改善火电厂保护控制系统的安全性和可靠性

改善火电厂保护控制系统的安全性改善火电厂保护控制系统的安全性 和可靠性和可靠性 在二十世纪最后 20 年里 我国火力发电厂的自动化水平 有了很大的提高 微机分散控制系统 dcs 已经得到广泛应用 为确保机组电厂安全 经济运行作出了贡献 按照中国电力工程顾问有限公司提出的 2000 年电厂仪表 和控制 ic 系统设计原则 参见文献 1 新世纪火力发电厂 自动化的发展将着重于以下几个方面 o 进一步扩展 dcs 的功能范围 实现一体化 采用先进的 控制软件和优化软件 以进一步发挥 dcs 的效能 o 进一步扩大 dcs 物理分散的应用 以减少电缆费用 o 实现全厂辅助车间和系统的联网和统一监控 减少值班 人员 o 提高电厂管理的自动化水平 完善电厂管理和监控信息 系统的功能 上述设计原则的目标是进一步降低工程造价 提高电厂的 经济性和综合管理水平 似乎并未涉及或特别强调进一步提高 控制系统的安全性和可靠性 实际上 进入新世纪后 面对厂 网分开 竞价上网 电力市场激烈竞争的形势 各发电企业 在提高电厂经济性的同时 也将对电厂运行的可靠性和安全性 提出更高的要求 首先 保证电厂设备和人身安全 提高电厂可用率 不仅 能确保提供稳定的高质量的电能 而且能延长设备运行寿命 减少电厂的维修费用 从而降低电厂的综合发电成本 提高电 厂竞争力 其次 为了开拓国际市场 我们正在承担东南亚和中东地 区电厂建设项目 其特点是以天然气或油作为燃料 同时我国 也正大力建设大型燃气 蒸汽联合循环电厂或燃机电厂 这必然 涉及到防火 防爆 防漏的安全监视和控制 从长远发展来看 国家队环境保护 劳动安全和防护也将要提出越来越严格的要 求 因此 适时地学习和应用国际上的有关标准 研究电厂中 安全相关的控制保护系统 改善电厂控制系统的安全性和可靠 性应当受到各方面的重视 1 安全相关系统 safety related system 在国外有各种名 称 例如 安全仪表系统 safety instrumented system 关键 控制系统 critical control system 安全解决方案 safety solutions 故障安全系统 fail safe system 联锁保护系统 interlock protection systems 等 安全相关的系统执行必要的安全功能 以使被控对象达到 或保持在安全状态 并且同其他系统一起力图使所要求的安全 功能达到必需的安全完整性 它可以防止危险事件的发生和减 少危险事件的影响 有关安全相关系统本身的故障或失效也导 致危险事件 当发生危险事件时 安全相关系统将采取适当 的动作和措施 防止被控对象进入危险状态 避免危及人身安 全和 或损伤设备 安全相关系统可以分为安全相关控制系统和安全相关保护 系统 安全相关系统或功能可以是控制系统的一部分或控制系 统的一个功能 例如 控制系统的联锁保护功能 也可以是完 全独立的 separated or independent 控制保护系统 安全相关 系统通常包括以下各项 参见文献 2 3 o 紧急停机系统 emergency shut down systems esd o 防火和气体监视系统 fire and gas systems fg o 透平控制 turbine control o 燃烧器管理 burner management systems bms o 机械安全联锁系统 machinery guard interlocking systems 上述各项 在不同的工业领域或部门 可能有不同的定义 和范围 或者有其专用名称 就火力发电厂而言 安全相关系 统应当包括 o 炉膛安全监视系统 fsss furnace safeguard and supervisory system 或称燃烧器管理系统 bms burner management system 它包括了燃料安全系统 fss fuel safety system 和燃烧器控制系统 bcs burner control system o 汽机紧急跳闸系统 ets emergency trip system o 汽机或燃气轮机控制系统 它包括汽机或燃机起停控制 转速 负荷控制 有时也包括超速保护和紧急跳闸功能 o 消防和气体监视系统 fire protection and gas monitor systems 现代大型火电机组的控制和保护系统中 究竟有哪些系统 是与安全有关的 应当规定何种安全等级 是个有待研究和讨 论的问题 2 为了促进和规范安全相关的控制和保护系统的设计 制 造和应用 国外一直致力于制定相关的标准 欧洲国家处于领 先地位 最早的安全相关系统的标准于 20 世纪 70 年代诞生在 德国 是有关锅炉 燃烧器起停控制的 此后 随着仪表控制技 术和控制系统可靠性技术的发展 为适应各种工业部门对安全 相关系统性能要求的不断提高 有关安全相关系统的标准也不 断更新和完善 目前国际上常见的标准有 din v 19250 control technology basic safety evaluation of measuring and control protective equipment din v vde 0801 principles for computers in safety related systems 1991 年 iec 61508 2000 functional safety of electrical electronic programmable electronic safety related systems ansi isa 84 01 1996 application of safety instrumented systems for the process industries nfpa 85 boiler and combustion systems hazards code 2001 ieee std 7 432 1993 ieee standard for digital computers in safety systems of nuclear power generating station 其中 ansi isa 84 01 1996 已经被美国 osha occupational safety and health administration 职业安全 和健康管理局 接受 广泛应用于北美 iec 61508 将在 2002 年 8 月份正式成为欧洲标准 我国是 iec 的重要成员 全国工 业过程测量和控制标准委员会 tc124 也已确定 iec 61508 将 作为我国国家标准 3 上世纪 70 年代中期以前 安全相关系统均由电磁继电 器组成 部分也采用固态集成电路构成 80 年代开始采用冗余 的标准型可编程序控制器 plc 随着对设备安全 人身安全 和环境保护的要求越来越严格 各工业企业和仪表自动化行业 对过程安全功能 即有关安全系统的的功能安全给予了极大的 关注 于是 80 年代中期以后 伴随着微电子技术和控制系统 可靠性技术的发展 专门用于有关安全系统的控制器系统 安 全型 plc 和安全解决方案 safety solution 得到迅速发展和推 广 目前 比较知名的安全控制系统产品有 triconex tricon tmr safety and critical control system trident fault tolerant control system ics triplex triple modular redundant tmr control system honeywell fsc 2004d safety system abb august triguard sc300e tmr product safeguard 400 siemens teleperm xp as620f fail safe automation system teleperm me as220 ehf sail safe automation system siemens moore quadlog safety system 另外 可编程控器 plc 生产厂也推出了安全型的 plc 系列 在产品设计中引入了表决和诊断功能 例如 siemens simatic s7 400f fh ge fanuc hbr30 hot backup system tmr30 triple modular redundant systems gmr genius modular redundant systems allen bradley guard plc safety control systems 世界上各知名的 dcs 生产厂 如 foxboro abb honeywell 为了提高自己的竞争能力 保持在 工业控制领域中的份额 通过购买安全产品的专业生产厂家或 者同专业生产厂结成联盟 把 dcs 同安全型控制器紧密的综合 在一起 实现了无缝连接 为过程工业领域中有关安全的控制 系统采用独立的安全型控制器 而采用统一的 dcs 人机接口创 造了条件 在石油工业和化学工业中 基于对防火 防爆和防止化学 药品对人身安全和环境影响的考虑 有关功能安全的标准和安 全系统的应用 一直受到人们的特别关注 安全相关的保护系 统 紧急停机系统 esd 均采用独立的 与基本的分散控制系 统 bdcs 分离的专用的安全型控制器 参见文献 4 根据制造厂 abb triconex ge fanuc 提供的初步资 料 安全型控制系统和安全型可编程序控制器在国外火力发电 厂中 90 年代已经有了许多应用业绩 主要用于锅炉燃烧器管 理系统 bms 和蒸汽 燃气轮机控制和保护系统 4 在我国火力发电厂应用 dcs 和 plc 的初期 人们对采用 可编程序软逻辑实现保护功能 在动作速度和可靠性上存在疑 虑 因此与机组安全有关的功能 如汽机紧急跳闸系统 ets 主 燃料跳闸 mft 汽机防进水保护 主要辅机的联锁保护等 大 多数情况下采用电磁继电器或固态集成电路组成的硬接线逻辑 上个世纪 80 年代未国内 火力发电厂 dcs 应用范围开始扩 大到炉膛安全监控系统 fsss 和 scs 包括了辅机联锁保护和汽机 防进水保护 于是形成了 dcs 完成四大功能 das mcs scs fsss 的模式 国内少数工程采用了由 dcs 制造厂提供故障安全型控制系 统 例如 七台河电厂 300mw 机组 dcs 系统为 honeywell tdc3000 系统 fsss 功能采用 honeywell 公司的故障安全型控制器 fsc 沙岭子电厂 2 300mw tdc2000 升级为 tdc3000 时也采 用了 fsc 用于 fsss 功能 嘉兴电厂一期 2 300mw 机组 dcs 为 siemens 公司 teleperm me 系统 fsss 中也采用了 as200 ehf 三冗余故障安 全自动化系统用于 fss 逻辑 国内个别工程也曾仿照欧州国家的作法 规定微处理器软 逻辑完成保护功能时 须经过安全认证 但未得到共识和形成气 侯 由于我国火电厂所用的 dcs 系统是以美国技术为主导的 它并没有专门用于安全保护功能的专用控制器 提高可靠性的 办法是采用冗余控制器 dcs 中的控制和保护功能均由相同的 通用控制器来完成的 因此 当 1994 年修订的 火力发电厂设 计技术规程 将机组顺序控制系统和炉膛安全监控系统等纳入 分散控制系统时 也并未对安全相关的保护联锁功能采用的控 制器型式作出专门规定 进入新世纪 给予 dcs 在电厂应用经验的积累和 dcs 性 能和可靠性的提高 人们期望进一步扩大 dcs 的应用范围 赋 予 dcs 更多的功能 实现所谓的一体化 发电机 主变组和厂用 电源系统的控制 汽轮机电液控制系统 deh 和 meh 都将 纳入 dcs 2000 年修订的 火力发电厂设计技术规程 已明确 规定 对于 300mw 及以上机组 当响应速度允许并有成功的应 用经验时 也可将汽轮机保护纳入 dcs 但对采用何种类型的 控制器并未做出规定 由于 dcs 一体化可以统一和简化了操作员接口 减少备品 备件品种 降低仪表控制的维修费用和总投资 对电厂来说极 具吸引力 但许多安全相关的系统和功能由 dcs 软逻辑实现是 否存在着某种隐患 是否应当对系统的故障模式和影响进行分 析 采取些必要的措施 值得深思 5 近期 笔者有机会阅读了国外有关安全相关系统功能安 全的标准 又对国外安全系统的产品和应用情况作了粗浅的了 解 深切地感到我们在这方面存在着明显的差距 近十年来 由于对设备安全 人身安全以及环境影响的关注 工业企业对 安全相关系统的开发和应用加大了投入 开发了许多故障安全 和容错的安全系统 随着微电子技术的迅速发展 双重冗