淺談發電廠實施DCS控制系統的解決方案

　　摘要：隨著計算機技術、通訊技術和控制技術的不斷發展，為滿足電網需要，火電機組必須具備更高的調節適應能力，采用廠級監控信息系統(SIS)、一體化的分散控制系統(DCS)及輔助車間控制系統組成信息共享。
　　
　　1、300MW循環流化床機組
　　
　　1.1機組特點
　　
　　循環流化床鍋爐是被*的、低污染的清潔燃燒技術，是國家重點鼓勵和發展的環保節能項目。該鍋爐具有燃燒效率高，負荷調節范圍大，無需加裝脫硫、脫硝裝置即可實現90%脫硫率，滿足環保要求，以經濟的方式解決大氣污染問題，而且煤種適應性廣，排出的灰渣活性好，容易實現綜合利用。目前國內300MW等級循環流化床鍋爐消化引進阿爾斯通技術，和常規煤粉鍋爐相比主要在燃燒系統方面存在差異其具有如下特點：
　　
　　通常鍋爐四角分別布置4個返料器和4個外置流化床，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。
　　
　　鍋爐左右兩側配有風道燃燒器，每側風道燃燒器含有兩支油槍，床上左右兩側各配有4支床上油槍。
　　
　　風煙系統中一次風作為主要流化風，二次風分上中下分級送風助燃，多路流化風對返料器、外置床等受熱室起到流化作用。
　　
　　風煙系統中灰循環的合理建立是鍋爐穩定燃燒的重要前提，也是控制床溫、再熱汽溫的基礎。
　　
　　由于循環流化床鍋爐的復雜性，鍋爐爐膛安全監測系統和常規煤粉爐有較大差別，包含鍋爐跳閘BT、送風跳閘AT和主燃料跳閘MFT三個主要跳閘信號。
　　
　　由于循環流化床鍋爐的大滯后特性，自動控制難點在協調控制，床溫控制、床壓控制、過熱汽溫控制和再熱汽溫控制。
　　
　　對于循環配套直接空冷系統，直接空冷的控制關鍵在于風機轉速主指令控制，即如何設定好背壓是一個關鍵，既能夠考慮到汽輪機效率，又能考慮到風機電耗率，達到一個*經濟性指標，同時兼顧到低溫防凍保護。　　　　
　　1.2配置方案
　　
　　蒙西DCS項目由DAS、FSSS、SCS、MCS、DEH、ECS、ACC等部分組成，總點數約20000點，采用TPS系統，總配置單元機組配置控制器18×2對，公用系統配置控制器2對，ACC配置控制器2×2對，操作員站6×2臺，工程師站2×2臺，OPC接口服務器1×2臺。單元機組系統配置如下圖所示。　　　　
　　2、輔機一體化
　　
　　2.1工藝特點
　　
　　火力發電站的傳統輔控系統具有以下特點：
　　
　　按照工藝系統的劃分，形成了多個相互獨立信息孤島
　　
　　各個輔助控制系統物理位置上較為分散
　　
　　各個輔助控制系統不能實現統一監控，運行人員配置多
　　
　　系統種類多，維護困難
　　
　　與電廠主機DCS系統、SIS系統、MIS系統的信息共享困難
　　
　　因為傳統輔控系統表現出來的以上問題，在信息化技術和控制技術日益成熟今天，輔控系統的一體化設計已經成為電站輔控系統的發展趨勢。輔機一體化系統與傳統系統相比具有以下特點：
　　
　　各分系統通過高速網絡相連，信息共享便捷，便于系統間協調配合
　　
　　集控運行統一布置，運行人員配置少，減員增效明顯
　　
　　各系統的一體化選型和設置大大減少了熱工人員的維護工作量
　　
　　可以通過單一接口與DCS、SIS等系統相連，接口配置大大簡化，減少了投資
　　
　　輔網一體化為將來的主機輔網一體化奠定了基礎
　　
　　2.2配置方案
　　
　　以一套2X600MW機組的典型輔機一體化系統為例，其推薦配置方案如下圖。該系統初步包括了輸煤系統、水務系統和除灰除渣系統。根據不同電廠的要求，脫硫系統、制氫系統等也可以并入系統。該輔機一體化系統配置了一臺全局工程師站、三臺分系統工程師站、四臺操作員站。網絡系統采用容錯工業交換機實現，為兩條冗余100Mbps工業以太網。根據物理距離的遠近，通訊介質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。系統對外提供了統一的接口服務器，采用OPC規范。同時，在系統融合了閉路電視系統，可以實現生產運行數據和現場生產視頻情況的同步監測。
　　
　　圖2-1輔機一體化系統配置方案圖
　　
　　2、輔機一體化
　　
　　2.1工藝特點
　　
　　火力發電站的傳統輔控系統具有以下特點：
　　
　　按照工藝系統的劃分，形成了多個相互獨立信息孤島
　　
　　各個輔助控制系統物理位置上較為分散
　　
　　各個輔助控制系統不能實現統一監控，運行人員配置多
　　
　　系統種類多，維護困難
　　
　　與電廠主機DCS系統、SIS系統、MIS系統的信息共享困難
　　
　　因為傳統輔控系統表現出來的以上問題，在信息化技術和控制技術日益成熟今天，輔控系統的一體化設計已經成為電站輔控系統的發展趨勢。輔機一體化系統與傳統系統相比具有以下特點：
　　
　　各分系統通過高速網絡相連，信息共享便捷，便于系統間協調配合
　　
　　集控運行統一布置，運行人員配置少，減員增效明顯
　　
　　各系統的一體化選型和設置大大減少了熱工人員的維護工作量
　　
　　可以通過單一接口與DCS、SIS等系統相連，接口配置大大簡化，減少了投資
　　
　　輔網一體化為將來的主機輔網一體化奠定了基礎
　　
　　2.2配置方案
　　
　　以一套2X600MW機組的典型輔機一體化系統為例，其推薦配置方案如下圖。該系統初步包括了輸煤系統、水務系統和除灰除渣系統。根據不同電廠的要求，脫硫系統、制氫系統等也可以并入系統。該輔機一體化系統配置了一臺全局工程師站、三臺分系統工程師站、四臺操作員站。網絡系統采用容錯工業交換機實現，為兩條冗余100Mbps工業以太網。根據物理距離的遠近，通訊介質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。系統對外提供了統一的接口服務器，采用OPC規范。同時，在系統融合了閉路電視系統，可以實現生產運行數據和現場生產視頻情況的同步監測。　　　　　　
　　3、輸煤控制
　　
　　3.1工藝特點
　　
　　系統基本工藝流程是將煤場的煤經輸煤皮帶和碎煤樓輸送至各原煤倉。
　　
　　系統控制設備較多，控制分散，覆蓋距離遠。主要設備包括給料機，除鐵器，碎煤機，三通分料器，犁煤器和速度，跑偏，拉繩等就地保護設備，設備間具有一定的聯鎖保護關系。
　　
　　輸煤流程具有順序性特點。系統啟動時，按照逆煤流方向逐臺進行；系統停止時，按照順煤流方向逐臺進行。
　　
　　輸煤系統具有順序輸煤功能，自動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，在離控制室較遠的皮帶和煤倉附近設置遠程IO站。
　　
　　3.2配置方案
　　
　　根據輸煤程控自身特點，以內蒙古太西煤集團長山自備電廠輸煤工程應用為例，采用SIEMENSS7-300系列控制系統，采用雙機熱備配置，主備采用*相同的配置，即雙機架、雙電源、雙CPU、雙通訊模塊，雙機做到無擾切換；控制層通訊采用PROFIBUS-DP通訊，監控層采用工業以太網通訊，控制器冗余采用西門子軟冗余方式，控制系統配置UPS電源的雙供電系統，確保系統的穩定運行，上位機配置兩臺研華工控機，完成系統的操作任務。　　　　
　　4、空冷控制
　　
　　4.1工藝特點
　　
　　空冷(ACC)主要將汽輪機排汽用空氣冷卻成水，達到保證生產同時節約水資源目的。該空冷控制系統包括順流風機、逆流風機、冷凝水排水閥、豎管閥、抽空閥、抽空泵、抽空泵進口閥、抽空泵給水電磁閥和旁路抽空閥等設備，以及油壓開關、振動開關、電機電流等信號采集裝置，要求一鍵啟動且所有風機和閥門自動控制來實現背壓穩定，系統具有如下特點：
　　
　　控制對象為風機和閥門，雖然數量較少，但是內部邏輯很精細，要求一鍵啟動且全設備全部自動控制
　　
　　且控制回路較簡單，閉環控制較少，開環控制較多，實時性要求不太高，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控制，即一直在運行保護要求不多但是各個設備連鎖密切，因此，空冷控制系統是一個以開關量為主，模擬量為輔并伴有少量調節回路的系統，屬于典型的混合控制系統。　　　　
　　4.2配置方案
　　
　　以蒙西發電廠2X300MW機組脫硫島為例，控制系統采用Honeywell公司TPS系統。單元機組空冷島控制系統采用1面電源分配柜，1面系統節點柜，2面HPM控制器柜，配置2面繼電器柜。同時單元機組空冷島控制系統配置1臺工程師站，2臺操作員站，1臺OPC服務接口站。　　　　
　　5、脫硫控制
　　
　　5.1工藝特點
　　
　　電廠脫硫是將燃煤機組煙氣中的含硫化合物降低到符合國家排放標準的一種工藝，目前常應用比較廣的是濕法脫硫工藝。該工藝主要包括工藝水系統，石灰石漿液制備、輸送系統，吸收塔系統，石膏脫水系統，煙氣系統等子工藝系統。主要設備有濕式球磨機、漿液輸送泵、氧化風機、漿液循環泵以及增壓風機等。就其控制系統而言，濕法脫硫工藝一般具有以下特點：
　　
　　煙氣脫硫的控制對象比較特殊但數量較少，控制對象較分散，控制使用的PID較少，控制回路較簡單；閉環控制較少，開環控制較多，實時性要求不太高。另外，順控較多，注重的是時間控制，保護要求不多。因此，脫硫控制系統是一個以開關量為主，模擬量為輔并伴有少量調節回路的系統，屬于典型的混合控制系統，其控制I/O點數約3000點。
　　
　　5.2配置方案
　　
　　以貴州黔東發電廠2X600MW機組脫硫控制系統為例，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，采用RSLogix系列下位機編程軟件和RSView32上位機組態軟件實現系統組態。
　　
　　系統共配置三對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網絡。控制器與操作站的通訊采用冗余的100M以太網。配置兩臺就地操作站，兩臺集控室操作站，一臺歷史站和工程師站。另外配置一臺A3和A4網絡打印機。SOE如需要，可單獨配置控制器實現。
　　
　　5.3關于電氣控制進入DCS的討論
　　
　　將爐、機、電作為一個整體，更有利于實現整個發電機組的綜合自動化和提高管理水平，且單元機組可真正達到*集控運行，方便實現AGC(AutomationGeneratorControl)功能。
　　
　　電氣系統監控過去很長一個時期內，都采用強電“一對一”硬手操控制，發電廠電氣設備的控制絕大部分為作用于斷路的簡單的跳、合、邏輯控制，其操作開關布置在電氣控制屏臺上，電氣常規控制的zui大問題是所有斷路器需要運行人員一對一手動操作，而且因控制室屏面的限制，大量廠用電系統的開關只能就地操作，這種控制模式對當前發電廠的“減人增效”不利，也使電廠自動化水平的提高受到制約。隨著計算機技術的不斷發展和用于工業過程控制DCS設備制造質量的完善提高，發電機，變壓器以及廠用電系統中電氣系統已成功的納入了DCS監控，對于電氣的自動裝置如發電機的AVR，自動準同期裝置，廠用電源快切裝置，繼電保護系統等仍采用裝置來實現。這些裝置可用通信方式或硬接線方式與DCS接口，另外設置必要的緊急跳閘按鈕，實現爐、機、電一體化控制功能。
　　
　　電氣控制系統進入DCS后，對于電氣和熱控兩個專業調試工作的分式、配合也有新的問題，原則上熱控人員應負責DCS系統維護工作，而所有電氣信息的處理，電氣控制，連鎖保護邏輯功能應由電氣人員負責，全部電氣控制功能應由電氣人員負責試驗。
　　
　　5.4關于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，采用設備型號統一的DCS一體化方案，方案2并不強調控制設備型號統一，但力求運行監控運行維護及信息共享的一體化。筆者認為目前在推行一體化的過程中，應著重強調運行監控運行維護及信息共享的一體化，盡量整合，但不必強求設備型號的統一，對于一些與主設備配合密切，控制方式相對獨立的控制系統，如FSSS熄火保護系統，汽輪機數字電液控制系統(DEH)及旁路系統等，則需根據DCS廠家是否有這些控制的成熟經驗及成熟產品(算法、接口設備)而定，不應一味強求在不具備條件的情況下堅持用某一設備完成全部功能，而zui終造成方案失敗。因此目前要實現這種功能上的一體化，重要的是要實現不同系統間的信息(包括控制信息)共享，這樣，在DCS上即可監視這些系統的運行參數，也可控制這些系統的運行。
　　
　　6、結束語
　　
　　隨著計算機技術、通訊技術和控制技術的不斷發展，為滿足電網需要，火電機組必須具備更高的調節適應能力，采用廠級監控信息系統(SIS)、一體化的分散控制系統(DCS)及輔助車間控制系統組成信息共享，功能強大的生產自動化網絡的方案，技術*，方案合理，切實可行，它可以進一步提高機組的經濟效益和安全效益，使機組的運行管理水平上一個新的臺階。