淺談發(fā)電廠實行DCS控制系統(tǒng)解決方案
1.300MW循環(huán)流化床機組
1.1機組特點
循環(huán)流化床鍋爐是被國際公認的高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)，是國家重點鼓勵和發(fā)展的環(huán)保節(jié)能項目。該鍋爐具有燃燒效率高，負荷調(diào)節(jié)范圍大，無需加裝脫硫、脫硝裝置即可實現(xiàn)90%脫硫率，滿足環(huán)保要求，以經(jīng)濟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：
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(cè)配有風道燃燒器，每側(cè)風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。
風煙系統(tǒng)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(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、送風跳閘AT和主燃料跳閘MFT三個主要跳閘信號。
由于循環(huán)流化床鍋爐的大滯后特性，自動控制難點在協(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)鍵在于風機轉(zhuǎn)速主指令控制，即如何設(shè)定好背壓是一個關(guān)鍵，既能夠考慮到汽輪機效率，又能考慮到風機電耗率，達到一個最佳經(jīng)濟性指標，同時兼顧到低溫防凍保護。
圖1-1循環(huán)流化床機組示意圖
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(shù)約20000點，采用TPS系統(tǒng)，總配置單元機組配置控制器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，工程師站2×2臺，OPC接口服務(wù)器1×2臺。單元機組系統(tǒng)配置如下圖所示。
圖1-2循環(huán)流化床機組配置方案圖
2 輔機一體化
2.1工藝特點
火力發(fā)電站的傳統(tǒng)輔控系統(tǒng)具有以下特點：
按照工藝系統(tǒng)的劃分，形成了多個相互獨立信息孤島
各個輔助控制系統(tǒng)物理位置上較為分散
各個輔助控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，運行人員配置多
系統(tǒng)種類多，維護困難
與電廠主機DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)的信息共享困難
因為傳統(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)計已經(jīng)成為電站輔控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。輔機一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比具有以下特點：
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
集控運行統(tǒng)一布置，運行人員配置少，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輔網(wǎng)一體化奠定了基礎(chǔ)
2.2配置方案
以一套2X600MW機組的典型輔機一體化系統(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)。該輔機一體化系統(tǒng)配置了一臺全局工程師站、三臺分系統(tǒng)工程師站、四臺操作員站。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用容錯工業(yè)交換機實現(xiàn)，為兩條冗余100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)。根據(jù)物理距離的遠近，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，在系統(tǒng)融合了閉路電視系統(tǒng)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場生產(chǎn)視頻情況的同步監(jiān)測。
圖2-1輔機一體化系統(tǒng)配置方案圖
3 輸煤控制
3.1工藝特點
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。主要設(shè)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(shè)備，設(shè)備間具有一定的聯(lián)鎖保護關(guān)系。
輸煤流程具有順序性特點。系統(tǒng)啟動時，按照逆煤流方向逐臺進行；系統(tǒng)停止時，按照順煤流方向逐臺進行。
輸煤系統(tǒng)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(shè)置遠程IO站。
3.2配置方案
根據(jù)輸煤程控自身特點，以內(nèi)蒙古太西煤集團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)，采用雙機熱備配置，主備采用完全相同的配置，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(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)定運行，上位機配置兩臺研華工控機，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
空冷（ACC）主要將汽輪機排汽用空氣冷卻成水，達到保證生產(chǎn)同時節(jié)約水資源目的。該空冷控制系統(tǒng)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(shè)備，以及油壓開關(guān)、振動開關(guān)、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(xiàn)背壓穩(wěn)定，系統(tǒng)具有如下特點：
控制對象為風機和閥門，雖然數(shù)量較少，但是內(nèi)部邏輯很精細，要求一鍵啟動且全設(shè)備全部自動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(huán)控制，即一直在運行保護要求不多但是各個設(shè)備連鎖密切， 因此，空冷控制系統(tǒng)是一個以開關(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
4.2配置方案
以蒙西發(fā)電廠2X300MW機組脫硫島為例，控制系統(tǒng)采用Honeywell公司TPS系統(tǒng)。單元機組空冷島控制系統(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(tǒng)配置1臺工程師站，2臺操作員站，1臺OPC服務(wù)接口站。
圖4-2單元機組空冷控制系統(tǒng)配置方案圖
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(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、漿液輸送泵、氧化風機、漿液循環(huán)泵以及增壓風機等。就其控制系統(tǒng)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(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(tǒng)是一個以開關(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點數(shù)約3000點。
5.2配置方案
以貴州黔東發(fā)電廠2X600MW機組脫硫控制系統(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，采用RSLogix系列下位機編程軟件和RSView32上位機組態(tài)軟件實現(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)。控制器與操作站的通訊采用冗余的100M以太網(wǎng)。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(wǎng)絡(luò)打印機。SOE如需要，可單獨配置控制器實現(xiàn)。
5.3關(guān)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(xiàn)整個發(fā)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完全集控運行，方便實現(xiàn)AGC（Automation Generator Control）功能。
電氣系統(tǒng)監(jiān)控過去很長一個時期內(nèi)，都采用強電“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上，電氣常規(guī)控制的最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(tǒng)的開關(guān)只能就地操作，這種控制模式對當前發(fā)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(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，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裝置如發(fā)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(tǒng)等仍采用專用裝置來實現(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，實現(xiàn)爐、機、電一體化控制功能。
電氣控制系統(tǒng)進入DCS后，對于電氣和熱控兩個專業(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)負責DCS系統(tǒng)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(yīng)由電氣人員負責，全部電氣控制功能應(yīng)由電氣人員負責試驗。
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，采用設(shè)備型號統(tǒng)一的DCS一體化方案，方案2并不強調(diào)控制設(shè)備型號統(tǒng)一，但力求運行監(jiān)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(yīng)著重強調(diào)運行監(jiān)控運行維護及信息共享的一體化，盡量整合，但不必強求設(shè)備型號的統(tǒng)一，對于一些與主設(shè)備配合密切，控制方式相對獨立的控制系統(tǒng)，如FSSS熄火保護系統(tǒng)，汽輪機數(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)一味強求在不具備條件的情況下堅持用某一設(shè)備完成全部功能，而最終造成方案失敗。因此目前要實現(xiàn)這種功能上的一體化，重要的是要實現(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)的運行參數(shù)，也可控制這些系統(tǒng)的運行。
6.結(jié)束語
隨著計算機技術(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，功能強大的生產(chǎn)自動化網(wǎng)絡(luò)的方案，技術(shù)先進，方案合理，切實可行，它可以進一步提高機組的經(jīng)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。
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