| 作者：贠小波 | |
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| 一、引言 1975 年美國Honeywell公司推出了第一套DCS系統(tǒng):TDCS-2000。經過多年的發(fā)展，當前全球約有數(shù)百家廠商推出了千余種DCS系統(tǒng)，廣泛應用于電力、石化、冶金等工控領域。世界上第一座火力發(fā)電廠是1875年在法國巴黎建成的，距今有130多年的歷史。第一座核電站是奧布尼斯克（Obninsk）核電站，于1954年在前蘇聯(lián)卡盧加州開始運行，距今有50多年的歷史。到上世紀末期DCS系統(tǒng)逐漸成熟后，火電廠和核電廠的儀控系統(tǒng)開始普遍采用DCS。 火力發(fā)電廠生產過程：煤等化石燃料在鍋爐爐膛中燃燒加熱水冷壁里的水使之變?yōu)檎羝?，鍋爐產生的蒸汽進入汽輪機，汽輪機旋轉帶動發(fā)電機發(fā)電。核能發(fā)電廠（壓水堆）的生產過程：反應堆中的核燃料經過核裂變反應產生熱量來加熱一回路的水，一回路的給水在蒸汽發(fā)生器中將熱量傳給二回路的給水使之轉化為蒸汽，蒸汽推動汽輪機轉動，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。這個過程與火力發(fā)電廠相似，因此核反應堆也被稱為“核鍋爐”。由于燃煤鍋爐與核鍋爐有著不同的能量轉換特性，也就注定了火電DCS與核電DCS有著不同的特點。 二、DCS系統(tǒng)的基本特點 2.1 高可靠性 由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在不同的計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各合計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。 2.2 開放性 DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網絡或從網絡中斷開，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。開放性另一方面表現(xiàn)在，當前主流的DCS產品幾乎都可以通過組態(tài)直接無縫集成第三方系統(tǒng)和設備，無需更改系統(tǒng)程序。 2.3 靈活性 通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關系，從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統(tǒng)。 2.4 易于維護 功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。 2.5 協(xié)調性 各工作站之間通過通信網絡傳輸各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。 2.6 控制功能齊全 控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解褐、自適應和預測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 三、火電DCS的側重點 以超臨界百萬火電機組為代表進行介紹。水的臨界狀態(tài)參數(shù)為22.12MPa, 37415℃，當機組主蒸汽壓力參數(shù)高于這一臨界狀態(tài)參數(shù)時，通常稱為超臨界參數(shù)機組。對于超超臨界參數(shù)，目前國際上尚無標準明確界定是多少，國內863課題把機組主蒸汽壓力為25MPa以上、主蒸汽溫度達580℃以上時，稱其為超超臨界機組。截止到2010年10月份，國內已經商運的百萬超臨界火電機組就達到了64臺，這些機組的熱控系統(tǒng)采用了四個廠家的DCS，其中采用西屋OVATION系統(tǒng)的44臺、采用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)的18臺、采用和利時HOLLIASMACS系統(tǒng)的1臺、采用國電智深EDPF-NT＋系統(tǒng)的1臺。綜合以上四家的儀控系統(tǒng)，總結出當前國內百萬火電機組DCS系統(tǒng)具有以下特點。 3.1 管控一體化成趨勢 常規(guī)火電廠按工藝生產流程分為單元機組部分、機組公用部分、電廠輔網部分，與之配套的傳統(tǒng)DCS也主要應用于這三塊主要生產流程上。而近年來，隨著計算機網絡技術、數(shù)據(jù)安全和容錯技術、模型仿真技術、實時數(shù)據(jù)庫技術不斷提高和電廠經營管理需求的不斷提高，火電廠DCS系統(tǒng)已經從單純的生產過程控制系統(tǒng)逐漸演變?yōu)橐约a過程控制系統(tǒng)（DCS）、生產管理系統(tǒng)、經營管理系統(tǒng)于一體的火電廠數(shù)字化系統(tǒng)，暨管控一體化系統(tǒng)，如圖1所示。在當前的火電DCS市場上，除了最基本的生產過程監(jiān)控系統(tǒng)之外，DCS廠商還要提供客戶集生產管理、經營管理、資產管理等于一身的全方位一體化控制系統(tǒng)（或留有與廠級數(shù)字網的通訊接口）。  3.2 儀控系統(tǒng)結構及子系統(tǒng)分類基本一致 常規(guī)火電單元機組為一套儀控系統(tǒng)，按工藝分為爐、機、電三部分，按功能分為DAS(Data Acquisition System數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、MCS(Modula:control System模擬量控制系統(tǒng)）、SCS(Sequence Control System順序控制系統(tǒng)）、FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）、ECS( Electro Control System 電氣控制系統(tǒng)）、DEH(Digital Electro-Hydraulic control System數(shù)字式電液控制系統(tǒng)）、BPCS(By-pass Control System旁路控制系統(tǒng)）、MEH (Boiler FeedPump Turbine Control System給水泵汽輪機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)）、ETS(Emergency Trip System緊急停機系統(tǒng)）、TSI(Turbine Supervisory Instrumentation汽輪機監(jiān)控儀表）等，以上多數(shù)功能都集中在一套DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)，只有FSSS、DEH、ETS、TSI設置獨立的監(jiān)控系統(tǒng)。而近年來隨著DCS系統(tǒng)可靠性和開放性的不斷提高，有些機組的FSSS和DEH功能也納入了DCS系統(tǒng)中，一般只保留ETS、TSI為獨立的監(jiān)控系統(tǒng)。 3.3 采用的控制算法先進 相當一部分先進的控制算法、控制模式已經應用到火電廠的自動化控制過程中。 (l) AGC自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control ) 自動發(fā)電控制（簡稱AGC）是現(xiàn)代電網控制的一項基本和重要功能，是建立在電網調度自動化能量管理系統(tǒng)（簡稱EMS）與發(fā)電機協(xié)調控制系統(tǒng)（簡稱CCS）間閉環(huán)控制的一種先進的技術手段。AGC能控制機組自動響應電網調度發(fā)出的負荷指令，結合一次調頻功能自動控制機組有功功率的增減，使電網頻率維持穩(wěn)定，同時使得發(fā)電和用電達到平衡。AGC提出雖已有10年時間，但前期應用自動化程度很不理想，近年來隨著CCS功能的不斷完善，使得 AGC才開始名符其實。上海外高橋三期百萬機組AGC應用是很成功的，另外，機組CCS功能還設置了熱控智能保護，此項功能在不降低現(xiàn)有保護可靠性的同時還減少了機組誤動和拒動的次數(shù)。 (2) FCB快速甩負荷（Fast Cut Back) 2008年3月，上海外高橋三廠百萬機組分別完成了75％和100％負荷的FCB功能試驗。試驗時，控制人員未做任何干預，事先未采取任何預防措施，僅依靠自動控制系統(tǒng)良好的協(xié)調控制能力，使機組做到全甩供電負荷時，發(fā)電機帶廠用電，鍋爐和汽輪機運行平穩(wěn)，真正實現(xiàn)了孤島運行。2011年6月寧夏寧東電廠＃2機組（660MW)100％額定功率快速甩負荷試驗成功。機組FCB試驗成功，表明機組主機設備、輔機設備、儀控DCS系統(tǒng)已經達到相當高的水平。試驗顯示：FCB功能不僅能顯著提高電廠運行的安全系數(shù)，還大大增強了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。 (3）優(yōu)化控制 由于當前電力市場的峰谷差日益增大，百萬機組也要參與電網調峰，如某DCS在提高機組負荷的快速響應能力上就進行了控制優(yōu)化，具體采用以下措施：①電網負荷指令變化后，調整汽輪機機前壓力設定值，從而提高負荷的初始響應速度；②將給水量和燃燒率的相互作用減小，增加燴值調整和機組調整的穩(wěn)定性；③ 采用負荷或分離器壓力校正調節(jié)參數(shù)，用變參數(shù)調節(jié)來提高調節(jié)品質。 四、核電DCS的側重點 我國核電站經過30多年的發(fā)展，目前在進入商運的機組有11 臺，分布在秦山（5臺）、大亞灣（2臺）、田灣（2臺）、嶺澳（2臺）。我國引進二代堆技術（法國M310）加以改進，形成了二代加壓水堆CPR1000及CP1O00（這兩種堆型同宗同源，除燃料組件數(shù)目不一致外，主要結構基本一致），同時我國也直接引進了三代堆技術AP1000和EPR。這四種堆型在我國都有項目在實施，會成為我國一定時間內的主流堆型。這四種堆型結構不同，所以他們采用的DCS儀控系統(tǒng)也不相同。本文提及的核電DCS選取AP1000、EPR、CPRI000這三種堆型采用的儀控系統(tǒng)為例。相比火電DCS，核電DCS具有以下不同之處。 4.1 核電廠DCS安全級別并非只有一類 各國對核電儀控系統(tǒng)的安全級別分類并不統(tǒng)一，其中美國只有核安全級和非安全級，但是歐洲卻將儀控系統(tǒng)分為A、B、 三個等級，目前我國核電儀控系統(tǒng)參照美國的做法也分為兩類。無論是三代堆AP1000和EPR，還是自我改善的二代加壓水堆（cPRl000、CPl000) ，這幾種堆型的核電廠DCS都包括以下部分，即核島DCS、常規(guī)島DCS和BOP(Balance of Plant）。核島 DCS主體屬于安全級設備范疇，常規(guī)島DCS和BOP屬于非安全級設備范疇。 4.2 核電廠DCS系統(tǒng)結構多樣 APl(XX）壓水堆采用的儀控系統(tǒng)是西屋公司的Common Q+OVATION平臺；EPR壓水堆采用的儀控系統(tǒng)是西門子的TXS+TXP 平臺；CPR1000壓水堆采用的儀控系統(tǒng)是三菱公司與和利時公司提供的MELTAC-NPlus R3+HOLLYSYSN平臺，CP1000壓水堆采用的儀控系統(tǒng)是工NVENSYS公司提供的TRICON+I/A平臺，下面對前三種平臺進行詳解。 (1) AP1000采用CommonQ+OVATION平臺，核島DCS采用 CommonQ平臺，常規(guī)島DCS采用OVATION平臺，整套DCS包括8大子系統(tǒng)：OCS(Operation and Control Centers system運行與控制中心系統(tǒng)）、DDS(Data Display and Processing System 數(shù)據(jù)顯示與處理系統(tǒng)）、PMS( Protection and Safety Monitoring System保護與安全監(jiān)督系統(tǒng)）、PLS(Plant Control System電站控制系統(tǒng)、Tos(Turbine control system 汽輪機控制與診斷系統(tǒng)）、ⅡS(Incore Instrumentation System 堆芯測量系統(tǒng)）、SMSgspecial Monitoring System 專用監(jiān)測系統(tǒng)0、DAS(Diverse Actuation System多樣化驅動系統(tǒng)）。系統(tǒng)結構如圖2所示。  (2) EPR采用西門子公司的TXS+TXP平臺，核島DCS采用TXS平臺，常規(guī)島DCS采用TXP平臺，整套DCS包括8大子系統(tǒng)：PICS (Process Information and Control Centers Systern過程信息和控制系統(tǒng)）SICS(safetv Information and Control Centers System安全信息和控制系統(tǒng)）、PAS(Process Automation System 過程自動化系統(tǒng)）、RCSL(Reactor Control , Surveillance and Limitation System 反應堆控制監(jiān)督和限制系統(tǒng)）、PS(Protection System 保護系統(tǒng)）、 TPcs(Turtiine Protection and Control System汽輪機保護和控制系統(tǒng)、SAS (Safety Automation System 安全自動化系統(tǒng)）、PACS(Priority and Actuator Control System優(yōu)先級和執(zhí)行器控制系統(tǒng)）。系統(tǒng)結構如圖3所示。  (3) CPRl000采用MELTAC-Nplus R3+HOLLYSYSN平臺，核島DCS采用MELTAC-NplusR3平臺，常規(guī)島DCS采用HOLLYSYSN平臺，核島DCS系統(tǒng)主要包括：RPC(Reactor Protection Cabinet 反應堆保護系統(tǒng)）、ESFAC( Engineered Safety Feature 。Actuation cabinet專設安全驅動系統(tǒng)）、SLC ( Safety Logic Cabinet 安全邏輯機柜系統(tǒng)）、RPCC( Reactor Power Control Cabinet 反應堆功率控制柜系統(tǒng)）、CCMS(Core Cooling Monitoring system Cabinet 堆芯冷卻監(jiān)測系統(tǒng)）、SR(Safety Related Cabinet安全相關系統(tǒng)）。常規(guī)島中汽輪機本體監(jiān)控采用ALSTOM公司的專用系統(tǒng)TGS，其它的汽輪機輔機和電氣監(jiān)控采用一套整體MACS系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖4所示。  4.3 核電DCS中的常規(guī)島儀控系統(tǒng)更可靠 (l）常規(guī)島重要的聯(lián)鎖保護功能由兩個冗余的獨立回路實現(xiàn)。這兩個回路，從信號源到保護信號的輸出都是互為冗余、相互獨立，分布在不同的機柜控制器內，相關的I/O冗余通道也是分布在不同的機柜控制器內?？煽啃陨峡紤]寧拒動勿誤動時，兩回路串聯(lián)輸出；可靠性上考慮寧誤動勿拒動時，兩回路并聯(lián)輸出。 (2）對于一些重要的輸出，在信號測量、控制器處理、執(zhí)行單元三個環(huán)節(jié)均進行了交叉冗余設置，只要同一個環(huán)節(jié)上不同時出現(xiàn)故障，這個保護回路就可以正常工作。這種設計是非常可靠的。在火電廠，一般只有汽輪機保護回路才采取這樣的配置，所以核電站的設計對控制的可靠性要求比火電廠要高得多。 4.4 功能設計上更可靠 為保證核電站安全、穩(wěn)定、經濟運行，核電DCS設計時必須遵循以下原則：單一故障原則、獨立性原則、多樣化原則、冗余性原則、故障安全原則、共模故障最小原則和經濟運行原則。 五、兩者的區(qū)別 火電機組DCS與核電機組DCS比較不是同一層面的比較，而是多方位多角度存在差異，本文僅狹義地比較DCS本身的差異： 5.1 DCS設計標準不同 (1）火電DCS設計遵循及參考的主要標準規(guī)程包括：電力部標準系列，如《中華人民共和國電力行業(yè)標準》（DL/T52104-2009R熱工儀表及控制裝置）、《火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)設計技術規(guī)定》（DL/T5175-2003）、《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)在線驗收測試規(guī)程 》等； 國際電工委員會標準類IEC系列，如《信息技術設備的安全要求》（IEC 60950）等； 美國儀器學會標準類ISA系列，如《數(shù)字處理計算機硬件測試》（ISA RP551）等；美國科學儀器制造商協(xié)會標準類SAMA系列，如《儀表和控制系統(tǒng)的功能圖表示法》（SAMA PMC22.1）等； 美國電子和電氣工程師學會標準類 IEEE系列，如《電廠分布式數(shù)字控制和監(jiān)視導則》（IEEE 1046-）等； 美國電子工業(yè)協(xié)會標準類EIA系列，如《數(shù)字終端設備與使用串行二進制數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)通訊設備之間的接口》 ( EIARS-485）等； (2）核電DCS設計遵循及參考的主要標準規(guī)程包括： 核安全法規(guī)類HAF系列，如《核電廠質量保證安全規(guī)定》(HAF003）、《核電廠設計安全規(guī)定》（HAF102）等； 核安全導則類HAD系列，如《核電廠質量保證大綱的制定》 （HAD003/0l）、《核電廠安全有關儀表和控制系統(tǒng)》（HAF102/16）等； 國際原子能機構標準類IAEA系列，如《核動力廠安全重要儀表控制系統(tǒng)》（IAEA-NS-G-1.3）等； 國際電工委員會標準類IEC系列，如《核電廠安全系統(tǒng)用計算機軟件》（IEC60880）等； 國家標準類GB系列，如《核反應堆保護系統(tǒng)安全準則》 （GB403）、《核電廠儀表和控制系統(tǒng)及其供電設備安全分級》（GB/T15474）等； 美國電子和電氣工程師學會標準類IEEE系列，如《數(shù)字計算機系統(tǒng)應用于核電站安全系統(tǒng)準則》（IEEE 7-4-3.2）等； 法國標準RCC系列，如《反應堆核電站核島電氣設備設計和建造規(guī)則》（RCC-E）等； 5.2 儀控設備安全級別不同 核電儀控設備按用途和功能分為安全級（IE）和非安全級（NC) 兩大類。在發(fā)生事故時和事故后為保護公眾所需的所有儀控設備為安全級，安全級以外的設備屬于非安全級。按此標準，核電DCS包括安全級DCS設備和非安全級DCS設備，而火電DCS只包括非安全級DCS設備。 5.3 系統(tǒng)體系結構不同 火電站一個單元機組DCS采用爐、機、電一體化控制。核電站一個單元機組分為三個子系統(tǒng)：核島DCS (1E級）、常規(guī)島DCS（NC級）、輔控島BOP-DCS(NC級）。 六、結束語 根據(jù)日本福島事故后核電安全檢察結果，即將出臺的《核電安全規(guī)劃》提出，國內未來新上核電項目要按照國際先進標準設計下一代核電站，在核電技術設備上要全面引進包括API000（美國西屋公司獨創(chuàng)的先進非能動壓水堆）和EPR（法國阿海法公司研發(fā)的歐洲壓水堆）在內的第三代核電技術，同時要求盡量新上大容量設備，安全指標和質量標準均比《核電中長期發(fā)展計劃 》要求更高。另外從能源地理結構上看，近期我國東部將限制火電審批，將以核能發(fā)電取而代之，“十二五”期間將形成山西等五大綜合能源基地加上中東部以興建核電為主的“5+l”能源格局。所以，核電和火電在我國當前的能源結構都是不可缺少的，與之配套的火電DCS與核電DCS也將互相借鑒、取長補短、共同獲得良好的發(fā)展。 |
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