萊城發(fā)電廠DCS系統(tǒng)改造及應(yīng)用

宋晶華

華電國際萊城發(fā)電廠 山東 萊蕪 271100

1 工程概況

1.1 原DCS系統(tǒng)控制系統(tǒng)簡介

1.1.1 工程概況

華電國際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠#3機(jī)組為上鍋生產(chǎn)的SG-1025/17.44-M844鍋爐配套上汽生產(chǎn)的300MW汽輪機(jī)機(jī)組，于2002年投產(chǎn)發(fā)電。

1.1.2 控制系統(tǒng)總體概況

華電國際萊城發(fā)電廠#3機(jī)組（300MW）熱控系統(tǒng)，原設(shè)計：DCS控制系統(tǒng)為西門子T-XP分散控制系統(tǒng)；汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，DEH控制系統(tǒng)為新華XDPS系統(tǒng)，DCS與DEH通過硬接線及通訊方式聯(lián)接。#3機(jī)組的控制室臥盤設(shè)有DCS操作員站5個、DEH操作員站1個，運(yùn)行人員通過DCS、DEH系統(tǒng)的操作員站，實(shí)現(xiàn)對機(jī)、爐熱力系統(tǒng)及設(shè)備的監(jiān)視和操作。6kV/220kV系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)等電氣控制和監(jiān)視測量已全部納入DCS系統(tǒng)。

#3機(jī)組TXP分散控制系統(tǒng)覆蓋DAS、MCS、SCS、FSSS四個子系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用冗余數(shù)據(jù)高速公路，有9個處理單元AP、APF，AP柜與端子柜采用分立布置，系統(tǒng)共布置6臺操作員站，4臺過程處理單元、2臺冗余的服務(wù)單元、1臺工程師站。

2 實(shí)施背景

1）DCS系統(tǒng)經(jīng)過11年運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)CPU負(fù)荷率太高，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不穩(wěn)定，系統(tǒng)容量不能滿足新增項(xiàng)目需求，而且設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高。

2）通過改造后方便DCS系統(tǒng)升級和擴(kuò)充，且能充分保證電廠設(shè)備的長期安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3）改造后機(jī)組采用機(jī)、爐、電集中控制方式，換型后設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低，整個系統(tǒng)控制性能和自動化水平都將得到進(jìn)一步提升。

3 總體改造方案

為確保改造項(xiàng)目順利完成，以熱控專業(yè)作為核心改造施工組，負(fù)責(zé)完成設(shè)備監(jiān)造、安裝、調(diào)試。熱控隊(duì)根據(jù)人員狀況，制定施工組織方案：大修開始7天內(nèi)完成電子間機(jī)柜拆除、機(jī)柜進(jìn)入基礎(chǔ)制作、固定；33天時間完成DCS、DEH等改造機(jī)柜安裝、端子柜接線，達(dá)到上電條件。

1）新系統(tǒng)改造后具有原西門子TXP系統(tǒng)的所有控制功能，新DCS系統(tǒng)基本按原控制系統(tǒng)功能邏輯進(jìn)行配置，盡量避免了邏輯功能的改變。

2）根據(jù)#3機(jī)組現(xiàn)狀及設(shè)備可靠性，此次改造主要完成了以下工作：

將原電子間進(jìn)行擴(kuò)建改造，滿足新加機(jī)柜安裝要求；拆除原TXP系統(tǒng)AP柜及電源柜，保留原系統(tǒng)端子柜和繼電器柜；根據(jù)新DCS系統(tǒng)電源的實(shí)際情況在原電源柜基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計改造；將原PLC吹灰程控系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)控制，在DCS系統(tǒng)內(nèi)增加相應(yīng)的畫面及控制柜；新增鍋爐低NOX燃燒和脫銷控制；改造集控室操作臺與立屏報警、顯示；DEH/MEH控制系統(tǒng)進(jìn)行改造并與DCS系統(tǒng)采用統(tǒng)一的硬件，連接成同一個網(wǎng)絡(luò)；將電氣發(fā)變組、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)自同期系統(tǒng)、高壓廠用電快切系統(tǒng)、中央信號系統(tǒng)、電氣廠用系統(tǒng)（6kV/400V）主要設(shè)備操作及監(jiān)控按原設(shè)置納入DCS系統(tǒng)控制。

表1中給出了原系統(tǒng)I/O數(shù)量統(tǒng)計 ，從中可以詳細(xì)了解原系統(tǒng)的硬件配置。

4 系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試

4.1 系統(tǒng)配置

本次改造后DCS系統(tǒng)改為上海新華XDC800系統(tǒng)，XDC800系統(tǒng)以32位CPU組成的新華控制器XCU為核心，配置標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，構(gòu)成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行新華集團(tuán)公司開發(fā)的OnXDC可視化圖形組態(tài)軟件。整臺機(jī)組控制系統(tǒng)采用了24對冗余XCU和6對DP控制器及12臺人機(jī)接口站（7臺安放在控制室內(nèi)控制臺上，其中5臺帶普通CRT操作員站，1臺帶大屏操作員站，1臺帶4/6畫面分割器的主機(jī)，并與DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，接收DCS系統(tǒng)信號；工程師站3臺、歷史站1臺，1臺SIS接口機(jī)）。

系統(tǒng)功能分配如下：

表1 原＃3機(jī)組I／O數(shù)量

DAS系統(tǒng)：2對 XCU；CCS系統(tǒng)：2對 XCU；MCS系統(tǒng)：3對 XCU；SCS系統(tǒng)：6對 XCU；FSSS系統(tǒng)：2對 XCU；ECS系統(tǒng)：2對 XCU；DEH 系統(tǒng)：2對XCU；MEH 系統(tǒng)：2 對 XCU （A、B 小機(jī)各一對）；吹灰系統(tǒng)：1對XCU；脫銷系統(tǒng)：1對XCU；循環(huán)水遠(yuǎn)程站：1對 XCU；400V SIMOCODE 通訊控制：6對DP控制器。

XCU和HMI的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)冗余配置結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

1）新DCS系統(tǒng)的設(shè)計組態(tài)是根據(jù)原系統(tǒng)設(shè)備情況進(jìn)行配置的，保證控制系統(tǒng)的安全、可靠，同時新系統(tǒng)具有與其它的外部控制系統(tǒng)很好的接口性能。

2）系統(tǒng)控制邏輯、設(shè)備改造范圍及原則

保留原控制運(yùn)行操作界面基本不變，適應(yīng)運(yùn)行習(xí)慣；控制邏輯以目前機(jī)組實(shí)際控制邏輯為藍(lán)本，進(jìn)行邏輯組態(tài)；自動控制回路在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加了一些新的控制策略；對主要輔機(jī)的一些輔助設(shè)備進(jìn)行了邏輯完善；DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙電源自動切換，對操作源站、歷史站工程師站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配置雙電源；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)全部使用光纜進(jìn)行連接；ECS系統(tǒng)操作界面按運(yùn)行習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計，其控制邏輯設(shè)計及組態(tài)滿足現(xiàn)場實(shí)際需求；廠用電系統(tǒng)切換通過快切裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖和軟手操來控制。

3）設(shè)計在操作員盤臺的緊急停爐、緊急停機(jī)等按鈕具有獨(dú)立的硬接線回路，且緊急按鈕信號同時接入DCS作為SOE點(diǎn)和跳閘首出的條件之一。

4）系統(tǒng)電源

XDC800控制站和HMI站的供電電源均由廠用電和UPS電源切換后供電。XDC800控制站供電分為內(nèi)電源供電、外電源供電，內(nèi)外電源都采用24VDC冗余電源。24V內(nèi)電源供給I/O模件 （卡件），24V外電源供給端子板或外部儀表的查詢電壓，內(nèi)外電源的容量都為150W。

5）系統(tǒng)接地

整個XDC800系統(tǒng)根據(jù)規(guī)模大小，可以分成若干個控制站組，每個控制站組內(nèi)實(shí)行單點(diǎn)接地，站組內(nèi)各控制柜接地點(diǎn)分別匯接到站組接地點(diǎn)（>=10 mm2）。一般放在站組中間的控制柜以使接地電纜盡量短，由圖2可以看出每個控制站組的接地點(diǎn)分別匯接到XDC800系統(tǒng)的銅板上，從接地銅板接至廠用接地網(wǎng)（電纜>=90 mm2兩端焊接）。

圖2 系統(tǒng)接地

4.3 系統(tǒng)調(diào)試

由于要求新DCS系統(tǒng)保留原有的控制策略和邏輯組態(tài)。因此在調(diào)試中遇到了一些問題：

1）電纜接線問題。原TXP系統(tǒng)控制器與現(xiàn)場接線是分柜布置的，如果用新的機(jī)柜一體式接線方式，將會產(chǎn)生大量的斷點(diǎn)，留下很多隱患，最終確定了保留原端子柜，采用預(yù)制電纜連接方式，前期需要設(shè)計好卡件配置，同時還需要將部分信號接線進(jìn)行移位。

2）SIMECODE通訊問題。SIMECODE是西門子公司專用設(shè)備，我廠#3、4機(jī)組電氣400V設(shè)備全部用此方式進(jìn)行控制。為此新華公司經(jīng)過長時間摸索才完成通訊連接，并且在后續(xù)調(diào)試過程中仍然遇到一些問題，尤其是在系統(tǒng)投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)所有DP控制器會定期切換，后經(jīng)生產(chǎn)廠家進(jìn)行硬件升級才得以解決。

3）軟件不兼容，模塊時序問題。既使采用同樣的組態(tài)方式，很多復(fù)雜邏輯仍然無法實(shí)現(xiàn)，為此在引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)變頻邏輯實(shí)現(xiàn)上耗費(fèi)了大量的精力和時間。

4）熱阻卡件抗干擾性差。 DCS抗干擾問題是關(guān)系到整臺機(jī)組能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的大問題。在施工中，所有模擬量信號電纜的屏蔽芯在控制機(jī)柜側(cè)進(jìn)行了單端接地，溫度信號在組態(tài)中設(shè)置了慢速率保護(hù)。但在用對講機(jī)進(jìn)行抗干擾測試時發(fā)現(xiàn)PT100卡件抗干擾性太差，由圖3可以看出溫度信號受到干擾后跳變比較劇烈。后經(jīng)過生產(chǎn)廠家改進(jìn)，把全部PT100卡件更換后試驗(yàn)正常。

圖3 PT100卡件干擾試驗(yàn)

5 性能評價

1）本次改造歷時80天，整個施工過程有序，組織嚴(yán)密，DCS系統(tǒng)一次投運(yùn)成功。萊城電廠熱控專業(yè)做到了從邏輯設(shè)計、流程圖繪制、到設(shè)備安裝調(diào)試的全過程參與，確保了改造效果的可靠性。此次改造還將循環(huán)水遠(yuǎn)程站、壁溫遠(yuǎn)程站、以及DEH系統(tǒng)一并采用統(tǒng)一的硬件，連接成同一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，提高了機(jī)組的集成功能。

2）＃3機(jī)組DCS系統(tǒng)改造完成后，系統(tǒng)容納單點(diǎn)量增加了3600多點(diǎn)，控制器負(fù)荷由原來的30～50%降低到10～20%，操作員站調(diào)用畫面操作模塊速度是老系統(tǒng)的兩倍，DCS系統(tǒng)的可靠性明顯提升。開放性的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、普通工控機(jī)的使用，也使DCS的開放性大幅提升。控制系統(tǒng)經(jīng)完善后性能得到提升，自動調(diào)節(jié)投入情況良好。

3）由于是改造項(xiàng)目，難免在施工中遺留了一些問題。例如邏輯組態(tài)中品質(zhì)傳遞、站間通訊問題在改造中由于考慮不足，在運(yùn)行中逐漸暴露出來。在隨后機(jī)組的檢修中我們都逐一進(jìn)行了完善，增加了相應(yīng)品質(zhì)判斷報警功能，增加硬接線減少通訊點(diǎn)，這些也都隨后應(yīng)用到了后續(xù)機(jī)組的改造中，從而提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)束語

#3機(jī)組熱控系統(tǒng)改造后使系統(tǒng)控制、聯(lián)鎖、保護(hù)、報警功能得到了完善，保護(hù)信號動作準(zhǔn)確可靠，也便于監(jiān)控管理。而且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，組態(tài)軟件、調(diào)試整定也較方便；正是有了#3機(jī)組DCS改造的成功經(jīng)驗(yàn)，隨后我們又成功完成了#4、2、1機(jī)組DCS系統(tǒng)同類型改造，系統(tǒng)各項(xiàng)功能指標(biāo)都符合要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

［1］周黎輝，孫海蓉，王峰，等.分散控制系統(tǒng)的原理及運(yùn)行案例［J］.北京：中國水利水電出版社，2009.

［2］趙燕平.火電廠分散控制系統(tǒng)檢修運(yùn)行維護(hù)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2002.