DCS 在國(guó)能惠民生物質(zhì)電廠中的應(yīng)用

杜之正，呂麗霞，范巧云，張 嵩，周 青

(1.華北電力大學(xué)自動(dòng)化系，河北保定071003;2.山東電力研究院魯能控制公司，山東濟(jì)南250002)

0 引言

生物質(zhì)發(fā)電主要是以農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物為原料，采取直接燃燒或氣化的發(fā)電方式，具有資源分布廣、可持續(xù)利用等特點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)資源十分豐富，各種農(nóng)作物每年產(chǎn)生秸稈6億多噸，其中可以作為能源使用的約4億噸。秸稈熱值約為15000kJ/kg，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%。如果加以有效利用，開(kāi)發(fā)潛力將十分巨大。

國(guó)能惠民生物質(zhì)電廠30MW機(jī)組，采用振動(dòng)爐排方式燃燒秸稈、額定功率為130t/h高溫高壓參數(shù)的電站鍋爐和額定容量為30MW的單級(jí)抽氣凝汽式高溫高壓參數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)組。其DCS采用山東電力研究院魯能控制公司的LN2000分散控制系統(tǒng)。本項(xiàng)目每年可燃燒秸稈30余萬(wàn)噸，在節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，增加了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)收入，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 工藝介紹和系統(tǒng)需求

國(guó)能惠民生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目中以30MW的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組和130t/h的高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工段，同時(shí)包括上料、爐前料倉(cāng)、化水、電氣等輔助工段。該工程按照示范電站設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是使電廠具有較高的機(jī)組自動(dòng)化水平，較少的人員編制，以降低電廠的發(fā)電運(yùn)營(yíng)成本。系統(tǒng)的DCS的I/O測(cè)點(diǎn)為2916個(gè)。該生物質(zhì)燃料鍋爐工藝流程如圖1所示，主要由汽包、爐膛、過(guò)熱器、省煤器等鍋爐本體和給料機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器等輔助設(shè)備組成。

圖1 生物質(zhì)燃料鍋爐工藝流程圖

該生物質(zhì)電廠的系統(tǒng)需求為:需要提供過(guò)程控制站、現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O總線冗余;設(shè)置GPS校時(shí)和SOE事件順序記錄;鍋爐、汽輪機(jī)主控可自定義功能設(shè)計(jì);具備第三方設(shè)備通訊功能;具備自診斷能力，包括過(guò)程控制站和I/O自診斷功能。對(duì)于以上系統(tǒng)需求，LN2000 DCS以其快速的功能響應(yīng)和良好的控制性能，成功地為整個(gè)電廠的主控、輔控一體化提供了控制方案，并在具體實(shí)施中取得了良好的效果。

2 LN2000 DCS硬件配置方案

LN2000分散控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和過(guò)程站控制系統(tǒng)組成。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由工控機(jī)構(gòu)成的功能強(qiáng)大的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，通過(guò)工控機(jī)上安裝的LN2000 DCS軟件，經(jīng)過(guò)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生物質(zhì)電廠的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)包括5臺(tái)操作員站、1臺(tái)工程師站、1臺(tái)值長(zhǎng)站、7對(duì)冗余過(guò)程控制站，采用過(guò)程控制站、現(xiàn)場(chǎng)總線和I/O總線冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所提供的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制工藝設(shè)計(jì)完全符合了生物質(zhì)電廠生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)的鍋爐部分、FSSS部分、汽輪機(jī)部分、電氣部分、化水部分和吹灰部分各配置一對(duì)冗余DPU。該系統(tǒng)的硬件配置方案如圖2所示。

過(guò)程控制站能接受工程師站下裝的組態(tài)信息，采集I/O模塊數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略，并通過(guò)I/O模塊控制遠(yuǎn)方設(shè)備。DPU上的兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)控制器采用主從方式與I/O模塊通信，實(shí)現(xiàn)冗余能力，從而保證對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的正?？刂?。上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和過(guò)程控制站之間，采用冗余的以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，使操作人員能夠通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)I/O模塊分布如表1所示。

圖2 系統(tǒng)硬件配置方案

表1 系統(tǒng)I/O配置表

3 系統(tǒng)的操作監(jiān)控

3.1 控制方式

LN2000 DCS所有設(shè)備控制閥的控制方式均采用遠(yuǎn)程、就地相結(jié)合，并能互相切換。遠(yuǎn)程控制時(shí)，操作員在操作員站上對(duì)設(shè)備控制閥等進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和動(dòng)作控制是通過(guò)LN2000 DCS中的SAMA圖邏輯組態(tài)軟件和操作員站監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面以爐膛負(fù)壓控制為例進(jìn)行說(shuō)明，主要以SAMA圖進(jìn)行控制邏輯組態(tài)，操作員以監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行操作控制。爐膛負(fù)壓控制的SAMA圖如圖3所示。

爐膛壓力調(diào)節(jié)器取正作用，當(dāng)發(fā)生風(fēng)系統(tǒng)擾動(dòng)使?fàn)t膛壓力下降時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸入偏差Δ＜0，由于調(diào)節(jié)器取正作用，故調(diào)節(jié)器輸出減小，要求減小引風(fēng)量以維持爐膛壓力。

圖3 爐膛負(fù)壓控制SAMA圖

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，爐膛壓力控制切至手動(dòng)狀態(tài):1)三個(gè)爐膛壓力測(cè)量信號(hào)中兩個(gè)發(fā)生故障、爐膛壓力調(diào)節(jié)器測(cè)量值與給定值偏差大于規(guī)定值、爐膛壓力超出規(guī)定值、引風(fēng)機(jī)控制均處于手動(dòng)狀態(tài)。2)當(dāng)引風(fēng)機(jī)控制指令與閥位信號(hào)的偏差大于規(guī)定值或引風(fēng)機(jī)停運(yùn)及啟動(dòng)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的引風(fēng)機(jī)控制切至手動(dòng)狀態(tài)。

爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 爐膛負(fù)壓控制原理圖

它是以爐膛壓力為給定值的單回路控制系統(tǒng)，被調(diào)量是爐膛壓力，調(diào)節(jié)變量為引風(fēng)量，通過(guò)控制引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量使?fàn)t膛壓力維持在規(guī)定的范圍內(nèi);擾動(dòng)來(lái)自鍋爐的送、引風(fēng)系統(tǒng)和爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定程度。當(dāng)爐膛壓力超過(guò)許可值時(shí)，將引起鍋爐MFT保護(hù)動(dòng)作。由于爐膛壓力控制系統(tǒng)的重要性，故爐膛壓力信號(hào)采用三取二的方式，以提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 主要控制系統(tǒng)

生物質(zhì)發(fā)電廠應(yīng)該具備的主要控制系統(tǒng)有數(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)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)(ECS)、燃料輸送系統(tǒng)、化學(xué)水程控系統(tǒng)等。這些控制系統(tǒng)的功能是通過(guò)LN2000 DCS組態(tài)及編程軟件的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)后實(shí)現(xiàn)的。

DAS采集、處理與電廠機(jī)組有關(guān)的重要測(cè)點(diǎn)信號(hào)和設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，使操作人員能得到及時(shí)的運(yùn)行信息，從而保證了機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)，DAS還具備了屏幕顯示、參數(shù)越限報(bào)警、事件序列、事故追憶、性能與效率計(jì)算和經(jīng)濟(jì)分析、打印制表、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

MCS完成單元機(jī)組及輔機(jī)系統(tǒng)的模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)將鍋爐部分、汽輪機(jī)部分、電氣部分作為一個(gè)整體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而使鍋爐部分和汽機(jī)部分同時(shí)響應(yīng)負(fù)荷要求，這樣就保證了機(jī)組快速適應(yīng)負(fù)荷變化，保持穩(wěn)定運(yùn)行。該生物質(zhì)電廠的模擬量控制系統(tǒng)主要包括機(jī)組協(xié)調(diào)主控、送風(fēng)控制、爐膛壓力控制、燃料控制和給水控制等系統(tǒng)。該項(xiàng)目的單參數(shù)回路的自動(dòng)調(diào)節(jié)任務(wù)也是由MCS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

SCS對(duì)機(jī)組主要設(shè)備組或子組進(jìn)行順序啟?？刂剖前凑崭髟O(shè)備的啟停運(yùn)行要求及運(yùn)行狀態(tài)并且經(jīng)邏輯判斷發(fā)出操作指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)根據(jù)該生物質(zhì)電廠的工藝要求實(shí)施聯(lián)鎖與保護(hù)。該工程的主要順控系統(tǒng)包括送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、空預(yù)器系統(tǒng)、秸稈燃燒系統(tǒng)及秸稈輸送系統(tǒng)等。

FSSS可以在鍋爐出現(xiàn)異常工況時(shí)發(fā)出報(bào)警，并且發(fā)出使相關(guān)輔機(jī)啟、停的指令;是通過(guò)連續(xù)監(jiān)視鍋爐在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)進(jìn)行邏輯判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢?jiàn)，它按照預(yù)定的邏輯順序?qū)τ嘘P(guān)設(shè)備進(jìn)行控制是通過(guò)一系列的聯(lián)鎖條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要控制功能包括爐膛吹掃、火焰檢測(cè)和滅火保護(hù)、爐膛壓力保護(hù)、主燃料跳閘及停爐后吹掃等。

ECS對(duì)所有的電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全可靠的軟手操，同時(shí)提供必要的順序控制及閉鎖功能。監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)該生物質(zhì)電廠的發(fā)電機(jī)變壓器組、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、高壓廠用電源、低壓廠用電源、不停電電源系統(tǒng)、直流系統(tǒng)及380V廠用電系統(tǒng)等進(jìn)行監(jiān)控。

燃料輸送系統(tǒng)是由卸料系統(tǒng)、儲(chǔ)料系統(tǒng)、上料系統(tǒng)組成。輸料系統(tǒng)采用DCS控制和就地控制2種控制方式。帶式輸送機(jī)與分配帶聯(lián)鎖控制，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備均設(shè)聯(lián)鎖保護(hù)。

化學(xué)水處理控制系統(tǒng)作為DCS的一個(gè)子站與DCS相連，該系統(tǒng)留有與汽水取樣系統(tǒng)的冗余以太網(wǎng)通訊接口。加藥系統(tǒng)配有獨(dú)立的控制柜，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，留有冗余的以太網(wǎng)接口。采用程控、遙控及就地操作相結(jié)合的控制方式，并能相互切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

LN2000 DCS在國(guó)能惠民生物質(zhì)發(fā)電廠30MW機(jī)組的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)了LN2000 DCS對(duì)生物質(zhì)電廠的復(fù)雜工藝過(guò)程的整體控制和適應(yīng)能力。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，既減少了操作人員的誤操作次數(shù)，降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，取得了良好的效果，也為相似工程提供了參考。

［1］ 蓋東飛，傅鈞.30MW生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)［J］.水利電力機(jī)械，2006，(12).

［2］ 黃宗漢.生物質(zhì)發(fā)電廠的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.水電與新能源，2010，(2).

［3］ 曾金發(fā).貝加萊APROLDCS在黑山生物質(zhì)發(fā)電廠中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化博覽，2010，(1).

［4］ 唐黎.廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目(2x50MW)工程熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案介紹［J］.水利水電，2010，(7).

［5］ 陳少波.LN2000系統(tǒng)維護(hù)［J］.山東電力技術(shù)，2007(增刊):92-95.

［6］ 孫榮峰，閻貴煥，許敏，等.兩步法生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電技術(shù)［J］.華電技術(shù)，2006，(12).

［7］ 陶蕊，姜宗星.LN2000 DCS在水泥窯純低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用［A］.2010’第五屆綠色財(cái)富(中國(guó))論壇會(huì)刊［C］.2010.

［8］ 倪向紅.生物質(zhì)燃料鍋爐控制策略研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［9］ 谷青松.直燃式生物質(zhì)發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2007.

［10］ 王強(qiáng).分散控制系統(tǒng)在直燃式生物質(zhì)電廠的應(yīng)用與研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2008.

［11］ 賀超.HDPF系統(tǒng)在生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電廠的應(yīng)用研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2012.

［12］ 翟永杰，王學(xué)厚，張悅，等.火電廠分散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010.