煤氣綜合利用發(fā)電項目中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用

高 飛

（安徽馬鋼工程技術(shù)集團有限公司，安徽馬鞍山243000）

煤氣綜合利用發(fā)電項目中DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用

高 飛

（安徽馬鋼工程技術(shù)集團有限公司，安徽馬鞍山243000）

近幾年節(jié)能環(huán)保、降低能耗越來越受到鋼鐵企業(yè)的重視，利用富裕煤氣發(fā)電項目也越來越多，其控制系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，模擬量控制系統(tǒng)，輔機順序控制系統(tǒng)等，并需要滿足運行可靠、響應(yīng)快速、人機操作友好，維護(hù)方便等要求?；诖似毡椴捎肈CS系統(tǒng)，簡要介紹了NT6000系列DCS系統(tǒng)在長江鋼鐵煤氣發(fā)電項目中的應(yīng)用。

煤氣鍋爐；余熱發(fā)電；應(yīng)用；DCS

1 引言

在我國鋼鐵產(chǎn)能過剩，鋼鐵行業(yè)競爭日益加劇的背景下，節(jié)能環(huán)保、降低能耗越來越受到鋼鐵企業(yè)的重視。煤氣作為鋼鐵生產(chǎn)中的重要產(chǎn)品和燃料，怎樣才能發(fā)揮其最大效能更是受到各大鋼鐵企業(yè)關(guān)注。目前來看，利用富余煤氣發(fā)電這種既節(jié)能環(huán)保又能給企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟和社會效益的方式受到越來越多鋼鐵企業(yè)的歡迎。

為了有效解決轉(zhuǎn)爐煤氣的回收和高爐煤氣日常放散問題，安徽長江鋼鐵公司（簡稱長鋼）審時度勢決定新上一套煤氣綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，使大量的富余煤氣得到吸納，減少煤氣放散，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。

長鋼煤氣綜合利用發(fā)電工程，根據(jù)現(xiàn)有煤氣余量，主要配置2座130 t/h全燒煤氣鍋爐和2套35 MW汽輪發(fā)電機組及其配套設(shè)施，正常運行按照單元制運行，蒸汽母管采用切換制母管。

2 技術(shù)方案確定

電廠汽機、鍋爐的控制要求復(fù)雜，安全性要求高，燃料、水等相關(guān)輔助設(shè)施龐大，產(chǎn)生的電能受電網(wǎng)調(diào)度要求高等，造成用于電廠的自動控制系統(tǒng)應(yīng)具有回路反饋控制、順序控制、混合控制等復(fù)雜控制功能，還要具有驅(qū)動多種執(zhí)行機構(gòu)的要求，完成復(fù)雜計算能力及先進(jìn)控制功能。這就要求自動控制系統(tǒng)功能足夠強大，采用集散控制系統(tǒng)是最好的解決方案。

眾所周知在電力行業(yè)控制系統(tǒng)均采用DCS系統(tǒng)，這是由于其優(yōu)越的性能決定的。相比PLC系統(tǒng)，DCS具有系統(tǒng)安全可靠性、操作簡便性、模擬量高運算性能等無法比擬的優(yōu)勢。

長鋼煤氣發(fā)電工程工藝采用兩爐兩機，主蒸汽管道采用切換制母管，這種工藝配置要求自動控制系統(tǒng)既能滿足單元工作制的安全可靠運行，又要滿足母管制運行時的相互協(xié)調(diào)，并且還要考慮到后期在線檢修維護(hù)等諸多因素。

兩爐兩機等多爐對多機運行方式的DCS控制系統(tǒng)雖然在電廠中應(yīng)用的比較廣泛，但各家DCS系統(tǒng)配置各不相同。首先確定整個系統(tǒng)的初步方案，然后基本確定大致的IO點數(shù)量和控制回路數(shù)量，在滿足工藝要求基礎(chǔ)上，對多家DCS廠家的產(chǎn)品進(jìn)行了綜合比選后，最終選取南京科遠(yuǎn)自動化公司的NT6000系列DCS產(chǎn)品。

NT6000系列產(chǎn)品具有可靠、易用、技術(shù)先進(jìn)等特點，在電力行業(yè)有著驕人的業(yè)績，技術(shù)服務(wù)也是及時高效。

3 系統(tǒng)設(shè)計及實施

3.1 DCS系統(tǒng)設(shè)計

熱工儀表專業(yè)繪根據(jù)工藝委托制各個系統(tǒng)的流程圖。電氣專業(yè)將各個設(shè)備的IO信號整理，交由熱工儀表專業(yè)匯總。完成IO清冊初稿，與DCS系統(tǒng)集成商聯(lián)合進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

整套系統(tǒng)總配置IO點數(shù)3512點，其中鍋爐系統(tǒng)1612點，汽機系統(tǒng)1256點，公用系統(tǒng)644點。

整套系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)，

DAS：數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

MCS：模擬量控制系統(tǒng)

SCS：輔機順序控制系統(tǒng)

DEH：汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)

ETS：汽機緊急跳閘保護(hù)

TSI：汽機本體儀表

FSSS：鍋爐爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)

其中DAS、MCS、SCS系統(tǒng)納入統(tǒng)一的分散控制系統(tǒng)（DCS）內(nèi)。

DEH、TSI、ETS系統(tǒng)由汽機廠配套，汽機廠為每套汽輪發(fā)電機組提供一套DEH汽機數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。DEH由計算機控制部分（也叫數(shù)字控制系統(tǒng)）和EH液壓執(zhí)行機構(gòu)組成。它能實現(xiàn)升速（手動或自動），配合電氣并網(wǎng)，負(fù)荷控制（閥位控制或功頻控制）及其他輔助控制，并與DCS通訊，控制參數(shù)在線調(diào)整和超速保護(hù)功能等。NT6000系統(tǒng)典型組態(tài)見圖1所示。

圖1 NT6000系統(tǒng)典型組態(tài)

以DCS系統(tǒng)HMI畫面作為主要監(jiān)控手段，操作臺上僅安裝少量的機組緊急停運的操作按鈕開關(guān)。機組聯(lián)鎖保護(hù)回路的邏輯功能采用分散控制系統(tǒng)DCS來實現(xiàn)。

*DPU（控制單元）配置如下，

1#鍋爐系統(tǒng)：3對

1#汽機系統(tǒng)：2對

2#鍋爐系統(tǒng)：3對

2#汽機系統(tǒng)：3對

公用系統(tǒng)：2對

循環(huán)水系統(tǒng)：1對

*機柜配置如下，

1#鍋爐系統(tǒng)：3面

1#汽機系統(tǒng)：2面

2#鍋爐系統(tǒng)：3面

2#汽機系統(tǒng)：3面

公用系統(tǒng)：2面

循環(huán)水系統(tǒng)：1面

3.2 DCS系統(tǒng)供電設(shè)計

每臺機組儀控系統(tǒng)有三路總電源。第一路為交流220 V，來自UPS；第二路為交流380V（四線制），由電氣直接向儀控交流電源柜供電;第三路為直流220 V，來自電氣直流屏。循環(huán)水泵房DCS遠(yuǎn)程柜的兩路儀控交流220 V電源，一路來自1#機組DCS電源柜UPS電源回路，另一路來自2#機組DCS電源柜UPS電源回路。

DCS電源系統(tǒng)配置如下：

UPS電源：2套，容量各15 kVA

1#機組儀控電源柜：2面

2#機組儀控電源柜：2面

1#機組DCS電源柜：1面

2#機組DCS電源柜：1面

3.3 DCS系統(tǒng)接地設(shè)計

接地對于DCS系統(tǒng)的可靠安全運行起著至關(guān)重要的作用，其要求如下，

各個機柜的PE為屏蔽接地銅排,各個機柜的TE為保護(hù)接地銅排；

機柜需要浮空，加橡膠墊，與槽鋼絕緣；

各個機柜之間接地銅排至電源柜的接地線截面積＞16 mm2；

接地線要求為多股軟芯；

每個機柜的TE銅排與DCS接地總母排之間的電阻小于2歐姆；

所有PE銅排接地線均應(yīng)在大地真實阻抗的5歐姆范圍之內(nèi)，相互間也應(yīng)在2歐姆之內(nèi)；

儀控接地采用單獨接地，接地電阻不大于4歐姆，若測試達(dá)不到要求需增打接地極，接地極布置與主接地系統(tǒng)相距不小于10 m，和獨立和防直擊雷接地體相距20 m以上。

接地干線、支線均采用絕緣導(dǎo)線，以期達(dá)到與其他接地系統(tǒng)電氣隔開。裸導(dǎo)體在固定處或穿墻處應(yīng)有絕緣保護(hù)以防被腐蝕。接地極打入廠房室外地坪下0.8 m，與房屋距離大于3 m。

接地系統(tǒng)采用焊接連接或銅接線鼻螺栓連接。

3.4 電子設(shè)備間、機爐集中控制室布置

采用汽機集中控制方式，在機爐集控室內(nèi)布置1#和2#機組的DCS、DEH的操作臺，在工程師室布置1#和2#機組的DCS、DEH-工程師站。

1#和2#汽機電子設(shè)備間布置在汽機主廠房內(nèi)與電氣閥門控制室合用一個房所。電子設(shè)備間將布置DCS機柜（含DCS電源柜）、DEH/ETS機柜、儀控電源柜、UPS柜等,見圖2。

圖2 電子設(shè)備間、機爐集中控制室布置圖

3.5 機組控制系統(tǒng)可靠性措施

參與停機的保護(hù)信號將采用"三取二"邏輯,見圖3。

MCS、SCS系統(tǒng)均采用冗余的處理器模件。

DEH將采用獨立的處理器模件。

DCS所有輸入輸出模件能抗共模干擾電壓250 V，差模干擾電壓60 V；有120分貝的共模抑制比，有60分貝的差模抑制比。

手動緊急停機見圖4。

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的負(fù)載容量，在最繁忙的情況下，不超過40%；以太網(wǎng)在最繁忙的情況下，不超過20%；DCS將提供計算和考核的辦法供業(yè)主確認(rèn)。

DCS對I/O模件、處理器模件、通訊模件和變送器等都將提供冗余的電源。

DCS所有輸入/輸出模件，應(yīng)能滿足ANSI/ IEEE472"沖擊電壓承受能力試驗導(dǎo)則（SWC）"的規(guī)定，在誤加250 V直流電壓或交流電壓時，應(yīng)不致?lián)p壞模件及系統(tǒng)。

圖3 轉(zhuǎn)速信號三取二

圖4 手動緊急停機（MFT）

DCS系統(tǒng)能在電子噪聲、射頻干擾及震動的現(xiàn)場環(huán)境中連續(xù)運行，且不降低系統(tǒng)的性能。DCS采用各種抗噪聲技術(shù)，包括光電隔離、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。DCS在距電子設(shè)備1.5 m以外發(fā)出的工作頻率400～900 MHz、功率輸出達(dá)5 W的電磁干擾和射頻干擾，應(yīng)不影響系統(tǒng)正常工作。DCS系統(tǒng)應(yīng)能在環(huán)境溫度0～40℃，相對濕度10%～95%的環(huán)境中連續(xù)運行。DCS電子裝置機柜的外殼防護(hù)等級室內(nèi)為NEMA12，室外為NEMA4。DCS機柜門有導(dǎo)電門封墊條，以提高抗射頻干擾（RFI）能力。DCS對需散熱的電源裝置，應(yīng)提供排氣風(fēng)扇和內(nèi)部循環(huán)風(fēng)扇。

DCS提供下列備用余量：

每種類型I/O測點至少預(yù)留15%的備用量。

每個機柜內(nèi)有10%的I/O模件插槽備用量。

控制器站的處理器能力應(yīng)有60%的余量，操作員站的處理能力應(yīng)有60%的余量。

50%處理器數(shù)據(jù)庫存儲器余量。

60%外存儲器余量。

50%電源余量。

以上余量都應(yīng)是按系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功正式投運時的最終容量的百分比值。

4 取得的成效及體會

長江鋼鐵煤氣綜合利用工程2#鍋爐已于當(dāng)年6月一次點火成功，2#汽輪發(fā)電機組于當(dāng)年7月6日一次并網(wǎng)發(fā)電成功，2#機組也于9月順利投產(chǎn)。于此同時，DCS系統(tǒng)也順利投運，完全達(dá)到了設(shè)計要求。整個DCS系統(tǒng)穩(wěn)定運行并通過了項目質(zhì)量保證期，實踐證明此次在煤氣綜合利用發(fā)電工程中應(yīng)用DCS系統(tǒng)的實踐是成功的。

回顧DCS系統(tǒng)配置方案研究、討論以及設(shè)計定稿整個過程，總結(jié)出幾點體會。

首先，DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性，決定了它在煤氣綜合利用發(fā)電工程中能夠很好的應(yīng)用。

其次，在系統(tǒng)設(shè)計中，不能只考慮系統(tǒng)本身的優(yōu)化配置，還應(yīng)該為后續(xù)的在線檢修維護(hù)創(chuàng)造良好的條件，比如說在此次DCS系統(tǒng)設(shè)計時，聽取了馬鋼熱電總廠相關(guān)技術(shù)人員的意見，將公用系統(tǒng)也按1#、2#機組分開，雖然會增加一部分設(shè)備成本，但是這樣就可以實現(xiàn)一套機組在線運行時對另一套進(jìn)行檢修維護(hù)。

此外要注意設(shè)計回訪，了解現(xiàn)場實際的使用情況，聽取業(yè)主意見，為今后的設(shè)計工作積累寶貴的經(jīng)驗。

收修改稿日期：2015-02-05

Application of DCS Control System in the Power Generation Projects of Gas Comprehensive Utilization

Gao Fei
(Anhui Masteel Engineering and Technology Group Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

Energy saving,environmental protection and consumption reduction have been drawing more and more attention in the steel sector and there have been more and more power generation projects utilizing redundant gas in recent years.The control system of such gas power generation project consists of data collection and treatment system,analog control system and auxiliary control system and must meet the requirements of reliable operation, quick response,human-computer operative friendliness and easy maintenance,therefore the DCS system is widely used.The application of NT6000 DCS system in the gas power generation project of Changjiang Steel is briefly introduced.

gas boiler;waste heat power generation;application;DCS

TP27

B

1006-6764（2015）05-0059-04

高飛（1982-），男，2005年畢業(yè)于燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院自動化系，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)主要從事冶金自動化儀表設(shè)計工作。