浅谈发电厂实行DCS控制系统解决方案

  1 300MW循环流化床机组

    1.1机组特点

    循环流化床锅炉是被国际公认的高效、低污染的清洁燃烧技术，是国家重点鼓励和发展的环保节能项目。该锅炉具有燃烧效率高，负荷调节范围大，无需加装脱硫、脱硝装置即可实现90%脱硫率，满足环保要求，以经济的方式解决大气污染问题，而且煤种适应性广，排出的灰渣活性好，容易实现综合利用。目前国内300MW等级循环流化床锅炉消化引进阿尔斯通技术，和常规煤粉锅炉相比主要在燃烧系统方面存在差异其具有如下特点：

    通常锅炉四角分别布置4个返料器和4个外置流化床，外置床中布置了中温过热器，低温过热器和高温再热器等锅炉受热面。

    锅炉左右两侧配有风道燃烧器，每侧风道燃烧器含有两支油枪，床上左右两侧各配有4支床上油枪。

    风烟系统中一次风作为主要流化风，二次风分上中下分级送风助燃，多路流化风对返料器、外置床等受热室起到流化作用。

    风烟系统中灰循环的合理建立是锅炉稳定燃烧的重要前提，也是控制床温、再热汽温的基础。

    由于循环流化床锅炉的复杂性，锅炉炉膛安全监测系统和常规煤粉炉有较大差别，包含锅炉跳闸BT、送风跳闸AT和主燃料跳闸MFT三个主要跳闸信号。

    由于循环流化床锅炉的大滞后特性，自动控制难点在协调控制，床温控制、床压控制、过热汽温控制和再热汽温控制。

    对于循环配套直接空冷系统，直接空冷的控制关键在于风机转速主指令控制，即如何设定好背压是一个关键，既能够考虑到汽轮机效率，又能考虑到风机电耗率，达到一个最佳经济性指标，同时兼顾到低温防冻保护。

                           

                       图1-1循环流化床机组示意图

    1.2配置方案

    蒙西DCS项目由DAS、FSSS、SCS、MCS、DEH、ECS、ACC等部分组成，总点数约20000点，采用TPS系统，总配置单元机组配置控制器18×2对，公用系统配置控制器2对，ACC配置控制器2×2对，操作员站6×2台，工程师站2×2台，OPC接口服务器1×2台。单元机组系统配置如下图所示。

                           

                                                   图1-2循环流化床机组配置方案图

    2 辅机一体化

    2.1工艺特点

    火力发电站的传统辅控系统具有以下特点：

    按照工艺系统的划分，形成了多个相互独立信息孤岛

    各个辅助控制系统物理位置上较为分散

    各个辅助控制系统不能实现统一监控，运行人员配置多

    系统种类多，维护困难

    与电厂主机DCS系统、SIS系统、MIS系统的信息共享困难

    因为传统辅控系统表现出来的以上问题，在信息化技术和控制技术日益成熟今天，辅控系统的一体化设计已经成为电站辅控系统的发展趋势。辅机一体化系统与传统系统相比具有以下特点：

    各分系统通过高速网络相连，信息共享便捷，便于系统间协调配合

    集控运行统一布置，运行人员配置少，减员增效明显

    各系统的一体化选型和设置大大减少了热工人员的维护工作量

    可以通过单一接口与DCS、SIS等系统相连，接口配置大大简化，减少了投资

    辅网一体化为将来的主机辅网一体化奠定了基础

    2.2配置方案

    以一套2X600MW机组的典型辅机一体化系统为例，其推荐配置方案如下图。该系统初步包括了输煤系统、水务系统和除灰除渣系统。根据不同电厂的要求，脱硫系统、制氢系统等也可以并入系统。该辅机一体化系统配置了一台全局工程师站、三台分系统工程师站、四台操作员站。网络系统采用容错工业交换机实现，为两条冗余100Mbps工业以太网。根据物理距离的远近，通讯介质可以灵活采用屏蔽双绞线、光纤或者是光纤与双绞线的混合配置。系统对外提供了统一的接口服务器，采用OPC规范。同时，在系统融合了闭路电视系统，可以实现生产运行数据和现场生产视频情况的同步监测。

                           

                                                   图2-1辅机一体化系统配置方案图

    3 输煤控制

    3.1工艺特点

    系统基本工艺流程是将煤场的煤经输煤皮带和碎煤楼输送至各原煤仓。

    系统控制设备较多，控制分散，覆盖距离远。主要设备包括给料机，除铁器，碎煤机，三通分料器，犁煤器和速度，跑偏，拉绳等就地保护设备，设备间具有一定的联锁保护关系。

    输煤流程具有顺序性特点。系统启动时，按照逆煤流方向逐台进行；系统停止时，按照顺煤流方向逐台进行。

    输煤系统具有顺序输煤功能，自动配煤功能和余煤配煤功能。

    考虑到电厂的输煤程控控制对象较分散，在离控制室较远的皮带和煤仓附近设置远程IO站。

    3.2配置方案

    根据输煤程控自身特点，以内蒙古太西煤集团长山自备电厂输煤工程应用为例，采用SIEMENSS7-300系列控制系统，采用双机热备配置，主备采用完全相同的配置，即双机架、双电源、双CPU、双通讯模块，双机做到无扰切换；控制层通讯采用PROFIBUS-DP通讯，监控层采用工业以太网通讯，控制器冗余采用西门子软冗余方式，控制系统配置UPS电源的双供电系统，确保系统的稳定运行，上位机配置两台研华工控机，完成系统的操作任务。

 

 

                                            图3-1输煤控制系统配置方案图
    4 空冷控制

    4.1工艺特点

    空冷（ACC）主要将汽轮机排汽用空气冷却成水，达到保证生产同时节约水资源目的。该空冷控制系统包括顺流风机、逆流风机、冷凝水排水阀、竖管阀、抽空阀、抽空泵、抽空泵进口阀、抽空泵给水电磁阀和旁路抽空阀等设备，以及油压开关、振动开关、电机电流等信号采集装置，要求一键启动且所有风机和阀门自动控制来实现背压稳定，系统具有如下特点：

    控制对象为风机和阀门，虽然数量较少，但是内部逻辑很精细，要求一键启动且全设备全部自动控制

    且控制回路较简单，闭环控制较少，开环控制较多，实时性要求不太高，控制对象较分散， 控制使用的PID较少，顺控较多，而且大部分顺控要求循环控制，即一直在运行保护要求不多但是各个设备连锁密切， 因此，空冷控制系统是一个以开关量为主，模拟量为辅并伴有少量调节回路的系统，属于典型的混合控制系统。

 

          

                                         图4-1空冷控制系统操作平台

4.2配置方案 

        以蒙西发电厂2X300MW机组脱硫岛为例，控制系统采用Honeywell公司TPS系统。单元机组空冷岛控制系统采用1面电源分配柜，1面系统节点柜，2面HPM控制器柜，配置2面继电器柜。同时单元机组空冷岛控制系统配置1台工程师站，2台操作员站，1台OPC服务接口站。

                           

                                                 图4-2单元机组空冷控制系统配置方案图
    5 脱硫控制

    5.1工艺特点

    电厂脱硫是将燃煤机组烟气中的含硫化合物降低到符合国家排放标准的一种工艺，目前常应用比较广的是湿法脱硫工艺。该工艺主要包括工艺水系统，石灰石浆液制备、输送系统，吸收塔系统，石膏脱水系统，烟气系统等子工艺系统。主要设备有湿式球磨机、浆液输送泵、氧化风机、浆液循环泵以及增压风机等。就其控制系统而言，湿法脱硫工艺一般具有以下特点：

    烟气脱硫的控制对象比较特殊但数量较少，控制对象较分散，控制使用的PID较少，控制回路较简单；闭环控制较少，开环控制较多，实时性要求不太高。另外，顺控较多，注重的是时间控制，保护要求不多。因此，脱硫控制系统是一个以开关量为主，模拟量为辅并伴有少量调节回路的系统，属于典型的混合控制系统，其控制I/O点数约3000点。

    5.2配置方案

    以贵州黔东发电厂2X600MW机组脱硫控制系统为例，其采用的配置方案如下图所示。该方案以ABControlLogix系列控制器为硬件平台，采用RSLogix系列下位机编程软件和RSView32上位机组态软件实现系统组态。

    系统共配置三对ControlLogix冗余控制器，采用1794系列分布式I/O。分布式I/O采用冗余通讯的ControlNet网络。控制器与操作站的通讯采用冗余的100M以太网。配置两台就地操作站，两台集控室操作站，一台历史站和工程师站。另外配置一台A3和A4网络打印机。SOE如需要，可单独配置控制器实现。

    5.3关于电气控制进入DCS的讨论

    将炉、机、电作为一个整体，更有利于实现整个发电机组的综合自动化和提高管理水平，且单元机组可真正达到完全集控运行，方便实现AGC（Automation  Generator  Control）功能。

    电气系统监控过去很长一个时期内，都采用强电“一对一”硬手操控制，发电厂电气设备的控制绝大部分为作用于断路的简单的跳、合、逻辑控制，其操作开关布置在电气控制屏台上，电气常规控制的最大问题是所有断路器需要运行人员一对一手动操作，而且因控制室屏面的限制，大量厂用电系统的开关只能就地操作，这种控制模式对当前发电厂的“减人增效”不利，也使电厂自动化水平的提高受到制约。随着计算机技术的不断发展和用于工业过程控制DCS设备制造质量的完善提高，发电机，变压器以及厂用电系统中电气系统已成功的纳入了DCS监控，对于电气的专用自动装置如发电机的AVR，自动准同期装置，厂用电源快切装置，继电保护系统等仍采用专用装置来实现。这些装置可用通信方式或硬接线方式与DCS接口，另外设置必要的紧急跳闸按钮，实现炉、机、电一体化控制功能。

    电气控制系统进入DCS后，对于电气和热控两个专业调试工作的分式、配合也有新的问题，原则上热控人员应负责DCS系统维护工作，而所有电气信息的处理，电气控制，连锁保护逻辑功能应由电气人员负责，全部电气控制功能应由电气人员负责试验。

    5.4关于DCS一体化程度问题的研讨

    一体化的DCS方案可有2种，方案1是在工程条件具备时，采用设备型号统一的DCS一体化方案，方案2并不强调控制设备型号统一，但力求运行监控运行维护及信息共享的一体化。笔者认为目前在推行一体化的过程中，应着重强调运行监控运行维护及信息共享的一体化，尽量整合，但不必强求设备型号的统一，对于一些与主设备配合密切，控制方式相对独立的控制系统，如FSSS熄火保护系统，汽轮机数字电液控制系统（DEH）及旁路系统等，则需根据DCS厂家是否有这些控制的成熟经验及成熟产品（专用算法、专用接口设备）而定，不应一味强求在不具备条件的情况下坚持用某一设备完成全部功能，而最终造成方案失败。因此目前要实现这种功能上的一体化，重要的是要实现不同系统间的信息（包括控制信息）共享，这样，在DCS上即可监视这些系统的运行参数，也可控制这些系统的运行。

    6.结束语

    随着计算机技术、通讯技术和控制技术的不断发展，为满足电网需要，火电机组必须具备更高的调节适应能力，采用厂级监控信息系统（SIS）、一体化的分散控制系统（DCS）及辅助车间控制系统组成信息共享，功能强大的生产自动化网络的方案，技术先进，方案合理，切实可行，它可以进一步提高机组的经济效益和安全效益，使机组的运行管理水平上一个新的台阶。