現(xiàn)場總線控制技術(shù)在火力發(fā)電廠水處理島中的應(yīng)用

吳志勇，李鴻燕

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

電力是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，它已成為與煤炭、石油等基礎(chǔ)能源一樣不可缺少的能源。在火力發(fā)電廠水處理島的設(shè)計中，設(shè)計人員積極響應(yīng)國家提出的“建設(shè)節(jié)約型企業(yè)”的號召，采取了相應(yīng)措施以達(dá)到節(jié)能降耗、節(jié)水和環(huán)保之目的。在火力發(fā)電廠中，采用集中布置的水處理島方案與常規(guī)布置的方案相比，在工藝設(shè)備、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、占地面積、建筑面積和運(yùn)行維護(hù)方面具有明顯的優(yōu)勢。面對目前土地資源日益緊張、投資緊縮、企業(yè)精簡人員的局面，整合各分系統(tǒng)的水處理島的布置將是今后發(fā)電廠水處理系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

由于火力發(fā)電廠水處理島設(shè)備集中，管道高度密集，若按傳統(tǒng)方式布置電纜和橋架則困難較大。在滿足工藝要求、節(jié)省占地、節(jié)省造價的前提下，在水處理島集中布置時，確定采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)?，F(xiàn)場總線技術(shù)與傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)、分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)相比，可省去相當(dāng)數(shù)量的設(shè)備。一條總線就可以傳輸所有在線信號且信息全部數(shù)字化，這些數(shù)據(jù)可幫助計算機(jī)管理系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)，提前知道現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提前進(jìn)行維護(hù)，減少維護(hù)成本。

1 電廠用水及水源情況

該期工程2×330 MW機(jī)組夏季純凝工況中水補(bǔ)充水量為377.0 m3/h，冬季供熱工況中水補(bǔ)充水量為456.6 m3/h。電廠工業(yè)用水(包括循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水，化學(xué)補(bǔ)水等)均采用中水，中水處理量按照600 m3/h設(shè)計。從1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)看，通過對污水處理廠中水的水質(zhì)報告進(jìn)行分析，污水處理廠出水大部分時間主要污染物達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)二級排放的要求指標(biāo)，其中懸浮物質(zhì)量濃度為40～984 mg/L(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)為≤30 mg/L)，化學(xué)需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)為80～350 mg/L(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)為≤100 mg/L)，生化需氧量BOD5(Biochemical Oxygen Demand)為30～240mg/L(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)為≤30 mg/L)，氨氮質(zhì)量濃度為15～600 mg/L(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)為≤25 mg/L)，水中溶解固形物＜1500 mg/L，pH值、硬度、堿度、CI－離子、離子及其他離子含量都可滿足工業(yè)用水的要求。

2 水處理島的總平面及建(構(gòu))筑物設(shè)計

水處理島將原水預(yù)處理、反滲透處理、除鹽水處理、工業(yè)廢水處理等設(shè)施作為水區(qū)集中布置在一起，使得整體工藝流程更加合理，廠區(qū)管道更短，減少了占地面積;采用合并到一個控制室進(jìn)行集中控制的方案，便于運(yùn)行管理，可節(jié)省建筑費(fèi)用。

水處理島占地長138 m，寬90 m，總平面面積為12400 m2。常規(guī)分散布置占地為3塊區(qū)域，總平面面積約為22 800 m2。水處理島總占地面積約節(jié)省10 400 m2(相當(dāng)于常規(guī)處理島總占地面積的45.9%)。

常規(guī)分散布置各處理單元的建筑物功能多有重復(fù)，合并處理單元后，相同性質(zhì)的建筑面積會因建筑內(nèi)容納的設(shè)備數(shù)目變多而擴(kuò)大，但總建筑數(shù)量減少，所以，總建筑面積也減少。

對建筑物的面積進(jìn)行了比較，水處理島布置方案中的建筑面積與常規(guī)布置方案中的建筑面積相比，可節(jié)省2966 m2(相當(dāng)于常規(guī)處理島總建筑面積的34%)。

3 水處理島現(xiàn)場總線技術(shù)研究和應(yīng)用

3.1 水處理島總線標(biāo)準(zhǔn)的選擇

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，總線協(xié)議是實(shí)現(xiàn)開放和互操作的必要條件?，F(xiàn)場總線的基礎(chǔ)是智能現(xiàn)場設(shè)備，是現(xiàn)場總線的硬件支持，雙向數(shù)字通信的基礎(chǔ)載體?，F(xiàn)場總線的本質(zhì)是現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化、信息化和控制的分散化。適用于火電機(jī)組自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線主要為生產(chǎn)過程現(xiàn)場總線Profibus(Process Fieldbus)和基金會現(xiàn)場總線FF(Fieldbub Foundation)。

水處理島總線控制系統(tǒng)是電廠輔機(jī)系統(tǒng)中采用的首個總線控制系統(tǒng)，該項(xiàng)目工藝系統(tǒng)龐大，離散量多達(dá)幾千點(diǎn)，僅此而言，宜采用Profibus總線協(xié)議。Profibus在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖1所示。

水處理島總線控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)議為Profibus，在此統(tǒng)一規(guī)約的前提下，才能保證不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備可相互交換數(shù)字信息，確保系統(tǒng)的互操作性。

3.2 水處理島現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

按照 IEC61158 Ed.3—2003《現(xiàn)場總線》標(biāo)準(zhǔn)的要求，Profibus現(xiàn)場總線由以下3部分組成:現(xiàn)場總線信息規(guī)范FMS(Fieldbus Message Specification)、分布式外圍設(shè)備DP(Decentralized Periphery)和過程自動化PA(Process Automation)。

根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展的狀況，監(jiān)控級采用Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)，而不采用Profibus－FMS。因此，該電廠水處理島系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)從下往上由3級構(gòu)成:現(xiàn)場級(Profibus－DP支路和Profibus－PA支路)、主控級(Profibus－DP冗余光環(huán))和監(jiān)控級(工業(yè)以太網(wǎng))。

PLC、工程師站、操作員站通過交換機(jī)構(gòu)成以太網(wǎng);膜生物反應(yīng)器MBR(Membrane Bio-reactor)及工業(yè)廢水處理處理現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)和鍋爐補(bǔ)給水處理FCS通過DP/PA－Link構(gòu)成Profibus－PA支路，通過通訊鏈路器(Y－Link)構(gòu)成Profibus－DP支路。

電廠水處理島控制系統(tǒng)采用FCS，總線控制系統(tǒng)劃分為2部分，MBR及工業(yè)廢水處理FCS和鍋爐補(bǔ)給水處理FCS。其中，工業(yè)廢水處理FCS包括膜生物反應(yīng)器、工業(yè)廢水處理及輔助系統(tǒng)的控制;鍋爐補(bǔ)給水處理FCS包括反滲透系統(tǒng)、除鹽系統(tǒng)、綜合泵間、除鹽水泵間及輔助系統(tǒng)的控制。水處理島總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于目前主流Profibus－PA和DP設(shè)備和儀表大部分未設(shè)計冗余通訊接口，因此，在設(shè)備和儀表相對集中的位置設(shè)計了1條PA或DP支路，連接PA或DP設(shè)備和儀表。PA，DP支路再通過Y－Link接入冗余DP光環(huán)。這樣既保證了Profibus現(xiàn)場總線設(shè)備的通信條件，又滿足了電廠通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖1 總線控制系統(tǒng)典型應(yīng)用示例

圖2 水處理島總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場總線系統(tǒng)網(wǎng)段的設(shè)計原則:冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段?？刂七壿嬒嚓P(guān)(同一控制回路中)的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網(wǎng)段上。同一支路應(yīng)盡量把控制類設(shè)備布置在前端，監(jiān)視類設(shè)備布置在后端。每個Profibus－DP總線網(wǎng)段通信速率500 kbit/s較適宜。每個Profibus－DP總線子網(wǎng)段連接設(shè)備數(shù)量不多于19個。每個Profibus－PA總線子網(wǎng)段連接設(shè)備數(shù)量:不多于18個。每個DP主站與DP Y－link，DP/PA－link之間的距離超過100m，或主站與DP Y－link，DP/PA－link在不同建筑物安裝時，應(yīng)采用光纜連接。

3.3 水處理島總線系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計

涵蓋監(jiān)控級Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場級通訊網(wǎng)絡(luò)PA支路和DP支路的水處理島總線系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)圖，其上層網(wǎng)絡(luò)為Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 水處理島系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

水處理島總線控制系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控級和現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中監(jiān)控級采用Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)(100Mbit/s);現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)則由Profibus－DP(Distributed Peripheral)和 Profibus－PA(Process Automation)支路構(gòu)成。

Profibus－DP用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分布式I/O之間的高速數(shù)據(jù)通信，即現(xiàn)場設(shè)備層的高速數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率范圍為9.6 kbit/s～12.0 Mbit/s，掃描1000個I/O點(diǎn)的時間小于1 ms。主站周期讀取從站的輸入信息并周期性向從站發(fā)送輸出信息。

控制系統(tǒng)采用PLC和上位機(jī)兩級的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行控制:PLC和上位機(jī)之間通過數(shù)據(jù)通訊接口進(jìn)行通訊，PLC通過各分布式I/O從站對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

光纖鏈接模塊OLM(Optical Link Module)所構(gòu)成的是冗余光纖環(huán)網(wǎng)，但每段DP支路連接保護(hù)單元(Simocode)或超聲波液位計等單DP設(shè)備，使用YLink可以將雙路的冗余光環(huán)合二為一，形成現(xiàn)場的DP支路。冗余光纖環(huán)網(wǎng)與DP支路的連接如圖4所示。

具有DP智能現(xiàn)場總線接口的儀表和設(shè)備如超聲波液位計、電動機(jī)控制和保護(hù)單元(Simocode)、分布式I/O等可直接連接到DP支路上，但PA儀表則需要通過DP/PA－Link掛接在Profibus－DP總線上，如圖5所示。

自現(xiàn)場OLM的DP支路之后，連接DP/PALink形成PA支路，將通過DP/PA－Link連接到上層DP總線網(wǎng)絡(luò)上，如圖6所示。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的DP有3類從站設(shè)備:

(1)氣動閥島，系統(tǒng)中用到的氣動隔膜閥、氣動蝶閥的電磁控制閥均采用ET200Pro閥島進(jìn)行控制。

(2)低壓電器設(shè)備(MCC)，采用智能電動機(jī)控制器再配上相應(yīng)的斷路器、接觸器構(gòu)成完整的智能控制保護(hù)單元。對于功率小于5.5 kW的電動機(jī)采用智能電動機(jī)控制器來控制，所有的電動機(jī)都能夠被接入到總線系統(tǒng)中。

(3)分析儀表及超聲波液位計。

圖6 PA儀表和執(zhí)行器總線連接

4 總線技術(shù)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

在火力發(fā)電廠集中水處理控制系統(tǒng)中，F(xiàn)CS的應(yīng)用剛剛起步，F(xiàn)CS是在現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)上較PLC，DCS更新一代的控制技術(shù)，F(xiàn)CS是發(fā)展的方向，它的諸多優(yōu)點(diǎn)正得到實(shí)際工程的驗(yàn)證。下面對幾種控制方式在火力發(fā)電廠水處理系統(tǒng)應(yīng)用時的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比。

4.1 技術(shù)比較

火力發(fā)電廠水處理島通過使用現(xiàn)場總線，用戶可大量減少現(xiàn)場接線，用單個現(xiàn)場儀表可實(shí)現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，維護(hù)十分簡便。技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果見表1。

4.2 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較結(jié)果見表2。

表1 技術(shù)指標(biāo)比較

續(xù)表

表2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

續(xù)表

5 結(jié)論

總線控制系統(tǒng)與目前市場流行的DCS價格相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)可為用戶節(jié)省30%以上的建設(shè)投資成本，減少30%的運(yùn)行人員和熱工維護(hù)人員，減少了管理費(fèi)用，由于設(shè)備維護(hù)采用了先進(jìn)的管理手段，可為用戶節(jié)省至少30%以上的管理運(yùn)行費(fèi)用。

水處理島總線控制系統(tǒng)是一種全開放、全數(shù)字、全分散的新型控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。而現(xiàn)場設(shè)備級的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化是火電廠數(shù)字化管理的基礎(chǔ)，全面使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將大大提高發(fā)電企業(yè)的管理效率，從而使自身在電力市場競爭中處于優(yōu)勢地位。

火電企業(yè)進(jìn)入信息化時代，采用總線控制技術(shù)的水處理島控制系統(tǒng)使得現(xiàn)場設(shè)備與電廠控制管理系統(tǒng)的數(shù)字通信成為可能，為電廠信息化建設(shè)和績效管理提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺。隨著數(shù)字化電廠的不斷推進(jìn)，相信現(xiàn)場總線技術(shù)將會獲得更多、更廣泛的應(yīng)用。

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