改善火電廠保護(hù)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性.doc

改善火電廠保護(hù)控制系統(tǒng)的安全性和可靠性在二十世紀(jì)最后20年里，我國火力發(fā)電廠的自動化水平有了很大的提高，微機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS）已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，為確保機(jī)組電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行作出了貢獻(xiàn)。按照中國電力工程顧問有限公司提出的2000年電廠儀表和控制（IC）系統(tǒng)設(shè)計原則（參見文獻(xiàn)1），新世紀(jì)火力發(fā)電廠自動化的發(fā)展將著重于以下幾個方面：o進(jìn)一步擴(kuò)展DCS的功能范圍，實(shí)現(xiàn)一體化；采用先進(jìn)的控制軟件和優(yōu)化軟件，以進(jìn)一步發(fā)揮DCS的效能。o進(jìn)一步擴(kuò)大DCS物理分散的應(yīng)用，以減少電纜費(fèi)用。o實(shí)現(xiàn)全廠輔助車間和系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)和統(tǒng)一監(jiān)控，減少值班人員。o提高電廠管理的自動化水平，完善電廠管理和監(jiān)控信息系統(tǒng)的功能。上述設(shè)計原則的目標(biāo)是進(jìn)一步降低工程造價，提高電廠的經(jīng)濟(jì)性和綜合管理水平，似乎并未涉及或特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。實(shí)際上，進(jìn)入新世紀(jì)后，面對廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)、電力市場激烈競爭的形勢，各發(fā)電企業(yè)，在提高電廠經(jīng)濟(jì)性的同時，也將對電廠運(yùn)行的可靠性和安全性提出更高的要求。首先，保證電廠設(shè)備和人身安全，提高電廠可用率，不僅能確保提供穩(wěn)定的高質(zhì)量的電能，而且能延長設(shè)備運(yùn)行壽命、減少電廠的維修費(fèi)用，從而降低電廠的綜合發(fā)電成本，提高電廠競爭力。其次，為了開拓國際市場，我們正在承擔(dān)東南亞和中東地區(qū)電廠建設(shè)項(xiàng)目，其特點(diǎn)是以天然氣或油作為燃料；同時我國也正大力建設(shè)大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠或燃機(jī)電廠，這必然涉及到防火、防爆、防漏的安全監(jiān)視和控制。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，國家隊環(huán)境保護(hù)、勞動安全和防護(hù)也將要提出越來越嚴(yán)格的要求。因此，適時地學(xué)習(xí)和應(yīng)用國際上的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究電廠中安全相關(guān)的控制保護(hù)系統(tǒng)，改善電廠控制系統(tǒng)的安全性和可靠性應(yīng)當(dāng)受到各方面的重視。1.安全相關(guān)系統(tǒng)（Safety-relatedsystem）在國外有各種名稱，例如：安全儀表系統(tǒng)（safetyinstrumentedsystem）、關(guān)鍵控制系統(tǒng)（Criticalcontrolsystem）、安全解決方案（Safetysolutions）、故障安全系統(tǒng)（Failsafesystem）、聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)（Interlockprotectionsystems）等。安全相關(guān)的系統(tǒng)執(zhí)行必要的安全功能，以使被控對象達(dá)到或保持在安全狀態(tài)，并且同其他系統(tǒng)一起力圖使所要求的安全功能達(dá)到必需的安全完整性。它可以防止危險事件的發(fā)生和減少危險事件的影響（有關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)本身的故障或失效也導(dǎo)致危險事件）。當(dāng)發(fā)生危險事件時，安全相關(guān)系統(tǒng)將采取適當(dāng)?shù)膭幼骱痛胧?，防止被控對象進(jìn)入危險狀態(tài)，避免危及人身安全和/或損傷設(shè)備。安全相關(guān)系統(tǒng)可以分為安全相關(guān)控制系統(tǒng)和安全相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)。安全相關(guān)系統(tǒng)或功能可以是控制系統(tǒng)的一部分或控制系統(tǒng)的一個功能，例如：控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖保護(hù)功能，也可以是完全獨(dú)立的（Separatedorindependent）控制保護(hù)系統(tǒng)，安全相關(guān)系統(tǒng)通常包括以下各項(xiàng)（參見文獻(xiàn)2,3）：o緊急停機(jī)系統(tǒng)-Emergencyshut-downsystems（ESD）o防火和氣體監(jiān)視系統(tǒng)-Fireandgassystems（FG）o透平控制-Turbinecontrolo燃燒器管理-Burnermanagementsystems（BMS）o機(jī)械安全聯(lián)鎖系統(tǒng)-Machineryguardinterlockingsystems上述各項(xiàng)，在不同的工業(yè)領(lǐng)域或部門，可能有不同的定義和范圍，或者有其專用名稱，就火力發(fā)電廠而言，安全相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括：o爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS-Furnacesafeguardandsupervisorysystem）或稱燃燒器管理系統(tǒng)（BMS-Burnermanagementsystem），它包括了燃料安全系統(tǒng)（FSS-Fuelsafetysystem）和燃燒器控制系統(tǒng)（BCS-Burnercontrolsystem）o汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS-Emergencytripsystem）o汽機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)，它包括汽機(jī)或燃機(jī)起?？刂?、轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制，有時也包括超速保護(hù)和緊急跳閘功能o消防和氣體監(jiān)視系統(tǒng)（Fireprotectionandgasmonitorsystems）現(xiàn)代大型火電機(jī)組的控制和保護(hù)系統(tǒng)中，究竟有哪些系統(tǒng)是與安全有關(guān)的，應(yīng)當(dāng)規(guī)定何種安全等級？是個有待研究和討論的問題。2.為了促進(jìn)和規(guī)范安全相關(guān)的控制和保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計、制造和應(yīng)用，國外一直致力于制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲國家處于領(lǐng)先地位，最早的安全相關(guān)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)于20世紀(jì)70年代誕生在德國，是有關(guān)鍋爐/燃燒器起?？刂频?。此后，隨著儀表控制技術(shù)和控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)各種工業(yè)部門對安全相關(guān)系統(tǒng)性能要求的不斷提高，有關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新和完善，目前國際上常見的標(biāo)準(zhǔn)有：DIN.V.19250ControltechnologybasicsafetyevaluationofmeasuringandcontrolprotectiveequipmentDIN.V.VDE0801Principlesforcomputersinsafetyrelatedsystems(1991年)IEC-61508-2000Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystemsANSI/ISA.84.01.1996ApplicationofsafetyinstrumentedsystemsfortheprocessindustriesNFPA-85Boilerandcombustionsystemshazardscode（2001）IEEEstd7-432-1993IEEEstandardfordigitalcomputersinsafetysystemsofNuclearPowergeneratingstation其中，ANSI/ISA.84.01.1996已經(jīng)被美國OSHA（Occupationalsafetyandhealthadministration-職業(yè)安全和健康管理局）接受，廣泛應(yīng)用于北美。IEC61508將在2002年8月份正式成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。我國是IEC的重要成員，全國工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)委員會（TC124）也已確定IEC61508將作為我國國家標(biāo)準(zhǔn)。3.上世紀(jì)70年代中期以前，安全相關(guān)系統(tǒng)均由電磁繼電器組成，部分也采用固態(tài)集成電路構(gòu)成。80年代開始采用冗余的標(biāo)準(zhǔn)型可編程序控制器（PLC）。隨著對設(shè)備安全、人身安全和環(huán)境保護(hù)的要求越來越嚴(yán)格，各工業(yè)企業(yè)和儀表自動化行業(yè)對過程安全功能，即有關(guān)安全系統(tǒng)的的功能安全給予了極大的關(guān)注。于是，80年代中期以后，伴隨著微電子技術(shù)和控制系統(tǒng)可靠性技術(shù)的發(fā)展，專門用于有關(guān)安全系統(tǒng)的控制器系統(tǒng)、安全型PLC和安全解決方案（SafetySolution）得到迅速發(fā)展和推廣。目前，比較知名的安全控制系統(tǒng)產(chǎn)品有：TriconexTriconTMRsafetyandcriticalcontrolsystemTridentfault-tolerantcontrolsystemICSTriplexTriple-modularredundant(TMR)controlsystemHoneywellFSC2004DsafetysystemABBAugustTriguardSC300ETMRproductSafeguard400SiemensTelepermxPAS620Ffail-safeautomationsystemTeleperm-MEAS220EHFsail-safeautomationsystemSiemens/MooreQUADLOGsafetysystem另外，可編程控器(PLC)生產(chǎn)廠也推出了安全型的PLC系列，在產(chǎn)品設(shè)計中引入了表決和診斷功能，例如：SiemensSIMATICS7-400F/FHGEFanucHBR30HotbackupsystemTMR30TripleModularRedundantsystemsGMRGeniusModularRedundantsystemsAllen-BradleyGuardPLCSafetycontrolsystems世界上各知名的DCS生產(chǎn)廠，如FoxBoRo、ABB、Honeywell，為了提高自己的競爭能力，保持在工業(yè)控制領(lǐng)域中的份額，通過購買安全產(chǎn)品的專業(yè)生產(chǎn)廠家或者同專業(yè)生產(chǎn)廠結(jié)成聯(lián)盟，把DCS同安全型控制器緊密的綜合在一起，實(shí)現(xiàn)了無縫連接。為過程工業(yè)領(lǐng)域中有關(guān)安全的控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的安全型控制器，而采用統(tǒng)一的DCS人機(jī)接口創(chuàng)造了條件。在石油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)中，基于對防火、防爆和防止化學(xué)藥品對人身安全和環(huán)境影響的考慮，有關(guān)功能安全的標(biāo)準(zhǔn)和安全系統(tǒng)的應(yīng)用，一直受到人們的特別關(guān)注，安全相關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)，緊急停機(jī)系統(tǒng)（ESD）均采用獨(dú)立的，與基本的分散控制系統(tǒng)（BDCS）分離的專用的安全型控制器（參見文獻(xiàn)4）。根據(jù)制造廠（ABB、TRICONEx、GEFanuc）提供的初步資料，安全型控制系統(tǒng)和安全型可編程序控制器在國外火力發(fā)電廠中，90年代已經(jīng)有了許多應(yīng)用業(yè)績，主要用于鍋爐燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）和蒸汽/燃?xì)廨啓C(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)。4.在我國火力發(fā)電廠應(yīng)用DCS和PLC的初期，人們對采用可編程序軟邏輯實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，在動作速度和可靠性上存在疑慮，因此與機(jī)組安全有關(guān)的功能（如汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)ETS，主燃料跳閘MFT、汽機(jī)防進(jìn)水保護(hù)、主要輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)等）大多數(shù)情況下采用電磁繼電器或固態(tài)集成電路組成的硬接線邏輯。上個世紀(jì)80年代未國內(nèi),火力發(fā)電廠DCS應(yīng)用范圍開始擴(kuò)大到爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS和SCS(包括了輔機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)和汽機(jī)防進(jìn)水保護(hù)),于是形成了DCS完成四大功能(DAS,MCS,SCS,FSSS)的模式.國內(nèi)少數(shù)工程采用了由DCS制造廠提供故障安全型控制系統(tǒng)，例如：七臺河電廠300MW機(jī)組DCS系統(tǒng)為HoneywellTDC3000系統(tǒng)，F(xiàn)SSS功能采用Honeywell公司的故障安全型控制器FSC。沙嶺子電廠2300MW，TDC2000升級為TDC3000時也采用了FSC用于FSSS功能。嘉興電廠一期2300MW機(jī)組DCS為Siemens公司Teleperm-ME系統(tǒng)，F(xiàn)SSS中也采用了AS200EHF三冗余故障安全自動化系統(tǒng)用于FSS邏輯。國內(nèi)個別工程也曾仿照歐州國家的作法,規(guī)定微處理器軟邏輯完成保護(hù)功能時,須經(jīng)過安全認(rèn)證.但未得到共識和形成氣侯.由于我國火電廠所用的DCS系統(tǒng)是以美國技術(shù)為主導(dǎo)的，它并沒有專門用于安全保護(hù)功能的專用控制器，提高可靠性的辦法是采用冗余控制器。DCS中的控制和保護(hù)功能均由相同的通用控制器來完成的，因此，當(dāng)1994年修訂的火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程將機(jī)組順序控制系統(tǒng)和爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)等納入分散控制系統(tǒng)時，也并未對安全相關(guān)的保護(hù)聯(lián)鎖功能采用的控制器型式作出專門規(guī)定。進(jìn)入新世紀(jì)，給予DCS在電廠應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累和DCS性能和可靠性的提高，人們期望進(jìn)一步擴(kuò)大DCS的應(yīng)用范圍，賦予DCS更多的功能，實(shí)現(xiàn)所謂的一體化，發(fā)電機(jī)-主變組和廠用電源系統(tǒng)的控制、汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（DEH和MEH），都將納入DCS。2000年修訂的火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程已明確規(guī)定對于300MW及以上機(jī)組，當(dāng)響應(yīng)速度允許并有成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)時，也可將汽輪機(jī)保護(hù)納入DCS，但對采用何種類型的控制器并未做出規(guī)定。由于DCS一體化可以統(tǒng)一和簡化了操作員接口，減少備品備件品種，降低儀表控制的維修費(fèi)用和總投資，對電廠來說極具吸引力。但許多安全相關(guān)的系統(tǒng)和功能由DCS軟邏輯實(shí)現(xiàn)是否存在著某種隱患？是否應(yīng)當(dāng)對系統(tǒng)的故障模式和影響進(jìn)行分析，采取些必要的措施？值得深思。5.近期，筆者有機(jī)會閱讀了國外有關(guān)安全相關(guān)系統(tǒng)功能安全的標(biāo)準(zhǔn)，又對國外安全系統(tǒng)的產(chǎn)品和應(yīng)用情況作了粗淺的了解，深切地感到我們在這方面存在著明顯的差距。近十年來，由于對設(shè)備安全、人身安全以及環(huán)境影響的關(guān)注，工業(yè)企業(yè)對安全相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用加大了投入，開發(fā)了許多故障安全和容錯的安全系統(tǒng)。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，雙重冗余、三重冗余的帶診斷功能的控制