利用分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火電廠監(jiān)控平臺(tái)一體化

彭曉艷，趙志剛

(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100094;2.北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京100094)

0 引言

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)火電廠控制技術(shù)日臻成熟，自動(dòng)化水平不斷提高，電廠熱工自動(dòng)化的發(fā)展，除更高速化和智能化外，一體化也是其發(fā)展趨勢(shì)之一。本文就采用分散控制系統(tǒng)(DCS)實(shí)現(xiàn)火電廠監(jiān)控平臺(tái)一體化的問題進(jìn)行分析。

1 火電廠控制系統(tǒng)總體規(guī)劃

對(duì)于新建電廠而言，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)劃既要滿足電廠實(shí)際生產(chǎn)的要求，又要考慮運(yùn)行、維護(hù)和管理的實(shí)際需求?，F(xiàn)代大型火電廠熱工控制系統(tǒng)多由分層分級(jí)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成:第1級(jí)為全廠監(jiān)視管理級(jí)，包括廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、廠級(jí)管理信息系統(tǒng)(MIS);第2級(jí)為生產(chǎn)過程控制級(jí)，包括單元機(jī)組控制系統(tǒng)和全廠輔助車間控制系統(tǒng);第3級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，包括現(xiàn)場(chǎng)儀表及控制設(shè)備等。

生產(chǎn)過程控制級(jí)采用DCS一體化監(jiān)控平臺(tái)，需要DCS盡可能全面地應(yīng)用在單元機(jī)組控制與輔助車間控制之中。

2 單元機(jī)組DCS控制

火電廠單元機(jī)組控制以DCS為主，輔以部分其他成套控制裝置，如汽輪機(jī)數(shù)字電液控制(DEH)系統(tǒng)、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、給水泵汽輪機(jī)電液控制(MEH)系統(tǒng)、給水泵汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(METS)等。實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組控制一體化，要求DCS盡可能完整地包含機(jī)組各系統(tǒng)需要的控制功能，除傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、電氣控制系統(tǒng)(ECS)外，還要盡可能涵蓋DEH，ETS，MEH，METS及鍋爐吹灰程控系統(tǒng)等。

2.1 單元機(jī)組DCS一體化控制應(yīng)用情況

近年來，單元機(jī)組DCS一體化控制在很多600 MW及以下容量機(jī)組電廠的應(yīng)用取得了成功，各主要DCS廠家大都具備實(shí)現(xiàn)DEH，ETS，MEH，METS與機(jī)組DCS一體化的能力。如HOLLIAS系統(tǒng)，有符合汽輪機(jī)控制要求的HOLLIASDEH和ETS與DCS構(gòu)成一體，可滿足大型電廠控制和安全保護(hù)的要求。單元機(jī)組DCS一體化控制在遼寧調(diào)兵山煤矸石電廠300MW循環(huán)流化床機(jī)組、華能營(yíng)口電廠2×300MW燃煤供熱機(jī)組等工程中的應(yīng)用均取得成功。國(guó)電大連莊河2×600MW超臨界機(jī)組、國(guó)電蚌埠發(fā)電廠一期2×600MW超臨界機(jī)組采用DCS EDPF－NT系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括DAS，F(xiàn)SSS，SCS，ECS，MCS，DEH，ETS，MEH，METS和BPS等功能，實(shí)現(xiàn)了鍋爐、汽輪機(jī)、給水泵汽輪機(jī)、汽輪機(jī)旁路的控制和保護(hù)及電氣開關(guān)的控制，是目前功能最齊全的控制系統(tǒng)之一，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)的一體化控制。

DEH與DCS一體化后可作為DCS的一個(gè)站直接掛在DCS主干網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)無縫連接，可取消單獨(dú)設(shè)置的DEH操作員站，DEH與單元機(jī)組DCS共享操作員站，既減少了控制系統(tǒng)接口，又簡(jiǎn)化了控制室布置。

同樣，ETS采用與DCS一體化硬件后，也可作為DCS的一個(gè)站直接掛在DCS主干網(wǎng)上，ETS采用獨(dú)立的控制器，與DCS無縫連接，可在DCS操作員站上實(shí)現(xiàn)ETS的監(jiān)視、在線試驗(yàn)等操作。在應(yīng)用中必須注意ETS控制處理時(shí)間、通信方式應(yīng)能夠達(dá)到汽輪機(jī)安全保護(hù)的快速性和可靠性要求，控制器掃描周期應(yīng)不大于50ms[1]。

2.2 應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

2.2.1 DEH與DCS一體化

對(duì)于600MW及以下容量機(jī)組，單元機(jī)組實(shí)現(xiàn)DCS一體化控制已有多例，從各主機(jī)廠家到各DCS廠家對(duì)這類應(yīng)用已很熟稔。而對(duì)于1000MW超超臨界機(jī)組，DCS一體化控制的應(yīng)用還比較少，問題主要存在于1000MW超超臨界汽輪機(jī)DEH與機(jī)組DCS的一體化方面。

DEH系統(tǒng)作為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造密不可分的一部分，一直由汽輪機(jī)制造廠開發(fā)配套。對(duì)于1000 MW超超臨界汽輪機(jī)，三大主機(jī)廠分別與不同的國(guó)外技術(shù)支持方合作生產(chǎn)，同時(shí)一并配套了相應(yīng)的DEH系統(tǒng)，分別采用了分散控制系統(tǒng)硬件。例如:東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)日立技術(shù)生產(chǎn)，DEH系統(tǒng)采用日立HIACS－5000M系統(tǒng);上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)，DEH采用西門子T3000系統(tǒng);哈爾濱汽輪機(jī)廠采用日本東芝技術(shù)，DEH采用東芝TOSMAPDS/W500。

由于對(duì)1000MW級(jí)機(jī)組的控制仍處在進(jìn)一步深化研究當(dāng)中，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)或正在建設(shè)的1000MW級(jí)火電機(jī)組，較多電廠對(duì)于DEH是否與DCS一體化持較謹(jǐn)慎的態(tài)度，為保證汽輪機(jī)控制的可靠性，大多數(shù)電廠更傾向于采用汽輪機(jī)廠原配的DEH系統(tǒng)。除部分電廠采用了以上幾家的DCS，從而與汽輪機(jī)廠配套的DEH實(shí)現(xiàn)了無縫連接(如上海外高橋三電廠DCS，DEH均采用西門子T－3000系統(tǒng);廣東潮州三百門電廠DCS，DEH均采用日立HIACS－5000M系統(tǒng)等)外，很多電廠對(duì)DEH與DCS一體化并未做強(qiáng)制要求。

例如:早期建設(shè)的華能玉環(huán)電廠，汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠提供，機(jī)組DCS采用西屋Ovation系統(tǒng)，DEH采用西門子T－3000系統(tǒng);華電國(guó)際鄒縣電發(fā)廠汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠提供，機(jī)組DCS采用西屋Ovation系統(tǒng)，DEH采用日立HIACS－5000M系統(tǒng)。近年建設(shè)的國(guó)電泰州發(fā)電有限公司一期2×1000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)由哈爾濱汽輪機(jī)廠提供，機(jī)組DCS采用了西屋Ovation系統(tǒng)，DEH采用東芝TOSMAP－DS/W500系統(tǒng);國(guó)華廣東臺(tái)山電廠二期2×1000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠提供，DEH采用西門子的T－3000系統(tǒng)，DCS采用國(guó)產(chǎn)和利時(shí)MACSV6系統(tǒng)。

當(dāng)然，隨著各主機(jī)廠、DCS廠家對(duì)1000MW級(jí)汽輪機(jī)控制技術(shù)的逐漸掌握，越來越多的1000MW級(jí)火電廠明確要求DEH與機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)一體化，如華電國(guó)際萊州發(fā)電廠一期汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠提供，DEH采用Ovation系統(tǒng)，與機(jī)組DCS實(shí)現(xiàn)了一體化。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)1000MW級(jí)火電機(jī)組DCS仍以進(jìn)口品牌為主，國(guó)產(chǎn)品牌在1000MW級(jí)火電機(jī)組中的應(yīng)用也在逐漸發(fā)展中，但國(guó)產(chǎn)品牌要想占有更大的市場(chǎng)份額，仍需要從硬件和軟件等方面加強(qiáng)研究。

2.2.2 其他問題

隨著DEH，ETS，MEH，METS均采用DCS一體化硬件，這些系統(tǒng)機(jī)柜的供電、接地等均將遵循DCS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，工程實(shí)施中可由DCS廠家統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

3 輔助車間采用DCS實(shí)現(xiàn)控制一體化

3.1 應(yīng)用情況

多數(shù)火電廠外圍輔助車間/系統(tǒng)控制采用可編程控制器(PLC)，并聯(lián)網(wǎng)成輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由傳統(tǒng)PLC控制方式改為采用與機(jī)組DCS一致的BOP－DCS，使得全廠監(jiān)控均在統(tǒng)一的軟、硬件平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)。這種控制方式近年來也有諸多應(yīng)用，如國(guó)電大連莊河電廠2×600MW超臨界機(jī)組、國(guó)電懷安熱電廠2×300MW空冷機(jī)組采用EDPF－NT分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主、輔控系統(tǒng)的控制;內(nèi)蒙古科右中旗熱電廠330MW供熱機(jī)組采用和利時(shí)的DCS實(shí)現(xiàn)主、輔網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)一體化;華電國(guó)際萊州發(fā)電廠一期2×1000MW機(jī)組輔助車間采用與單元機(jī)組相同的西屋Ovation系統(tǒng)。

輔助車間操作方式仍采用集中為主、就地為輔的方式，設(shè)1個(gè)集中值班監(jiān)控點(diǎn)(單元機(jī)組集控室內(nèi))和水、煤、灰等幾個(gè)就地后備監(jiān)控點(diǎn)。

3.2 應(yīng)注意的問題

(1)輔助車間采用國(guó)產(chǎn)DCS實(shí)現(xiàn)全廠一體化監(jiān)控有更好的經(jīng)濟(jì)性。隨著國(guó)產(chǎn)DCS近年的不斷發(fā)展，技術(shù)水平、服務(wù)質(zhì)量均已得到市場(chǎng)的認(rèn)可，與進(jìn)口DCS相比，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯且低于常規(guī)PLC的進(jìn)口價(jià)格。因此，當(dāng)電廠DCS擬采用國(guó)產(chǎn)品牌時(shí)，輔助車間也采用BOP－DCS，除了因監(jiān)控一體化可帶來操作、管理上的便利外，投資上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。

(2)盡管各輔助車間采用與單元機(jī)組一致的DCS軟、硬件實(shí)現(xiàn)控制，但輔助車間控制網(wǎng)絡(luò)與主廠房單元機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是相互獨(dú)立、互不干擾的。同時(shí)，輔助車間DCS控制網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)輔助車間控制系統(tǒng)也應(yīng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的DCS子系統(tǒng)，各輔助工藝系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的冗余控制器，可以獨(dú)立于其他輔助車間DCS及上層輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行，各輔助車間之間不應(yīng)相互干擾。

(3)制氫站、電除塵設(shè)備控制系統(tǒng)因其工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，一般均采用PLC控制并隨主設(shè)備供貨，如改為DCS控制，有一定難度。

(4)采用BOP－DCS時(shí)，工程設(shè)計(jì)與設(shè)備招標(biāo)可采用的方式主要有2種:一種方式是各輔助車間控制系統(tǒng)及輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分別招標(biāo)，招標(biāo)中要求輔助車間控制系統(tǒng)廠家按照電廠已確定的DCS產(chǎn)品進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件的配置;另一種方式是將所有輔助車間控制系統(tǒng)和組網(wǎng)均交由DCS廠家總負(fù)責(zé)，工藝系統(tǒng)由工藝廠家提供并提出控制要求供業(yè)主審核，設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)輔助車間控制系統(tǒng)的規(guī)劃、測(cè)點(diǎn)清單和儀表設(shè)計(jì)等工作。

第1種方式的優(yōu)點(diǎn)在于輔助車間程控廠家工程經(jīng)驗(yàn)比較豐富，但其涉及的供貨廠家多，有的廠家不一定具備消化、使用DCS的能力，各供貨商之間接口多，影響工程進(jìn)度。在第2種方式下，所有輔助車間控制系統(tǒng)及組網(wǎng)工作由DCS廠家總負(fù)責(zé)，在操作與效果上更具優(yōu)勢(shì)。這種方式減少了招標(biāo)次數(shù)，同時(shí)各單位責(zé)任明確，避免了程控廠家多、接口配合困難的缺點(diǎn)，更可發(fā)揮規(guī)模優(yōu)勢(shì)，降低采購成本[2]。采用第2種方式的缺點(diǎn)在于有的DCS廠家在化學(xué)水處理、除灰等輔助系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)不足，因此，設(shè)計(jì)院熱控、電氣及其他相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員需要密切配合DCS廠家進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、邏輯功能設(shè)計(jì)工作，或者在招標(biāo)時(shí)明確要求將輔助車間組態(tài)工作交給更有經(jīng)驗(yàn)的常規(guī)輔助車間程控廠家。

4 結(jié)論

隨著火電廠熱工自動(dòng)化要求的不斷提高，提出了監(jiān)控系統(tǒng)一體化的要求?，F(xiàn)代火電廠正向著建立數(shù)字化電廠的方向發(fā)展，在此方向下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等先進(jìn)控制技術(shù)逐步在火電廠控制中得到應(yīng)用，建立一個(gè)全廠統(tǒng)一的生產(chǎn)過程監(jiān)控平臺(tái)，有利于構(gòu)建一個(gè)完善、可靠的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，從而不斷提高電廠的自動(dòng)化水平。全廠控制系統(tǒng)采用統(tǒng)一的DCS硬件實(shí)現(xiàn)，不但可以帶來操作的便利，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]DL/T1083—2008，火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2]田松.輔助車間DCS集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].火電廠熱工自動(dòng)化，2009(1):34－37.