李芝華　白琮宇

【摘 要】通過對(duì)熱控系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組跳閘原因的分析，提出采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)來提高熱控系統(tǒng)的可靠性。討論了冗余配置、邏輯優(yōu)化、信號(hào)鑒別、壞值剔除、容錯(cuò)控制、軟測量技術(shù)與故障診斷等幾種容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】邏輯優(yōu)化；容錯(cuò)控制；軟測量技術(shù)；故障診斷；冗余配置；可靠性

熱控系統(tǒng)的正確與完善，是大機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過故障分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)故障都是局部的設(shè)備故障所引起。為什么局部故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)組跳閘？熱控系統(tǒng)的整體可靠性該如何評(píng)價(jià)？有沒有科學(xué)的方法來避免熱控系統(tǒng)的誤動(dòng)？

1.熱控系統(tǒng)可靠性不高的原因

1.1設(shè)計(jì)上對(duì)可靠性考慮不夠

雖然近年來熱控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方面都有了很大的進(jìn)步，但熱控系統(tǒng)在可靠性上還是存在著不足，由熱控設(shè)備小故障所造成的機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)事件常有發(fā)生。尤其是新建機(jī)組投產(chǎn)后的前幾年，熱控專業(yè)通常都要進(jìn)行大量的改進(jìn)和完善工作。

1.2單點(diǎn)信號(hào)保護(hù)是系統(tǒng)的隱患

由于設(shè)備安裝位置條件的限止或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上的原因，在熱工聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)中還大量存在著使用單點(diǎn)信號(hào)作保護(hù)的情況，這些單點(diǎn)信號(hào)造成了保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)甚至機(jī)組跳閘，降低了熱控系統(tǒng)的可靠性。某300MW機(jī)組磨煤機(jī)保護(hù)跳閘邏輯中，“一次風(fēng)與爐膛差壓低低”動(dòng)作將跳所有磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)中僅采用一個(gè)邏輯開關(guān)，誤動(dòng)造成機(jī)組跳閘的概率非常大。

分析認(rèn)為：溫度測量系統(tǒng)、絕對(duì)振動(dòng)信號(hào)、位置開關(guān)、變送器等，由于故障時(shí)常發(fā)生，不宜用作單點(diǎn)保護(hù)。同時(shí)，單點(diǎn)保護(hù)還大大增加了因檢修維護(hù)不當(dāng)造成誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3冗余不足

DCS的設(shè)計(jì)應(yīng)采用合適的冗余配置、合理的分散度，使其具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任一組件（電源、控制器、通訊模件、I/O模件、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等）發(fā)生故障，都不應(yīng)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。但實(shí)際運(yùn)行中的DCS卻很難完全滿足上述要求，冗余失效和局部故障導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事故時(shí)有發(fā)生。

有些系統(tǒng)雖然是按冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但并未做到真正的冗余。比如，將冗余的通訊口做在了同一塊模件（有的甚至在同一個(gè)插接件），將冗余的保護(hù)信號(hào)組態(tài)在了同一塊模件，當(dāng)模件（插接件）發(fā)生故障時(shí)冗余失效。

對(duì)于冗余的獨(dú)立取樣系統(tǒng)同樣存在以下問題：雖然設(shè)計(jì)了冗余的變送器，但采用了同一取樣點(diǎn)，甚至共用了同一個(gè)一次閥門，或共用了同一個(gè)排污門。某600MW機(jī)組整套啟動(dòng)階段發(fā)生的2次MFT，都是由于取樣系統(tǒng)的冗余存在問題。

上述問題的存在，與熱控系統(tǒng)的投資、技術(shù)手段有關(guān)，更與熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念有關(guān)。

2.熱控系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)

2.1提高熱控設(shè)備的冗余度

為了使熱控系統(tǒng)具有較高的可靠性，合理的投入是很有必要的，也是最基本的保證。合理的投入是指選用高質(zhì)量的熱控設(shè)備，以及足夠的冗余度。

保護(hù)信號(hào)首先要可靠，尤其是一次測量元件。如果選取的測量信號(hào)本身不可靠，將其用作跳閘信號(hào)時(shí)則會(huì)大大增加誤動(dòng)的概率。如大型輔機(jī)的電機(jī)線圈溫度，目前已有許多機(jī)組將其由原來的跳閘改為報(bào)警，因?yàn)榇罅康倪\(yùn)行實(shí)踐表明，線圈溫度測量信號(hào)的故障率非常高，輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)常常不得不將故障的線圈溫度測量信號(hào)強(qiáng)制撤出。

冗余也就能容錯(cuò)，因此，引入冗余信號(hào)、避免單點(diǎn)故障引起跳機(jī)是常見的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法。對(duì)重要開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行冗余邏輯判斷，已經(jīng)成為火電廠控制系統(tǒng)普遍采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如采用三選二正確性判斷邏輯。當(dāng)重要邏輯信號(hào)由模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生時(shí)，對(duì)外部模擬量輸入信號(hào)通常采用三取中冗余判斷，并設(shè)置輸入信號(hào)量程及變化速率等壞信號(hào)檢查手段。對(duì)重要邏輯輸出信號(hào)進(jìn)行正確性檢查判斷，常采用二并、二串、二并二串的結(jié)構(gòu)。并聯(lián)輸出降低了拒動(dòng)的可能，但提高了誤動(dòng)的可能。串聯(lián)輸出降低了誤動(dòng)的可能，但提高了拒動(dòng)的可能。采用二并二串的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高可靠性的冗余控制輸出。

2.2硬件優(yōu)化和軟件優(yōu)化

在許多情況下，可以通過對(duì)硬件和軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)貎?yōu)化配置，使控制系統(tǒng)可靠性得到提高。

在熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行控制模件任務(wù)分配時(shí)，應(yīng)注意將成對(duì)或多臺(tái)組合配置的輔機(jī)控制（如磨煤機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵、兩側(cè)煙風(fēng)系統(tǒng)等）分配在不同控制模件中實(shí)現(xiàn)，以降低模件失效所帶來的影響。過去曾出現(xiàn)過許多因模件分配不當(dāng)，導(dǎo)致冗余失效的工程實(shí)例。如某600MW機(jī)組DEH系統(tǒng)3路“安全油壓力低”信號(hào)共用了同一塊模件，當(dāng)該模件異常時(shí)導(dǎo)致汽機(jī)跳閘。

2.3引入故障鑒別信號(hào)改善單點(diǎn)保護(hù)

應(yīng)盡量避免單點(diǎn)信號(hào)用于保護(hù)，當(dāng)不得不采用單點(diǎn)信號(hào)作保護(hù)時(shí)，建議應(yīng)引入故障鑒別信號(hào)。

對(duì)不可靠的單點(diǎn)信號(hào)保護(hù)（比如汽機(jī)振動(dòng)）增加邏輯條件后，新加入的任何條件（與原信號(hào)相與）都將改變?cè)瓉淼谋Ｗo(hù)機(jī)理。但如果采用引入故障鑒別信號(hào)的邏輯優(yōu)化方式，原來的保護(hù)機(jī)理未改變，也就不會(huì)增加保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。如對(duì)于汽機(jī)軸向位移單點(diǎn)保護(hù)，可以引入汽機(jī)高中低壓脹差作為故障鑒別信號(hào)。

2.4保護(hù)信號(hào)故障剔除

發(fā)電廠熱工輔機(jī)保護(hù)邏輯中，常采用軸承和電機(jī)線圈的溫度測量信號(hào)，當(dāng)測量信號(hào)超過定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，但由于溫度測量回路中的熱電阻很容易發(fā)生接觸不良或斷線的故障，使得保護(hù)誤動(dòng)。通?？梢岳肈CS I/O通道的故障診斷功能，如開路檢測、超量程檢測等對(duì)保護(hù)邏輯增加信號(hào)正確性判斷，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)將故障信號(hào)從保護(hù)回路中退出。對(duì)緩慢變化的溫度信號(hào)進(jìn)行正確性判斷，速率鑒別是最有效的方法。

2.5容錯(cuò)控制技術(shù)的研究

目前，容錯(cuò)控制技術(shù)在火電廠熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大多是針對(duì)模擬量控制系統(tǒng)變送器、執(zhí)行器的故障。

容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法將特定的容錯(cuò)控制技術(shù)應(yīng)用于火電廠熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更廣泛地探討提高控制系統(tǒng)可靠性的方法和途徑。比如在模擬量控制系統(tǒng)中采用的控制指令方向性閉鎖、禁開/禁關(guān)邏輯保護(hù)措施，以及在RB控制策略中的容錯(cuò)控制回路等等。

2.6軟測量技術(shù)與故障診斷

將軟測量技術(shù)應(yīng)用于熱工保護(hù)系統(tǒng)的故障診斷，可以大大提高熱控系統(tǒng)的容錯(cuò)控制能力。

軟測量技術(shù)是一門新興的應(yīng)用技術(shù)，它是通過構(gòu)造數(shù)學(xué)模型使不可測變量可視化，并形成“推斷控制”。目前，軟測量技術(shù)在電廠熱工過程中的研究和應(yīng)用尚處于起步階段，主要試圖解決一些熱工測量上存在的難題，如煙氣含氧量、飛灰含碳量等等。

本文在前面提出，可以引入汽機(jī)高中低壓脹差作為汽機(jī)軸向位移單點(diǎn)保護(hù)的故障鑒別信號(hào)。事實(shí)上，汽機(jī)軸向位移還與許多汽機(jī)參數(shù)相關(guān)，比如汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力P。若利用軟測量技術(shù)，建立汽機(jī)軸向位移與調(diào)節(jié)級(jí)壓力P之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，也是實(shí)現(xiàn)軸向位移故障信號(hào)鑒別的另一種思路。

盡管軟測量技術(shù)在電廠的應(yīng)用還是初步的嘗試，但已經(jīng)顯示出它的巨大潛力。由于軟測量選取可靠性較高的參考信號(hào)，由DCS系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型穩(wěn)定，是非常理想的主保護(hù)鑒別信號(hào)。

3.結(jié)束語

對(duì)火電廠熱控系統(tǒng)的可靠性研究，是當(dāng)前熱控專業(yè)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。在熱控系統(tǒng)中引入容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法，為邏輯優(yōu)化提出了明確的目標(biāo)；我們可以按容錯(cuò)的要求，主動(dòng)梳理控制邏輯，尋找保護(hù)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，有針性地進(jìn)行完善。我們可以引入熱控系統(tǒng)容錯(cuò)度的概念，作為評(píng)價(jià)熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的量化指標(biāo)；讓熱控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、制造兩個(gè)重要環(huán)節(jié)中的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者、設(shè)備供應(yīng)商去追求更高的可靠性目標(biāo)。

本文提出的熱控系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)思想，只是一個(gè)拋磚引玉的作用，容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法需要更多案例積累。希望通過進(jìn)一步地研究，形成一整套典型的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案，并推廣應(yīng)用，以指導(dǎo)以后的火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 [科]