络通讯负荷率及系统电源裕量等测试。
DCS基本功能试验应包括对系统完整性的检查和对用户要求的功能的确认，一般为控制系统软件和硬件完整性、I/0点接入率和完好率、系统失电与通电情况、人机接口标准应用功能、SOE与报表打印功能、模件的软件和硬件工作情况等检查，以及机组监视和操作及报警功能、系统组态与在线下载功能、I/0通道和模件及网络的自诊断功能、输出通道自保持功能、系统可维护性功能(包括控制器与网络设备的冗余切换、带电插拔模件、控制装置与通讯系统的典型故障排除等)、DCS全部失电和部分失电的系统响应、电源切换功能等试验。
2.2 调节品质
通过不同负荷变化速率下的负荷扰动试验，获得机组各项主要控制参数的稳定情况和控制偏差，并与要求的性能指标进行比较。常规机组的典型试验包括主蒸汽压力、炉膛压力、风煤比率(以烟气含氧量反映)、磨煤机出口温度、汽包水位、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度等自动调节系统，其试验应在不同的负荷区间分别进行，试验范围应覆盖到控制系统可自动调节的每个负荷段。
2.3 现场可利用率
DCS的可利用率表明了一个可恢复特性的装置或系统能够在规定的时间内完成其规定功能的概率。通过可利用率试验，验证机组DCS连续可靠运行能力。试验期间的可利用率一般规定不低于99.9%，试验时间为90天，如末达到要求，则可以90天的周期顺延，但总时间应限制在250个连续日内。若试验结果连续3次不合格，则认为该项试验末通过。DCS现场可利用率试验结果应依据试验期间的事件记录，以约定的计算规则和权重系数进行折算后产生，最终确定 DCS达到规定的现场可利用率指标。
三、常见故障
据相关统计显示，2000~2005年间某省网属各电厂因DCS各类软、硬件故障引起的设备二类以上障碍共41起，占同期二类障碍以上设备异动总数的30.1%，是机组非计划停运的主要原因之一。其中，DCS控制器或I/0模件故障造成机组跳闸13次，设备异动10次;DCS电源故障或备用容量不足造成机组跳闸5次;DCS软件故障或控制逻辑错误造成机组跳闸3次，设备异动1次;调节系统品质劣化且运行干预不当造成机组跳闸2次;操作员站服务器死机手动MFT2次;通讯故障或信号干扰造成机组跳闸3次，设备异动2次。以上各类典型故障均与DCS性能考核试验的测试内容密切相关，严格考核将有利于促进制造商从系统整体考虑来提高DCS的性能与设备的可靠性。
四、通过性能考核试验提高 DCS可靠性
(1)现场可利用率试验方法与原则对不同配置水平的系统普遍适用，可以从试验结果考察系统的综合故障时间与正常利用率。由于控制系统考核试验时间较短，可结合基本性能与功能试验和调节系统性能品质试验对具体的DCS性能进行考核，以降低试验结果的偶然性。
(2)性能考校可促进控制系统技术发展，同时利用科学严格的考核指标抑制缩减配置的竞争，保证控制系统的高可靠性能。
(3)进一步充实与完善性能考核试验的内容，对涉及到系统安全和可靠性的分散度、独立性和完整性制定可操作的性能考核指标。
(4)对于末经过长期应用考验的新的或整体换代的DCS，严格的性能考核试验是对其技术均衡发展的制约与调节手段，可起到正确的引导与促进作用。
(5)为提高DCS的整体可靠性，不仅在基建机组中应严格进行性能考核试验，对于大修后的运行机组也可参照DCS基本性能与功能试验的要求其性能进行评估与考核。
五、结语
火电厂机组安全、稳定运行，DCS的可靠性是关键。DCS从控制功能的完善到实际应用需要经过应用、反馈、改进、应用的多次循环的考验过程，并通过其系统性能考核试验的指标，确定系统的投入应用。 DCS性能考核试验是提高DCS性能，确保其长周期、可靠运行和避免商业化造成系统性能下降的一种手段，需要随着DCS控制技术的发展不断地探索、研究和完善其试验内容，使DCS性能考核试验更加有效。