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1、n安全生产论文：百万千瓦超超临界机组功能安全系统应用研究摘要：随着功能安全系统国家标准GB/T204382006的发布及实施，天津北疆电厂首次将功能安全系统应用于百万千瓦级超超临界发电机组锅炉保护系统，大大地提高了单元机组保护系统的可靠性，同时为功能安全系统在国内大型火电机组上的应用做了非常有益的尝试，也是天津北疆电厂循环经济示范项目的一大亮点。关键词：功能安全火电厂锅炉保护系统1概述天津北疆电厂工程是我国黄河以北第一台百万千瓦等级超超临界发电机组，也是我国践行科学发展观和节能减排要求的循环经济示范项目。该项目规划建设41000MW燃煤发电超超临界机组和40万吨/日海水淡化装置，一期工程建设2
2、1000MW机组和20万吨/日海水淡化装置，总投资123亿元，由国投电力有限公司控股的天津国投津能发电有限公司负责开发运营。2009年，该项目1、2号机组相继投入商业运行，标志着我们国家循环经济战略和节能减排战略取得了重大进展。该项目采用“发电海水淡化浓海水制盐土地节约整理废物资源化再利用”循环经济模式，共有发电工程、海水淡化、浓海水制盐、土地节约整理和废弃物综合利用等五个子项目。主要技术都采用了当今国际先进技术，部分填补了国内空白，其中发电工程采用目前国际最先进的“高参数、大容量、高效率、低排放”百万级超超临界发电机组，其控制系统采用了Emerson公司最先进的Ovation分散控制系统。同
3、时，该项目也是首次将功能安全系统应用于百万级超超临界发电机组锅炉保护系统的项目。2功能安全系统2000年2月，国际电工委员会（IEC）发布了功能安全基础标准IEC 61508，该标准解决了困扰业内多年的对复杂安全系统功能安全保障的理论与实践问题，在工业界引起强烈反响。许多专家认为：IEC61508实现了安全技术和管理理论的一大突破,其首次提出的安全完整性等级(SIL)概念今后将成为各相关领域内合同的必备条款。在欧洲首先采用该标准后，2003年底，美国开始采用并同欧洲一样将其列为安全行业强制性实施标准。2007年1月1日，IEC 61508对应的中国国家标准GB/T 204382006，发布并开
4、始实施。在IEC 61508发布后，国际上又针对各应用领域特定的应用范围，以及所存在的潜在风险和危险，推出了适用于不同行业的功能安全标准。其中针对流程工业的功能安全标准是IEC 61511，其相应的国家标准GB-T 21109过程工业领域安全仪表系统的功能安全也已经发布并实施。目前功能安全系统的标志性指标“安全完整性等级（SIL）”，已经逐步成为国内外火力发电领域很多工程合同的必备条款。功能安全系统是以系统功能的可靠执行来保证安全，它防止的是安全相关系统或设备的功能失效所导致的风险。例如，在火力发电厂中，锅炉炉膛安全监控系统（FSS）的功能是当锅炉发生危险情况（如炉膛压力过高）时，紧急动作，使
5、锅炉安全地停下来。功能安全研究的对象是与人身和财产的安全密切相关的系统，包括安全控制系统和安全保护系统两大类，国际上统称为安全相关系统。安全相关系统是指执行必要的安全功能，以使被保护对象处于安全状态的系统。当危险事件发生时，安全相关系统将采取适当的动作和措施，防止被保护对象进入危险状态，避免危及人身安全，保护设备和财产不受损失。总体来说，功能安全系统的应用是为了减少危险事件发生的概率，或降低危险事件造成的损坏，最终实现要求的安全目标。在功能安全标准IEC 61508/GB/T 20438中，提出了安全完整性等级（SILsafe integrated level）的概念，用四级SIL表示安全相关
6、系统实现风险降低的能力。SIL1表示可以将风险降低一级，相当于可以将一年发生一次的故障降低为十年发生一次。SIL3则表示可以将风险降低三级。SIL级别越高，技术系统越复杂，表示的安全级别越高。3国内火电厂中控制和保护系统应用的现状我国火电厂所用的分散控制系统（DCS），最初由美国引进，系统中并没有专门用于安全保护功能的子系统或专用控制器，提高可靠性的办法通常是采用硬件的冗余配置。从控制器的冗余，到电源模件、通信总线的冗余，以及I/O模件的冗余。进入20世纪90年代以后，越来越多的火电厂中，DCS的应用范围进一步扩大，DCS被赋予了更多的功能，同时业主也希望实现更大范围的一体化，不仅将汽轮机电液
7、控制系统（DEH和MEH）、汽轮机危急保护系统（ETS）、发电机-变压器组、厂用电源系统等纳入DCS，近几年中，更是将旁路系统、空冷系统、脱硫系统的监控全部纳入DCS。在DCS中，单元机组的控制和保护功能均由相同的控制通用器来完成。在这种状况下，1994年修订火力发电厂设计技术规程时，只是提出机、炉保护系统纳入分散控制系统时，应单独冗余设置逻辑控制器，并未对采用的硬、软件作出专门规定。近几年，随着国内火力发电机组容量的加大，单机容量600MW乃至1000MW的大型火力发电机组已经成为我国电网的主力机组，而大型机组的保护系统，尤其是锅炉保护系统与小机组的锅炉保护系统基本一样，都是采用DCS的控制
8、通用器。4天津北疆电厂工程功能安全系统的应用4.1北疆电厂锅炉本体及工艺系统特点锅炉采用上海锅炉厂引进阿尔斯通公司技术生产的第一台超超临界、变压运行、单炉膛双切圆、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、型布置、螺旋管圈直流炉。锅炉本体为单炉膛八角双切圆燃烧方式，每角设六只煤燃烧器及三只油燃烧器，共48只煤燃烧器及24只油燃烧器。每只油燃烧器配有一套点火装置，每套点火装置装有一只点火油枪，共24只点火油枪。每角设有2只摆动火嘴。二次风门共200个。4.2北疆电厂锅炉保护系统的选择在北疆工程开展施工图的初期，国内对于功能安全系统的应用还处在研究阶段，相关的国家标准还未发布。国内已经运行和正在建设的百万
9、千瓦火电机组，仅在个别机组在随主机配套供货的汽轮机保护系统（ETS）中，局部采用了功能安全模件，并未提供完整的功能安全系统。在这种情况下，我们通过对功能安全系统的学习和培训，逐步地认识到了功能安全系统对于大型火电机组的重要性和必要性，以及它可能为业主带来的社会效益和经济效益。因此，在分散控制系统（DCS）招标之前，通过设计院与项目业主的沟通和讨论，共同确定在北疆工程的锅炉保护系统采用符合IEC标准的、经权威机构认证的功能安全系统。（注：当时汽轮机控制和保护系统已经随主机成套供货）。通过大量地工作之后，我们从能够提供功能安全系统的供货商中，筛选了三家具有TV认证资质、在大型火电机组的锅炉保护系统
10、上有应用业绩的供货商有：美国Honeywell公司、美国Tricon公司、以及德国HIMA公司。同时考虑到保护系统与控制系统的联系，以及国内火电厂的常规采购方式，为了既明确责任又能使项目顺利实施，确定锅炉保护系统与DCS合并招标，由DCS供货商按招标书要求，统一按上述三家系统报价，统一供货。DCS通过招投标，最终确定采用上海Emerson公司的Ovation分散控制系统和德国HIMA公司的功能安全系统。4.3北疆电厂工程锅炉保护系统的配置北疆工程锅炉保护系统，即通常所说的锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）中FSS（锅炉保护系统）采用了德国HIMA公司的功能安全系统，而燃烧器管理系统（BCS）采用
11、了Emerson公司的Ovation系统。由于功能安全系统的责任重大，对其可靠性的要求非常高。安全系统应能通过自诊断和测试发现隐性故障，执行相关功能以保证系统的正常工作。即当安全系统内部出现随机的、共同原因故障，或者系统自身出现故障时，该系统不会出现安全功能的丧失或误动作，也不会引发人员伤亡和损坏设备等事故情况。如果将安全系统功能设计在DCS控制系统内，当出现异常情况时，操作人员可能依靠人为判断进行处理，这将具有一定的危险性。北疆电厂FSS采用了德国HIMA公司的功能安全系统，该系统采用了世界上最先进的QMR四重化诊断系统，具有最大的实用性和冗余容错结构，是TV认证的SIL3产品。该系统具有三
12、级安全切断功能：根据系统故障的位置或者严重性的不同，分为卡件级安全切断，组级安全切断和系统级安全切断。首先，卡件级安全切断是在安全输出卡件的硬件电路上整合了“一体化安全切断电路”，使输出卡件除了具备必需用于安全停车的常规输出和诊断以外，还有独立的第三个切断功能电路集成在输出模件中去实现安全切断的功能，从而保证输出卡件更可靠；第二是安全组切断：相关设备的信号被分在同一个安全组中，一个安全组的硬件故障仅仅造成相关安全组被切除，不会使问题扩大化；第三是系统级的安全切断，当出现系统级的故障时，安全系统的“最高管理层”就会通过硬电路比较器和一个看门狗（watchdog）电路，发出对所有输出卡件的切断触发
13、信号，从而使过程系统处于安全状态。从系统可用性的角度来看，这三级切断的影响不同，卡件级的故障仅仅切断故障卡件，组内的故障仅仅切断组内硬件，只有系统级的切断会停掉整个系统。不同级别的安全切断设计不但能够保证当故障发生时确保系统置于所需要的安全状态，也保证了尽可能小范围的故障影响。该系统的另一个特点是，采用了经过TV功能安全认证的的编程组态软件ELOPII。该软件除具有普通编程软件的常规功能外，具有反向编译功能并通过TUV的安全测试认证，因此部分修改不需全部编码，更加方便调试和维护。同时该软件具有系列功能安全标准功能块，包括本身硬件诊断系统的监控模块，也包括针对BMS及FSS应用的标准逻辑功能块（
14、如MFT，首出报警等），并符合IEC 61508的SIL3标准，以及TV认证的功能块；该软件中还集成了源代码比较器、目标代码比较器和经过认证的编译器。在创建、下载和修改用户程序过程中只有经过测试的应用程序才允许被下载到控制器中，并且监控冗余的控制器保持一致的程序代码，如有不一致直接产生报警。4.4北疆电厂工程锅炉保护系统的运行情况截止到目前，北疆电厂锅炉保护系统运行情况良好，未发生过任何拒动和误动作的情况，而且从大型火力发电机组的重要性来看，保护系统与控制系统独立设置，无论从电源供电的可靠性，还是从电子设备的分别配置，都大大提高了机组保护系统的可靠性，从而提高了机组的可用性。5结束语天津北疆电厂作为国内首台采用独立功能安全系统的百万千瓦级超超临界发电机组，为国内功能安全系统在大型火电机组上的应用做了非常有益的尝试，该项目的成功投运也成为循环经济示范项目的一大亮点。虽然在具体的应用中还有一些需要总结提高的地方，但其本身已经为今后国内大型火电机组采用更可靠的设计提供了可供借鉴的经验
