向國進(jìn)，徐煒勇

上海自動化儀表有限公司 上海 200072

1 項目簡介

新疆天山電力奇臺熱電聯(lián)產(chǎn)一期工程安裝了 2×350MW 超臨界空冷供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組，配 2×1178t/h 超臨界一次中間再熱煤粉鍋爐，同步建設(shè)脫硫、脫硝設(shè)施。

該機(jī)組采用單元制機(jī)組控制，且為機(jī)、爐、電集中控制。每套機(jī)組配置了一套由上海自動化儀表有限公司自主研發(fā)的SUPMAX2000型集散控制系統(tǒng)(DCS)，具有控制站雙冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余等特點，單獨(dú)模塊故障時能夠?qū)崿F(xiàn)無擾切換。系統(tǒng)支持Profibus DP/PA現(xiàn)場總線、Modbus協(xié)議等通信技術(shù)，可擴(kuò)展性強(qiáng)[1]。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 控制器分配

控制系統(tǒng)整體被劃分為三個域：1號單元機(jī)組、2號單元機(jī)組，以及輔助控制系統(tǒng)與公用系統(tǒng)，輔助控制系統(tǒng)與公用系統(tǒng)同在一個域中[2]。單元機(jī)組DCS控制范圍如下：① 鍋爐及其輔助設(shè)備，包括鍋爐汽水系統(tǒng)、鍋爐啟動系統(tǒng)、過熱器及再熱器系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、等離子點火系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、磨煤機(jī)油站、風(fēng)機(jī)油站等；② 汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備，包括主蒸汽系統(tǒng)、再熱汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、汽輪機(jī)疏水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、高低壓加熱器疏水放氣系統(tǒng)、開閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)速油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)、給水泵汽輪機(jī)油汽系統(tǒng)、循環(huán)水泵房等。以1號機(jī)組為例，單元機(jī)組輸入輸出測點共計約 6800 點，詳見表1。

公用系統(tǒng)包括熱網(wǎng)、脫硝設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)-變壓器組、高壓廠用電源系統(tǒng)、低壓廠用電源系統(tǒng)，輔助控制系統(tǒng)控制范圍包括化水系統(tǒng)、氣力除灰系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)等。公用系統(tǒng)輸入輸出測點共計約5000點，詳見表2。

表1 1號機(jī)組輸入輸出測點分類統(tǒng)計

表2 公用系統(tǒng)輸入輸出測點分類統(tǒng)計

為提高機(jī)組的安全性、可靠性和可用率，在DCS配置時，充分考慮了各工藝子系統(tǒng)的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性，以減少系統(tǒng)內(nèi)控制信號的交叉。生產(chǎn)設(shè)備的重要保護(hù)信號，如鍋爐跳閘保護(hù)系統(tǒng)的處理器及模件信號均單獨(dú)冗余設(shè)置[3]。過程控制器配置信息見表3、表4。

2.2 SUPMAX2000輸入輸出模件

SUPMAX2000 DCS輸入輸出模件采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌基板式安裝符合德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(DIN)標(biāo)準(zhǔn)。安裝基板為通用模塊，每塊基板可安裝一個輸入輸出模件，并配有相應(yīng)的接線端子?；迳嫌袚艽a開關(guān)，根據(jù)模塊類型進(jìn)行配置，防止安裝時誤插。安裝基板上還有地址撥碼，同類型卡件可以在任意基板上安裝，便于使用和維護(hù)。SUPMAX2000 DCS的模塊類型齊全，基本滿足了工程現(xiàn)場的所有使用要求，常用的各類型信號都有對應(yīng)的輸入輸出模塊進(jìn)行采集和處理，SUPMAX2000通用模塊類型見表5。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由冗余的以太網(wǎng)交換機(jī)組成，通過網(wǎng)線連接，通信速率可達(dá)1000Mbit/s。遠(yuǎn)程控制柜包括空冷系統(tǒng)遠(yuǎn)程柜、輔機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)遠(yuǎn)程柜等，通過多模光纖連接交換機(jī)。

表3 1號機(jī)組過程控制器配置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是一個高魯棒性、冗余配置的以太網(wǎng)，實現(xiàn)了雙機(jī)熱備及無擾切換，保證任何單個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障都不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，具有非常良好的可靠性。在常規(guī)配置中，采用冗余配置，不僅配置了冗余的交換機(jī)或其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而且所有工作站和遠(yuǎn)程控制單元都冗余地連接到交換機(jī)上。通過冗余的數(shù)據(jù)鏈路和剔除單點失效，保證了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置高度可靠，降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、成本和維護(hù)要求，實用性非常高[4]。

表4 公用系統(tǒng)過程控制器配置

3 系統(tǒng)特點

3.1 軟件介紹

SUPMAX2000 DCS上位機(jī)軟件是整個DCS的人機(jī)接口，不同的工作站提供了不同的功能，幫助工程師和用戶使用、維護(hù)DCS。SUPMAX2000 DCS的工作站由4種類型的上位機(jī)組成。

(1) 工程師站。完成系統(tǒng)的組態(tài)，對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試。

(2) 歷史服務(wù)器。提供實時數(shù)據(jù)、趨勢、報警、報表等服務(wù)。

表5 SUPMAX2000通用模塊類型

(3) 操作員站。提供系統(tǒng)人機(jī)界面，完成監(jiān)控功能。

(4) 數(shù)據(jù)接口站。提供DCS對外通信接口，同外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2 操作平臺

實際采用視窗7操作系統(tǒng)。

SUPMAX2000系統(tǒng)軟件支持視窗XP SP3、視窗7等常用的操作系統(tǒng)。相較于UNIX、LINUX等其它操作系統(tǒng)，視窗系統(tǒng)更為成熟，具有兼容性好、操作簡單等特點。

4 總體設(shè)計

4.1 控制需求

機(jī)組運(yùn)行時可能存在的工況包括帶基本負(fù)荷運(yùn)行、根據(jù)自動發(fā)電量控制指令自動調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行、輔機(jī)故障減負(fù)荷運(yùn)行等，控制系統(tǒng)需協(xié)調(diào)鍋爐及其輔機(jī)，以及汽輪機(jī)的運(yùn)行，以便快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定地響應(yīng)自動調(diào)度系統(tǒng)或電廠運(yùn)行人員的負(fù)荷指令，進(jìn)行有效生產(chǎn)。同時，系統(tǒng)還應(yīng)考慮包括輔機(jī)故障或設(shè)備異常等在內(nèi)的運(yùn)行限制條件，以高度適應(yīng)的方式，使負(fù)荷性能達(dá)到最佳狀態(tài)，滿足連續(xù)、安全運(yùn)行的要求。

4.2 控制回路設(shè)計

DCS完成各種數(shù)據(jù)采集、控制和保護(hù)功能，以滿足各種運(yùn)行工況的要求，確保機(jī)組安全、高效地運(yùn)行[5]。整個系統(tǒng)從功能上分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)和模擬量控制系統(tǒng)[6]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，通過DCS設(shè)備實時采集機(jī)組運(yùn)行中的溫度、壓力、流量、液位等過程參數(shù)，為實現(xiàn)自動控制功能提供數(shù)據(jù)信息，主要功能包括數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、記錄，以及機(jī)組性能計算[7]。

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)控制鍋爐燃燒系統(tǒng)中各設(shè)備按規(guī)定的操作順序和條件安全啟、停，并能在危急工況下迅速切斷進(jìn)入鍋爐爐膛的全部燃料(包括點火燃料)，防止爆燃、爆炸等破壞性事故的發(fā)生，以保證爐膛安全，具體包括鍋爐主燃料跳閘、鍋爐油燃料跳閘、爐膛吹掃、燃燒器控制等[8]。

順序控制系統(tǒng)主要用于機(jī)組的煙、風(fēng)、水、汽等各大系統(tǒng)的各類輔機(jī)驅(qū)動和閥門開關(guān)機(jī)控制，以及完成機(jī)組重要輔機(jī)閥門的聯(lián)鎖保護(hù)及功能組級的順序控制。通過這一系統(tǒng)設(shè)備級、組級、廠級程控的使用，可以順利完成機(jī)組的啟停控制和安全保護(hù)。順序控制系統(tǒng)主要控制對象有鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)功能子組、給水泵功能子組、汽輪機(jī)油系統(tǒng)子組、凝結(jié)水子組、凝汽器真空系統(tǒng)子組、汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)子組、低壓加熱器子組、高壓加熱器子組、發(fā)電機(jī)定子冷卻水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)、汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)、閉式冷卻水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、蒸汽管道疏水系統(tǒng)，以及鍋爐排污、疏水、放汽功能子組[9]。

模擬量控制系統(tǒng)將鍋爐、汽輪機(jī)視為一個整體，使整個機(jī)組的實際發(fā)電功率能迅速跟蹤給定功率的變化，同時又能維持鍋爐輸出蒸汽量與汽輪機(jī)輸入蒸汽量的平衡，以便迅速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定地響應(yīng)負(fù)荷指令。同時，模擬量控制系統(tǒng)還擔(dān)負(fù)生產(chǎn)過程中各子控制系統(tǒng)的自動控制任務(wù)。模擬量控制系統(tǒng)主要有鍋爐-汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制、爐膛壓力控制、一次風(fēng)壓控制、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制、分離器貯水箱水位控制、除氧器水位壓力控制等功能[10]。

電廠采用爐、機(jī)、電統(tǒng)一的單元集中控制，兩臺單元機(jī)組的控制分別由兩套DCS實現(xiàn)。采用公用網(wǎng)對兩臺機(jī)組中納入DCS控制的輔助控制系統(tǒng)和公用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。公用網(wǎng)分別與兩臺機(jī)組相應(yīng)的DCS通信，在兩臺機(jī)組DCS中均可對接入公用網(wǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制，同時具有相互閉鎖功能，即在任何時候只能由一臺機(jī)組的DCS進(jìn)行控制。接入DCS公用網(wǎng)的系統(tǒng)包括熱網(wǎng)、脫硝設(shè)備、發(fā)電機(jī)-變壓器組、高壓廠用電源、低壓廠用電源等。

5 結(jié)束語

天山電力奇臺熱電聯(lián)產(chǎn)一期2×350MW工程兩臺機(jī)組分別于2015年12月底和2016年1月底完成試運(yùn)行。包括1號機(jī)組、2號機(jī)組、公用系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)在內(nèi)的DCS全部投入正常運(yùn)行。目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，自動投入情況良好，實現(xiàn)了100%自動投入、100%保護(hù)投入，未發(fā)生保護(hù)誤動作、拒動作事故。

[1] 梁榮,山陳琦,姜世玲.SUPMAX800分散控制系統(tǒng)在線下載設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī),2014,27(11)：32- 33.

[2] 劉志強(qiáng),劉世雄,白愛平.DCS主輔機(jī)一體化控制在火電廠的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2010,39(12)：76-78.

[3] 孫克忠.DCS在火電廠的應(yīng)用[J].輕金屬,2005(10)：76-78.

[4] 徐煒勇.基于SUPMAX800的330MW發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：華東理工大學(xué),2014.

[5] 楊海云,喬澤慧.電廠DCS系統(tǒng)應(yīng)用分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011，27(18)：112.

[6] 李仁杰,駱濤.電廠熱工控制DCS系統(tǒng)設(shè)計與運(yùn)用探討[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2014(2)：203-204.

[7] 許志高.DCS系統(tǒng)順序控制和實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[8] 葉曉燕.鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS的應(yīng)用[J].科技傳播,2012(3)：105，96.

[9] 竇勝.DCS系統(tǒng)在發(fā)電廠的應(yīng)用[D].南京：南京工業(yè)大學(xué),2014.

[10] 姚彬.350MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用研究[D].福州：福州大學(xué),2011.