淺談發(fā)電廠實(shí)行DCS控制系統(tǒng)解決方案
1.300MW循環(huán)流化床機(jī)組
1.1機(jī)組特點(diǎn)
循環(huán)流化床鍋爐是被國際公認(rèn)的高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)，是國家重點(diǎn)鼓勵(lì)和發(fā)展的環(huán)保節(jié)能項(xiàng)目。該鍋爐具有燃燒效率高，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，無需加裝脫硫、脫硝裝置即可實(shí)現(xiàn)90%脫硫率，滿足環(huán)保要求，以經(jīng)濟(jì)的方式解決大氣污染問題，而且煤種適應(yīng)性廣，排出的灰渣活性好，容易實(shí)現(xiàn)綜合利用。目前國內(nèi)300MW等級循環(huán)流化床鍋爐消化引進(jìn)阿爾斯通技術(shù)，和常規(guī)煤粉鍋爐相比主要在燃燒系統(tǒng)方面存在差異其具有如下特點(diǎn)：
通常鍋爐四角分別布置4個(gè)返料器和4個(gè)外置流化床，外置床中布置了中溫過熱器，低溫過熱器和高溫再熱器等鍋爐受熱面。
鍋爐左右兩側(cè)配有風(fēng)道燃燒器，每側(cè)風(fēng)道燃燒器含有兩支油槍，床上左右兩側(cè)各配有4支床上油槍。
風(fēng)煙系統(tǒng)中一次風(fēng)作為主要流化風(fēng)，二次風(fēng)分上中下分級送風(fēng)助燃，多路流化風(fēng)對返料器、外置床等受熱室起到流化作用。
風(fēng)煙系統(tǒng)中灰循環(huán)的合理建立是鍋爐穩(wěn)定燃燒的重要前提，也是控制床溫、再熱汽溫的基礎(chǔ)。
由于循環(huán)流化床鍋爐的復(fù)雜性，鍋爐爐膛安全監(jiān)測系統(tǒng)和常規(guī)煤粉爐有較大差別，包含鍋爐跳閘BT、送風(fēng)跳閘AT和主燃料跳閘MFT三個(gè)主要跳閘信號。
由于循環(huán)流化床鍋爐的大滯后特性，自動(dòng)控制難點(diǎn)在協(xié)調(diào)控制，床溫控制、床壓控制、過熱汽溫控制和再熱汽溫控制。
對于循環(huán)配套直接空冷系統(tǒng)，直接空冷的控制關(guān)鍵在于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速主指令控制，即如何設(shè)定好背壓是一個(gè)關(guān)鍵，既能夠考慮到汽輪機(jī)效率，又能考慮到風(fēng)機(jī)電耗率，達(dá)到一個(gè)最佳經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)兼顧到低溫防凍保護(hù)。
圖1-1循環(huán)流化床機(jī)組示意圖
1.2配置方案
蒙西DCS項(xiàng)目由DAS、FSSS、SCS、MCS、DEH、ECS、ACC等部分組成，總點(diǎn)數(shù)約20000點(diǎn)，采用TPS系統(tǒng)，總配置單元機(jī)組配置控制器18×2對，公用系統(tǒng)配置控制器2對，ACC配置控制器2×2對，操作員站6×2臺(tái)，工程師站2×2臺(tái)，OPC接口服務(wù)器1×2臺(tái)。單元機(jī)組系統(tǒng)配置如下圖所示。
圖1-2循環(huán)流化床機(jī)組配置方案圖
2 輔機(jī)一體化
2.1工藝特點(diǎn)
火力發(fā)電站的傳統(tǒng)輔控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
按照工藝系統(tǒng)的劃分，形成了多個(gè)相互獨(dú)立信息孤島
各個(gè)輔助控制系統(tǒng)物理位置上較為分散
各個(gè)輔助控制系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，運(yùn)行人員配置多
系統(tǒng)種類多，維護(hù)困難
與電廠主機(jī)DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)的信息共享困難
因?yàn)閭鹘y(tǒng)輔控系統(tǒng)表現(xiàn)出來的以上問題，在信息化技術(shù)和控制技術(shù)日益成熟今天，輔控系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電站輔控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。輔機(jī)一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)：
各分系統(tǒng)通過高速網(wǎng)絡(luò)相連，信息共享便捷，便于系統(tǒng)間協(xié)調(diào)配合
集控運(yùn)行統(tǒng)一布置，運(yùn)行人員配置少，減員增效明顯
各系統(tǒng)的一體化選型和設(shè)置大大減少了熱工人員的維護(hù)工作量
可以通過單一接口與DCS、SIS等系統(tǒng)相連，接口配置大大簡化，減少了投資
輔網(wǎng)一體化為將來的主機(jī)輔網(wǎng)一體化奠定了基礎(chǔ)
2.2配置方案
以一套2X600MW機(jī)組的典型輔機(jī)一體化系統(tǒng)為例，其推薦配置方案如下圖。該系統(tǒng)初步包括了輸煤系統(tǒng)、水務(wù)系統(tǒng)和除灰除渣系統(tǒng)。根據(jù)不同電廠的要求，脫硫系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)等也可以并入系統(tǒng)。該輔機(jī)一體化系統(tǒng)配置了一臺(tái)全局工程師站、三臺(tái)分系統(tǒng)工程師站、四臺(tái)操作員站。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用容錯(cuò)工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，為兩條冗余100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)。根據(jù)物理距離的遠(yuǎn)近，通訊介質(zhì)可以靈活采用屏蔽雙絞線、光纖或者是光纖與雙絞線的混合配置。系統(tǒng)對外提供了統(tǒng)一的接口服務(wù)器，采用OPC規(guī)范。同時(shí)，在系統(tǒng)融合了閉路電視系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場生產(chǎn)視頻情況的同步監(jiān)測。
圖2-1輔機(jī)一體化系統(tǒng)配置方案圖
3 輸煤控制
3.1工藝特點(diǎn)
系統(tǒng)基本工藝流程是將煤場的煤經(jīng)輸煤皮帶和碎煤樓輸送至各原煤倉。
系統(tǒng)控制設(shè)備較多，控制分散，覆蓋距離遠(yuǎn)。主要設(shè)備包括給料機(jī)，除鐵器，碎煤機(jī)，三通分料器，犁煤器和速度，跑偏，拉繩等就地保護(hù)設(shè)備，設(shè)備間具有一定的聯(lián)鎖保護(hù)關(guān)系。
輸煤流程具有順序性特點(diǎn)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，按照逆煤流方向逐臺(tái)進(jìn)行；系統(tǒng)停止時(shí)，按照順煤流方向逐臺(tái)進(jìn)行。
輸煤系統(tǒng)具有順序輸煤功能，自動(dòng)配煤功能和余煤配煤功能。
考慮到電廠的輸煤程控控制對象較分散，在離控制室較遠(yuǎn)的皮帶和煤倉附近設(shè)置遠(yuǎn)程IO站。
3.2配置方案
根據(jù)輸煤程控自身特點(diǎn)，以內(nèi)蒙古太西煤集團(tuán)長山自備電廠輸煤工程應(yīng)用為例，采用SIEMENSS7-300系列控制系統(tǒng)，采用雙機(jī)熱備配置，主備采用完全相同的配置，即雙機(jī)架、雙電源、雙CPU、雙通訊模塊，雙機(jī)做到無擾切換；控制層通訊采用PROFIBUS-DP通訊，監(jiān)控層采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，控制器冗余采用西門子軟冗余方式，控制系統(tǒng)配置UPS電源的雙供電系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，上位機(jī)配置兩臺(tái)研華工控機(jī)，完成系統(tǒng)的操作任務(wù)。
圖3-1輸煤控制系統(tǒng)配置方案圖
4 空冷控制
4.1工藝特點(diǎn)
空冷（ACC）主要將汽輪機(jī)排汽用空氣冷卻成水，達(dá)到保證生產(chǎn)同時(shí)節(jié)約水資源目的。該空冷控制系統(tǒng)包括順流風(fēng)機(jī)、逆流風(fēng)機(jī)、冷凝水排水閥、豎管閥、抽空閥、抽空泵、抽空泵進(jìn)口閥、抽空泵給水電磁閥和旁路抽空閥等設(shè)備，以及油壓開關(guān)、振動(dòng)開關(guān)、電機(jī)電流等信號采集裝置，要求一鍵啟動(dòng)且所有風(fēng)機(jī)和閥門自動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)背壓穩(wěn)定，系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
控制對象為風(fēng)機(jī)和閥門，雖然數(shù)量較少，但是內(nèi)部邏輯很精細(xì)，要求一鍵啟動(dòng)且全設(shè)備全部自動(dòng)控制且控制回路較簡單，閉環(huán)控制較少，開環(huán)控制較多，實(shí)時(shí)性要求不太高，控制對象較分散， 控制使用的PID較少，順控較多，而且大部分順控要求循環(huán)控制，即一直在運(yùn)行保護(hù)要求不多但是各個(gè)設(shè)備連鎖密切， 因此，空冷控制系統(tǒng)是一個(gè)以開關(guān)量為主，模擬量為輔并伴有少量調(diào)節(jié)回路的系統(tǒng)，屬于典型的混合控制系統(tǒng)。
圖4-1空冷控制系統(tǒng)操作平臺(tái)
4.2配置方案
以蒙西發(fā)電廠2X300MW機(jī)組脫硫島為例，控制系統(tǒng)采用Honeywell公司TPS系統(tǒng)。單元機(jī)組空冷島控制系統(tǒng)采用1面電源分配柜，1面系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)柜，2面HPM控制器柜，配置2面繼電器柜。同時(shí)單元機(jī)組空冷島控制系統(tǒng)配置1臺(tái)工程師站，2臺(tái)操作員站，1臺(tái)OPC服務(wù)接口站。
圖4-2單元機(jī)組空冷控制系統(tǒng)配置方案圖
5 脫硫控制
5.1工藝特點(diǎn)
電廠脫硫是將燃煤機(jī)組煙氣中的含硫化合物降低到符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)的一種工藝，目前常應(yīng)用比較廣的是濕法脫硫工藝。該工藝主要包括工藝水系統(tǒng)，石灰石漿液制備、輸送系統(tǒng)，吸收塔系統(tǒng)，石膏脫水系統(tǒng)，煙氣系統(tǒng)等子工藝系統(tǒng)。主要設(shè)備有濕式球磨機(jī)、漿液輸送泵、氧化風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵以及增壓風(fēng)機(jī)等。就其控制系統(tǒng)而言，濕法脫硫工藝一般具有以下特點(diǎn)：
煙氣脫硫的控制對象比較特殊但數(shù)量較少，控制對象較分散，控制使用的PID較少，控制回路較簡單；閉環(huán)控制較少，開環(huán)控制較多，實(shí)時(shí)性要求不太高。另外，順控較多，注重的是時(shí)間控制，保護(hù)要求不多。因此，脫硫控制系統(tǒng)是一個(gè)以開關(guān)量為主，模擬量為輔并伴有少量調(diào)節(jié)回路的系統(tǒng)，屬于典型的混合控制系統(tǒng)，其控制I/O點(diǎn)數(shù)約3000點(diǎn)。
5.2配置方案
以貴州黔東發(fā)電廠2X600MW機(jī)組脫硫控制系統(tǒng)為例，其采用的配置方案如下圖所示。該方案以ABControlLogix系列控制器為硬件平臺(tái)，采用RSLogix系列下位機(jī)編程軟件和RSView32上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)。
系統(tǒng)共配置三對ControlLogix冗余控制器，采用1794系列分布式I/O。分布式I/O采用冗余通訊的ControlNet網(wǎng)絡(luò)?？刂破髋c操作站的通訊采用冗余的100M以太網(wǎng)。配置兩臺(tái)就地操作站，兩臺(tái)集控室操作站，一臺(tái)歷史站和工程師站。另外配置一臺(tái)A3和A4網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。SOE如需要，可單獨(dú)配置控制器實(shí)現(xiàn)。
5.3關(guān)于電氣控制進(jìn)入DCS的討論
將爐、機(jī)、電作為一個(gè)整體，更有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的綜合自動(dòng)化和提高管理水平，且單元機(jī)組可真正達(dá)到完全集控運(yùn)行，方便實(shí)現(xiàn)AGC（Automation Generator Control）功能。
電氣系統(tǒng)監(jiān)控過去很長一個(gè)時(shí)期內(nèi)，都采用強(qiáng)電“一對一”硬手操控制，發(fā)電廠電氣設(shè)備的控制絕大部分為作用于斷路的簡單的跳、合、邏輯控制，其操作開關(guān)布置在電氣控制屏臺(tái)上，電氣常規(guī)控制的最大問題是所有斷路器需要運(yùn)行人員一對一手動(dòng)操作，而且因控制室屏面的限制，大量廠用電系統(tǒng)的開關(guān)只能就地操作，這種控制模式對當(dāng)前發(fā)電廠的“減人增效”不利，也使電廠自動(dòng)化水平的提高受到制約。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和用于工業(yè)過程控制DCS設(shè)備制造質(zhì)量的完善提高，發(fā)電機(jī)，變壓器以及廠用電系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)已成功的納入了DCS監(jiān)控，對于電氣的專用自動(dòng)裝置如發(fā)電機(jī)的AVR，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，廠用電源快切裝置，繼電保護(hù)系統(tǒng)等仍采用專用裝置來實(shí)現(xiàn)。這些裝置可用通信方式或硬接線方式與DCS接口，另外設(shè)置必要的緊急跳閘按鈕，實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電一體化控制功能。
電氣控制系統(tǒng)進(jìn)入DCS后，對于電氣和熱控兩個(gè)專業(yè)調(diào)試工作的分式、配合也有新的問題，原則上熱控人員應(yīng)負(fù)責(zé)DCS系統(tǒng)維護(hù)工作，而所有電氣信息的處理，電氣控制，連鎖保護(hù)邏輯功能應(yīng)由電氣人員負(fù)責(zé)，全部電氣控制功能應(yīng)由電氣人員負(fù)責(zé)試驗(yàn)。
5.4關(guān)于DCS一體化程度問題的研討
一體化的DCS方案可有2種，方案1是在工程條件具備時(shí)，采用設(shè)備型號統(tǒng)一的DCS一體化方案，方案2并不強(qiáng)調(diào)控制設(shè)備型號統(tǒng)一，但力求運(yùn)行監(jiān)控運(yùn)行維護(hù)及信息共享的一體化。筆者認(rèn)為目前在推行一體化的過程中，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)運(yùn)行監(jiān)控運(yùn)行維護(hù)及信息共享的一體化，盡量整合，但不必強(qiáng)求設(shè)備型號的統(tǒng)一，對于一些與主設(shè)備配合密切，控制方式相對獨(dú)立的控制系統(tǒng)，如FSSS熄火保護(hù)系統(tǒng)，汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）及旁路系統(tǒng)等，則需根據(jù)DCS廠家是否有這些控制的成熟經(jīng)驗(yàn)及成熟產(chǎn)品（專用算法、專用接口設(shè)備）而定，不應(yīng)一味強(qiáng)求在不具備條件的情況下堅(jiān)持用某一設(shè)備完成全部功能，而最終造成方案失敗。因此目前要實(shí)現(xiàn)這種功能上的一體化，重要的是要實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息（包括控制信息）共享，這樣，在DCS上即可監(jiān)視這些系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，也可控制這些系統(tǒng)的運(yùn)行。
6.結(jié)束語
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足電網(wǎng)需要，火電機(jī)組必須具備更高的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力，采用廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、一體化的分散控制系統(tǒng)（DCS）及輔助車間控制系統(tǒng)組成信息共享，功能強(qiáng)大的生產(chǎn)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的方案，技術(shù)先進(jìn)，方案合理，切實(shí)可行，它可以進(jìn)一步提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，使機(jī)組的運(yùn)行管理水平上一個(gè)新的臺(tái)階。
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