華電自動化專題――大型火電廠分散控制系統(tǒng)設計新進展.

1、大型火電廠分散控制系統(tǒng)設計新進展引言隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展 , 電力建設正處于建國以來增長速度最快的時期 , 一大批高參數(shù)、 大容量的火電機組正在設計和施工。 新一代大型燃煤火電機組的 控制方式與控制水平也隨著科學技術的進步和管理水平的提高而發(fā)生著變化。 作 為機組主要控制系統(tǒng)的 DCS, 從最初隨進口機組成套引進 , 然后逐步在國產(chǎn)機 組上進行試點 , 到在國內大型機組上全面推廣應用 , 已經(jīng)歷了近 20 a 的發(fā)展歷 史。 近期設計的 DCS, 一方面已在常規(guī)燃煤火電機組的控制結構和控制范圍上發(fā)生了巨大變化 ; 另一方面隨著空冷系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、大型 CFB 鍋爐 等新工藝的產(chǎn)生也

2、相應發(fā)生了變化。本文針對國內大型燃煤電廠 DCS 的設計現(xiàn) 狀和發(fā)展進行分析討論 , 并對設計中的一些關鍵問題給出建議。1 DCS 功能范圍的擴展DCS 最初在國內燃煤電廠應用時, 其功能覆蓋范圍僅包括數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) (DAS 和模擬量控制系統(tǒng) (MCS , 然后擴展至順序控制系統(tǒng) ( SCS 與鍋爐 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) ( FSSS。作為 DCS 的主要子系統(tǒng) , 以上 4 項功能目前在國 內的應用已相當成熟 , 是原電力規(guī)劃設計總院頒發(fā)的標準 G- RK- 95- 51火力 發(fā)電廠分散控制系統(tǒng) (DCS 技術規(guī)范書 的主要功能子系統(tǒng)。 應原國家電力公司 的要求 , 電力規(guī)劃設計總院組織有

3、關單位對火力發(fā)電分散控制系統(tǒng) (DCS 技術 規(guī)范書 進行了修訂 , 在新修訂的標準 ( 目前為中國電力工程顧問集團公司技術 標準 Q/DG1 -K401- 2004 中 , 經(jīng)過全國各方面專家的反復討論 , 仍然將以上 4 項功能作為 DCS 的主要功能子系統(tǒng)。但實際上近幾年 DCS 的應用范圍已發(fā)生了 很大變化 , 具體體現(xiàn)在以下幾個方面 :首先 , 電氣控制納入 DCS 已得到普遍推廣。在新版火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng) (DCS 技術規(guī)范書的 SCS 中 , 已將電氣發(fā)電機 - 變壓器組和廠用電系統(tǒng) 的控制作為 SCS 的一部分 , 這說明電氣發(fā)電機 -變壓器組和廠用電系統(tǒng)的控制 入 DCS

4、 已相當成熟可靠。 通過 DCS, 已可實現(xiàn)單元機組的爐機電一體化控制 , 為 全能值班創(chuàng)造了條件。其次 , DEH 電子件與 DCS 的軟硬件一體化已基本可以實現(xiàn)。 DEH 是電廠的另一重要控制系統(tǒng) , 傳統(tǒng)上都是由汽輪機廠成套提供 1 套獨立的控制系統(tǒng)。 進入20 世紀 90 年代以后 , 除個別項目如深圳媽灣電廠將DEH 用 DCS 硬件實現(xiàn)以外 , 絕大部分電廠的 DCS 與 DEH 都很難結合在一起。作為過渡方案, 曾提出了DEH 與 DCS 進行串行通信的設計方案 , 該方案在 20 世紀 90 年代的工程設計中得到 了廣泛應用。但由于種種原因, 推廣 DEH 電子部件與 DCS

5、軟硬件一體化的方案 在工程實施過程中阻力一直很大, 只到近 2 a, 經(jīng)過各方努力 , 采取 DEH 由汽輪機供貨商負責并提供與 DCS 相同軟硬件的方式才逐步解決了這一問題。目前經(jīng)過多個項目的實踐檢驗 , DEH 電子部件與 DCS 的軟硬件一體化已開始走向成熟。除此之外 , 汽輪機緊急跳閘系統(tǒng) ( ETS 的電子部件由傳統(tǒng)的可編程控制器( PLC 改由DCS 進行控制也已取得成功業(yè)績。電氣發(fā)電機 - 變壓器組與廠用電、DEH 與 ETS成功納入 DCS 標志著通過 DCS 已可以實現(xiàn)對爐機電整套單元機組的檢測、調節(jié)、報警和保護等全面的控制。另外 , 傳統(tǒng)的一些獨立控制系統(tǒng) , 如給水泵汽輪

6、機電液控制系統(tǒng) (MEH 、 旁路控制系統(tǒng) (BPS 、 吹灰程序控制系統(tǒng)、 定期排污程序控制系統(tǒng)、 主要輔機的油站控制系統(tǒng)等在近幾年都先后納入 DCS 進行控制。一些輔助公用系統(tǒng)如凝結水 精處理系統(tǒng) , 除灰渣程序控制系統(tǒng) , 燃油泵房、 空壓機站、 暖通空調控制系統(tǒng)也 在不同的工程中有不同程度的應用。在 DCS 功能擴展的方案設計中 , 有一個問題值得關注 , 就是在最近有些工 程的設計中 , 電氣部分又單獨設計了 1 套電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng) , 再通過接口傳 給DCS 。在這些工程的設計中 , 電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng)與 DCS 的接口數(shù)量和通信點 數(shù)量不盡相同 , 有的工程甚至多達十幾個接口、

7、 5 000 點左右的通信量。有些工 程的實際應用中已出現(xiàn)了操作顯示響應速度慢、 接口不匹配等問題。 因此 , 在此 類方案設計時 , 接口的設計尤其重要。 為了確保 DCS 的安全可靠 , 一方面應盡量 減少廠用電監(jiān)控系統(tǒng)與 DCS 的接口數(shù)量 ; 另一方面還應控制兩者之間的通信點 數(shù)量。2 DCS 公用網(wǎng)絡的設置在 2000 年發(fā)電廠自動化設計展望一文中 , 曾對 DCS 如何實現(xiàn) 2 臺單元 機組公用部分的控制進行了討論 , 文中提出了 3 種方式 , 方式 1 是公用部分進 入 1 號機組 DCS 某站 , 再由 1 號機組傳輸至 2 號機組 ; 方式 2 是公用部分同時 進入 1、

8、2 號機組 DCS; 方式 3 是公用部分進入 DCS 公用網(wǎng)絡。 當時公用部分的內容主要是電氣廠用電系統(tǒng), 隨著 DCS功能范圍的不斷擴大 , 需要進入 DCS 控制的公用系統(tǒng)愈來愈多 , 設置 DCS 公用 網(wǎng)絡這種方式逐漸成為設計方案的主流。目前已經(jīng)通過 DCS 公用網(wǎng)絡實現(xiàn)控制的主要公用系統(tǒng)有: 電氣廠用電系統(tǒng) 的公用部分、凝結水精處理系統(tǒng)的再生部分、母管制循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水泵房、 燃油泵房、 空壓機站、 暖通空調系統(tǒng)等。 對于供熱機組 , 廠內熱網(wǎng)首站的控制也 已經(jīng)具有納入 DCS 公用網(wǎng)絡進行控制的成功經(jīng)驗。隨著自動化水平的不斷提高 , 采用多機一控方式已經(jīng)成為電廠設計的發(fā)展 趨勢

9、。 對于 3 臺機組 1 個控制室的 “三機一控 ”方式與 4 臺機組 1 個控制室的 “四 機一控 ”方式 , 由于公用部分是為 3 臺機組或 4 臺機組同時服務的 , 此時設置 DCS 公用網(wǎng)絡的優(yōu)勢將更加明顯。但在實際設計過程中 , 有些設計院在考慮 DCS 公用網(wǎng)絡時 , 有時會出現(xiàn)以下 2 種問題 , 第 1 種是在公用網(wǎng)絡上設置 DCS 的操作員站 ; 第 2 種是將公用網(wǎng)絡 的數(shù)據(jù)通過接口機直接采入廠級監(jiān)控信息系統(tǒng) ( SIS 。由于 DCS 公用網(wǎng)絡的數(shù) 據(jù)要同時進入 2 臺機組或多臺機組 , 故對 DCS 公用網(wǎng)絡的控制是在 DCS 系統(tǒng)軟 開關的閉鎖下 , 正常運行時只能由

10、某 1 臺機組進行控制。在公用網(wǎng)絡上設置 DCS 操作員站或接口機的結果只會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈蓙y , 從而給機組運行帶來不安 全因素。如果單獨設置獨立的公用 DCS, 就另當別論了。3 空冷控制系統(tǒng)與DCS 的關系近幾年隨著國家對自然資源保護意識的加強 , 北方缺水地區(qū)如山西、內蒙古 等地 , 新建大容量高參數(shù)發(fā)電機組均要求采用空冷機組。 早期引進的空冷機組由 于不了解其工藝系統(tǒng)和控制策略, 一般都采用儀表與控制系統(tǒng)隨工藝系統(tǒng)成套供貨的方式 , 而將空冷島作為一個獨立的輔助車間在空冷島進行就地控制。 就地 控制的空冷控制系統(tǒng)多為 PLC 。隨著大同二電廠2 ×600 MW 機組等項目的

11、建設, 證明了空冷系統(tǒng)的運行直接與機組密切相關, 將空冷控制系統(tǒng)納入機組DCS 是可行的。大同二電廠2 ×600MW機組采用的建設模式是空冷控制系統(tǒng)仍然由空冷島承包商負責供貨 , 且空 冷島承包商在技術上對空冷控制系統(tǒng)負責 , 采用與機組 DCS 相同的硬件并與機 組 DCS 連接。除大同二電廠 2 ×600MW 機組等項目的建設模式外, 有的項目如國華錦界電廠2×600MW等工程已開始嘗試采用直接將空冷控制系統(tǒng)納入機組DCS 的建設模式。 空冷島承包商僅負責就地儀表和執(zhí)行設備的供貨并向機組和控制邏輯 , 由機組 DCS 統(tǒng)一完成空冷控制系統(tǒng)的設計組態(tài)。DCS 提

12、供控制策略對于采用 DCS 對空冷機組進行直接控制的方案 , 為了節(jié)省電纜及相關投資 , 目前在設計時往往把有關空冷控制系統(tǒng)的 DCS 機柜放在空冷工藝系統(tǒng)附近的就 地電子設備間內 , 但這樣設計帶來的問題是 : 空冷工藝系統(tǒng)及附近的電氣發(fā)電 機 - 變壓器組有可能對 DCS 機柜造成干擾。 陜西國華錦界電廠 2 ×600 MW 工程在 設計和實施中遇到了該類問題 , 后采取了一系列防范措施。因此 , 將空冷控制系 統(tǒng)直接納入 DCS 時 , 要充分考慮該系統(tǒng)的特殊性。4 脫硫和脫硝控制系統(tǒng)與 DCS 的關系為了控制煙塵硫化物的排放, 最近除個別偏遠地區(qū)項目外, 國家環(huán)保部門 要求國

13、內新建的常規(guī)燃煤火電廠都要配套建設煙氣脫硫系統(tǒng)。 隨著國家對煙塵排 放標準的要求愈來愈嚴格 , 除了煙氣脫硫系統(tǒng)外 , 近 2 a 一些城市電廠和發(fā)達 地區(qū)的電廠已陸續(xù)開始建設煙氣脫硝裝置 , 如國華臺山電廠 1 臺 600MW 機組、國 華寧海電廠 1 臺 600MW 機組、華電長沙電廠 2 ×600MW 機組、福建廈門嵩嶼 2 ×300MW 機組、 國電天津東郊熱電廠 2 ×300MW 機組等都已開始設計和實施煙氣脫硝 項目。目前國內建設的煙氣脫硫項目主要分為濕法脫硫、干法脫硫和海水脫硫等。與早期隨脫硫工藝設備成套進口的控制系統(tǒng)方案相比 , 盡管目前設計的脫硫

14、控 制系統(tǒng)方案已發(fā)生了很大變化 , 但濕法脫硫與干法脫硫項目的控制系統(tǒng)目前都 還是獨立的控制系統(tǒng) , 脫硫控制系統(tǒng)與單元機組 DCS 之間僅建立控制和聯(lián)鎖接 口。而工藝上相對簡單的海水脫硫項目 , 如已經(jīng)投產(chǎn)的深圳西部電廠 2 ×300MW 機組和正在建設的廈門嵩嶼 2 ×300MW 擴建機組等 , 則將脫硫的控制直接納入單 元機組 DCS 。煙氣脫硝技術有選擇性催化還原法 ( SCR 和選擇性非催化還原法 ( SNCR 等。目前國內設計的脫硝裝置基本上均采用 SCR 。考慮到目前加裝煙氣脫硝裝置 一般都不設置旁路 , 煙氣脫硝裝置的運行與鍋爐的運行密切相關 , 故煙氣脫硝

15、 裝置的運行監(jiān)控宜由單元機組值班人員來完成。 福建后石電廠是目前國內最早投產(chǎn)的設有煙氣脫硝裝置的大容量引進電廠 , 該電廠的脫硝裝置就是由單元機組DCS 直接監(jiān)控的。對于目前正在設計的國產(chǎn)大容量機組 , 脫硝裝置能否直接納入單元機組 DCS 受到一些因素的限制 , 一方面脫硝裝置的控制具有一定的特殊性 ; 另一方面項 目所選 DCS 的供貨商不一定具有脫硝裝置控制的業(yè)績和經(jīng)驗 , 而生產(chǎn)脫硝裝置 的供貨商又往往有其固定的熟悉的控制設備供貨商。 故明確必須將脫硝裝置直接 納入單元機組 DCS 進行控制需進行一段時間的研究和實踐后才能下結論。但有一 點可以明確 : 即使由脫硝裝置配套提供獨立的控制

16、系統(tǒng), 也應與單元機組DCS 進行接口連接 , 通過 DCS 操作員站對其進行主要的監(jiān)控。5 大型 CFB 鍋爐控制系統(tǒng)與DCS 的關系300MW 級循環(huán)流化床鍋爐技術的引進是我國“十五 ”國家重大技術裝備研制項目 , 也是 “十一五 ”國家大力發(fā)展的潔凈煤燃燒技術。目前世界上第1 個大型 CFB 鍋爐 (魯奇爐型 電廠工程 四川白馬 1 ×300MWCFB 示范項目已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電。300MW 級 CFB 鍋爐與常規(guī)燃煤爐相比 , 無論在工藝上還是控制邏輯和控制策略上 , 都存在很大差異 , 尤其是目前在國內應用較多的 DCS 品牌供貨商幾乎都沒有實施 300 MW 級 CFB 鍋爐控

17、制的經(jīng)驗 , 故 300MW 級 CFB 鍋爐是單獨設置獨立 的控制系統(tǒng)還是直接納入機組 DCS 是困惑設計人員的一個主要問題。 參考中國電 力工程顧問集團公司 300MW 級 CFB 引進消化吸收的研究成果和白馬項目的設計、實踐經(jīng)驗 , 就目前情況看 , 將大型 CFB 鍋爐的控制直接納入機組 DCS 是可行的。計 300MW 級 CFB 鍋爐電廠的 DCS 時 , 首先必須劃清鍋爐本體與 DCS 的接口和界面 , 并明確控制邏輯與控制策略的提供方設計方 ; 其次要注意 CFB 鍋爐與常規(guī)煤粉爐在控制回路與聯(lián)鎖保護等方面的差異 , 以及后備手操等相關設備的配置差異 ; 另外 , 由于缺乏經(jīng)驗

18、 , 設計院與鍋爐本體及 DCS 供貨商之間的設計配合和設計 聯(lián)絡就顯得尤其重要。6 結語除以上討論的問題外 , 還有如現(xiàn)場總線技術在 DCS 中的應用、 DCS 在輔助車間集 中控制網(wǎng)絡中的應用等新問題。 現(xiàn)場總線技術的應用目前還處于探索階段 , 其典 型應用實例 : 國華寧海電廠 4 ×600MW 機組在開式循環(huán)水系統(tǒng)和閉式循環(huán)水系統(tǒng) 的電動門控制中局部采用了現(xiàn)場總線技術; 山東萊城電廠 2 ×300MW 機組在 400V 電動機的控制中局部采用了現(xiàn)場總線技術; 華能玉環(huán)電廠 4×1 000MW 機組在 化學水處理系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。DCS 在輔助車集中控 制網(wǎng)絡中的應用則已開始在新建大型機組中實施, 如大連莊河 2