華電自動(dòng)化專(zhuān)題――大型火電廠分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新進(jìn)展.

1、大型火電廠分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)新進(jìn)展引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 , 電力建設(shè)正處于建國(guó)以來(lái)增長(zhǎng)速度最快的時(shí)期 , 一大批高參數(shù)、 大容量的火電機(jī)組正在設(shè)計(jì)和施工。 新一代大型燃煤火電機(jī)組的 控制方式與控制水平也隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和管理水平的提高而發(fā)生著變化。 作 為機(jī)組主要控制系統(tǒng)的 DCS, 從最初隨進(jìn)口機(jī)組成套引進(jìn) , 然后逐步在國(guó)產(chǎn)機(jī) 組上進(jìn)行試點(diǎn) , 到在國(guó)內(nèi)大型機(jī)組上全面推廣應(yīng)用 , 已經(jīng)歷了近 20 a 的發(fā)展歷 史。 近期設(shè)計(jì)的 DCS, 一方面已在常規(guī)燃煤火電機(jī)組的控制結(jié)構(gòu)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(yīng)發(fā)生了變化。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)大型燃煤電廠 DCS 的設(shè)計(jì)現(xiàn) 狀和發(fā)展進(jìn)行分析討論 , 并對(duì)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題給出建議。1 DCS 功能范圍的擴(kuò)展DCS 最初在國(guó)內(nèi)燃煤電廠應(yīng)用時(shí), 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(kuò)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(xiàng)功能目前在國(guó) 內(nèi)的應(yīng)用已相當(dāng)成熟 , 是原電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn) G- RK- 95- 51火力 發(fā)電廠分散控制系統(tǒng) (DCS 技術(shù)規(guī)范書(shū) 的主要功能子系統(tǒng)。 應(yīng)原國(guó)家電力公司 的要求 , 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織有

3、關(guān)單位對(duì)火力發(fā)電分散控制系統(tǒng) (DCS 技術(shù) 規(guī)范書(shū) 進(jìn)行了修訂 , 在新修訂的標(biāo)準(zhǔn) ( 目前為中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn) Q/DG1 -K401- 2004 中 , 經(jīng)過(guò)全國(guó)各方面專(zhuān)家的反復(fù)討論 , 仍然將以上 4 項(xiàng)功能作為 DCS 的主要功能子系統(tǒng)。但實(shí)際上近幾年 DCS 的應(yīng)用范圍已發(fā)生了 很大變化 , 具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(shù)規(guī)范書(shū)的 SCS 中 , 已將電氣發(fā)電機(jī) - 變壓器組和廠用電系統(tǒng) 的控制作為 SCS 的一部分 , 這說(shuō)明電氣發(fā)電機(jī) -變壓器組和廠用電系統(tǒng)的控制 入 DCS

4、 已相當(dāng)成熟可靠。 通過(guò) DCS, 已可實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的爐機(jī)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(shí)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(jī)廠成套提供 1 套獨(dú)立的控制系統(tǒng)。 進(jìn)入20 世紀(jì) 90 年代以后 , 除個(gè)別項(xiàng)目如深圳媽灣電廠將DEH 用 DCS 硬件實(shí)現(xiàn)以外 , 絕大部分電廠的 DCS 與 DEH 都很難結(jié)合在一起。作為過(guò)渡方案, 曾提出了DEH 與 DCS 進(jìn)行串行通信的設(shè)計(jì)方案 , 該方案在 20 世紀(jì) 90 年代的工程設(shè)計(jì)中得到 了廣泛應(yīng)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(shí)施過(guò)程中阻力一直很大, 只到近 2 a, 經(jīng)過(guò)各方努力 , 采取 DEH 由汽輪機(jī)供貨商負(fù)責(zé)并提供與 DCS 相同軟硬件的方式才逐步解決了這一問(wèn)題。目前經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐檢驗(yàn) , DEH 電子部件與 DCS 的軟硬件一體化已開(kāi)始走向成熟。除此之外 , 汽輪機(jī)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(jìn)行控制也已取得成功業(yè)績(jī)。電氣發(fā)電機(jī) - 變壓器組與廠用電、DEH 與 ETS成功納入 DCS 標(biāo)志著通過(guò) DCS 已可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐機(jī)電整套單元機(jī)組的檢測(cè)、調(diào)節(jié)、報(bào)警和保護(hù)等全面的控制。另外 , 傳統(tǒng)的一些獨(dú)立控制系統(tǒng) , 如給水泵汽輪

6、機(jī)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(jī)的油站控制系統(tǒng)等在近幾年都先后納入 DCS 進(jìn)行控制。一些輔助公用系統(tǒng)如凝結(jié)水 精處理系統(tǒng) , 除灰渣程序控制系統(tǒng) , 燃油泵房、 空壓機(jī)站、 暖通空調(diào)控制系統(tǒng)也 在不同的工程中有不同程度的應(yīng)用。在 DCS 功能擴(kuò)展的方案設(shè)計(jì)中 , 有一個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注 , 就是在最近有些工 程的設(shè)計(jì)中 , 電氣部分又單獨(dú)設(shè)計(jì)了 1 套電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng) , 再通過(guò)接口傳 給DCS 。在這些工程的設(shè)計(jì)中 , 電氣廠用電監(jiān)控系統(tǒng)與 DCS 的接口數(shù)量和通信點(diǎn) 數(shù)量不盡相同 , 有的工程甚至多達(dá)十幾個(gè)接口、

7、 5 000 點(diǎn)左右的通信量。有些工 程的實(shí)際應(yīng)用中已出現(xiàn)了操作顯示響應(yīng)速度慢、 接口不匹配等問(wèn)題。 因此 , 在此 類(lèi)方案設(shè)計(jì)時(shí) , 接口的設(shè)計(jì)尤其重要。 為了確保 DCS 的安全可靠 , 一方面應(yīng)盡量 減少?gòu)S用電監(jiān)控系統(tǒng)與 DCS 的接口數(shù)量 ; 另一方面還應(yīng)控制兩者之間的通信點(diǎn) 數(shù)量。2 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置在 2000 年發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)展望一文中 , 曾對(duì) DCS 如何實(shí)現(xiàn) 2 臺(tái)單元 機(jī)組公用部分的控制進(jìn)行了討論 , 文中提出了 3 種方式 , 方式 1 是公用部分進(jìn) 入 1 號(hào)機(jī)組 DCS 某站 , 再由 1 號(hào)機(jī)組傳輸至 2 號(hào)機(jī)組 ; 方式 2 是公用部分同時(shí) 進(jìn)入 1、

8、2 號(hào)機(jī)組 DCS; 方式 3 是公用部分進(jìn)入 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)時(shí)公用部分的內(nèi)容主要是電氣廠用電系統(tǒng), 隨著 DCS功能范圍的不斷擴(kuò)大 , 需要進(jìn)入 DCS 控制的公用系統(tǒng)愈來(lái)愈多 , 設(shè)置 DCS 公用 網(wǎng)絡(luò)這種方式逐漸成為設(shè)計(jì)方案的主流。目前已經(jīng)通過(guò) DCS 公用網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jié)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(jī)站、 暖通空調(diào)系統(tǒng)等。 對(duì)于供熱機(jī)組 , 廠內(nèi)熱網(wǎng)首站的控制也 已經(jīng)具有納入 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制的成功經(jīng)驗(yàn)。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高 , 采用多機(jī)一控方式已經(jīng)成為電廠設(shè)計(jì)的發(fā)展 趨勢(shì)

9、。 對(duì)于 3 臺(tái)機(jī)組 1 個(gè)控制室的 “三機(jī)一控 ”方式與 4 臺(tái)機(jī)組 1 個(gè)控制室的 “四 機(jī)一控 ”方式 , 由于公用部分是為 3 臺(tái)機(jī)組或 4 臺(tái)機(jī)組同時(shí)服務(wù)的 , 此時(shí)設(shè)置 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中 , 有些設(shè)計(jì)院在考慮 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)時(shí) , 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下 2 種問(wèn)題 , 第 1 種是在公用網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置 DCS 的操作員站 ; 第 2 種是將公用網(wǎng)絡(luò) 的數(shù)據(jù)通過(guò)接口機(jī)直接采入廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng) ( SIS 。由于 DCS 公用網(wǎng)絡(luò)的數(shù) 據(jù)要同時(shí)進(jìn)入 2 臺(tái)機(jī)組或多臺(tái)機(jī)組 , 故對(duì) DCS 公用網(wǎng)絡(luò)的控制是在 DCS 系統(tǒng)軟 開(kāi)關(guān)的閉鎖下 , 正常運(yùn)行時(shí)只能由

10、某 1 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行控制。在公用網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置 DCS 操作員站或接口機(jī)的結(jié)果只會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈蓙y , 從而給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)不安 全因素。如果單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立的公用 DCS, 就另當(dāng)別論了。3 空冷控制系統(tǒng)與DCS 的關(guān)系近幾年隨著國(guó)家對(duì)自然資源保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng) , 北方缺水地區(qū)如山西、內(nèi)蒙古 等地 , 新建大容量高參數(shù)發(fā)電機(jī)組均要求采用空冷機(jī)組。 早期引進(jìn)的空冷機(jī)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(gè)獨(dú)立的輔助車(chē)間在空冷島進(jìn)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(jī)組等項(xiàng)目的

11、建設(shè), 證明了空冷系統(tǒng)的運(yùn)行直接與機(jī)組密切相關(guān), 將空冷控制系統(tǒng)納入機(jī)組DCS 是可行的。大同二電廠2 ×600MW機(jī)組采用的建設(shè)模式是空冷控制系統(tǒng)仍然由空冷島承包商負(fù)責(zé)供貨 , 且空 冷島承包商在技術(shù)上對(duì)空冷控制系統(tǒng)負(fù)責(zé) , 采用與機(jī)組 DCS 相同的硬件并與機(jī) 組 DCS 連接。除大同二電廠 2 ×600MW 機(jī)組等項(xiàng)目的建設(shè)模式外, 有的項(xiàng)目如國(guó)華錦界電廠2×600MW等工程已開(kāi)始嘗試采用直接將空冷控制系統(tǒng)納入機(jī)組DCS 的建設(shè)模式。 空冷島承包商僅負(fù)責(zé)就地儀表和執(zhí)行設(shè)備的供貨并向機(jī)組和控制邏輯 , 由機(jī)組 DCS 統(tǒng)一完成空冷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組態(tài)。DCS 提

12、供控制策略對(duì)于采用 DCS 對(duì)空冷機(jī)組進(jìn)行直接控制的方案 , 為了節(jié)省電纜及相關(guān)投資 , 目前在設(shè)計(jì)時(shí)往往把有關(guān)空冷控制系統(tǒng)的 DCS 機(jī)柜放在空冷工藝系統(tǒng)附近的就 地電子設(shè)備間內(nèi) , 但這樣設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題是 : 空冷工藝系統(tǒng)及附近的電氣發(fā)電 機(jī) - 變壓器組有可能對(duì) DCS 機(jī)柜造成干擾。 陜西國(guó)華錦界電廠 2 ×600 MW 工程在 設(shè)計(jì)和實(shí)施中遇到了該類(lèi)問(wèn)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(shí) , 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(guān)系為了控制煙塵硫化物的排放, 最近除個(gè)別偏遠(yuǎn)地區(qū)項(xiàng)目外, 國(guó)家環(huán)保部門(mén) 要求國(guó)

13、內(nèi)新建的常規(guī)燃煤火電廠都要配套建設(shè)煙氣脫硫系統(tǒng)。 隨著國(guó)家對(duì)煙塵排 放標(biāo)準(zhǔn)的要求愈來(lái)愈嚴(yán)格 , 除了煙氣脫硫系統(tǒng)外 , 近 2 a 一些城市電廠和發(fā)達(dá) 地區(qū)的電廠已陸續(xù)開(kāi)始建設(shè)煙氣脫硝裝置 , 如國(guó)華臺(tái)山電廠 1 臺(tái) 600MW 機(jī)組、國(guó) 華寧海電廠 1 臺(tái) 600MW 機(jī)組、華電長(zhǎng)沙電廠 2 ×600MW 機(jī)組、福建廈門(mén)嵩嶼 2 ×300MW 機(jī)組、 國(guó)電天津東郊熱電廠 2 ×300MW 機(jī)組等都已開(kāi)始設(shè)計(jì)和實(shí)施煙氣脫硝 項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)建設(shè)的煙氣脫硫項(xiàng)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(shè)備成套進(jìn)口的控制系統(tǒng)方案相比 , 盡管目前設(shè)計(jì)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(xiàng)目的控制系統(tǒng)目前都 還是獨(dú)立的控制系統(tǒng) , 脫硫控制系統(tǒng)與單元機(jī)組 DCS 之間僅建立控制和聯(lián)鎖接 口。而工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單的海水脫硫項(xiàng)目 , 如已經(jīng)投產(chǎn)的深圳西部電廠 2 ×300MW 機(jī)組和正在建設(shè)的廈門(mén)嵩嶼 2 ×300MW 擴(kuò)建機(jī)組等 , 則將脫硫的控制直接納入單 元機(jī)組 DCS 。煙氣脫硝技術(shù)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(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的脫硝裝置基本上均采用 SCR ?？紤]到目前加裝煙氣脫硝裝置 一般都不設(shè)置旁路 , 煙氣脫硝裝置的運(yùn)行與鍋爐的運(yùn)行密切相關(guān) , 故煙氣脫硝

15、 裝置的運(yùn)行監(jiān)控宜由單元機(jī)組值班人員來(lái)完成。 福建后石電廠是目前國(guó)內(nèi)最早投產(chǎn)的設(shè)有煙氣脫硝裝置的大容量引進(jìn)電廠 , 該電廠的脫硝裝置就是由單元機(jī)組DCS 直接監(jiān)控的。對(duì)于目前正在設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)大容量機(jī)組 , 脫硝裝置能否直接納入單元機(jī)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(xiàng) 目所選 DCS 的供貨商不一定具有脫硝裝置控制的業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn) , 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(shè)備供貨商。 故明確必須將脫硝裝置直接 納入單元機(jī)組 DCS 進(jìn)行控制需進(jìn)行一段時(shí)間的研究和實(shí)踐后才能下結(jié)論。但有一 點(diǎn)可以明確 : 即使由脫硝裝置配套提供獨(dú)立的控制

16、系統(tǒng), 也應(yīng)與單元機(jī)組DCS 進(jìn)行接口連接 , 通過(guò) DCS 操作員站對(duì)其進(jìn)行主要的監(jiān)控。5 大型 CFB 鍋爐控制系統(tǒng)與DCS 的關(guān)系300MW 級(jí)循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的引進(jìn)是我國(guó)“十五 ”國(guó)家重大技術(shù)裝備研制項(xiàng)目 , 也是 “十一五 ”國(guó)家大力發(fā)展的潔凈煤燃燒技術(shù)。目前世界上第1 個(gè)大型 CFB 鍋爐 (魯奇爐型 電廠工程 四川白馬 1 ×300MWCFB 示范項(xiàng)目已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電。300MW 級(jí) CFB 鍋爐與常規(guī)燃煤爐相比 , 無(wú)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(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的 DCS 品牌供貨商幾乎都沒(méi)有實(shí)施 300 MW 級(jí) CFB 鍋爐控

17、制的經(jīng)驗(yàn) , 故 300MW 級(jí) CFB 鍋爐是單獨(dú)設(shè)置獨(dú)立 的控制系統(tǒng)還是直接納入機(jī)組 DCS 是困惑設(shè)計(jì)人員的一個(gè)主要問(wèn)題。 參考中國(guó)電 力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司 300MW 級(jí) CFB 引進(jìn)消化吸收的研究成果和白馬項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) , 就目前情況看 , 將大型 CFB 鍋爐的控制直接納入機(jī)組 DCS 是可行的。計(jì) 300MW 級(jí) CFB 鍋爐電廠的 DCS 時(shí) , 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(shè)計(jì)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(hù)等方面的差異 , 以及后備手操等相關(guān)設(shè)備的配置差異 ; 另外 , 由于缺乏經(jīng)驗(yàn)

18、 , 設(shè)計(jì)院與鍋爐本體及 DCS 供貨商之間的設(shè)計(jì)配合和設(shè)計(jì) 聯(lián)絡(luò)就顯得尤其重要。6 結(jié)語(yǔ)除以上討論的問(wèn)題外 , 還有如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在 DCS 中的應(yīng)用、 DCS 在輔助車(chē)間集 中控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用等新問(wèn)題。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用目前還處于探索階段 , 其典 型應(yīng)用實(shí)例 : 國(guó)華寧海電廠 4 ×600MW 機(jī)組在開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)和閉式循環(huán)水系統(tǒng) 的電動(dòng)門(mén)控制中局部采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù); 山東萊城電廠 2 ×300MW 機(jī)組在 400V 電動(dòng)機(jī)的控制中局部采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù); 華能玉環(huán)電廠 4×1 000MW 機(jī)組在 化學(xué)水處理系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。DCS 在輔助車(chē)集中控 制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用則已開(kāi)始在新建大型機(jī)組中實(shí)施, 如大連莊河 2