生物質(zhì)直燃電站控制系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

張建國(guó)，別錦錦，張　雷

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南　250013；2.山東魯能控制工程有限公司，濟(jì)南　250023；3.華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，濟(jì)南　250100）

生物質(zhì)直燃電站控制系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用

張建國(guó)1，別錦錦2，張雷3

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南250013；2.山東魯能控制工程有限公司，濟(jì)南250023；3.華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，濟(jì)南250100）

根據(jù)生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目特點(diǎn)，將各輔助系統(tǒng)就近納入總線型分布式I/O控制柜，以通信形式通過線纜實(shí)現(xiàn)與主控DCS系統(tǒng)的信息傳輸，實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)分布式監(jiān)控。通過工程應(yīng)用，與同類型機(jī)組相比，總線型分布式I/O規(guī)?；瘧?yīng)用降低了工程造價(jià)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

生物質(zhì)發(fā)電；控制系統(tǒng)；分布式I/O；DCS

0　引言

生物質(zhì)電站一般采用DCS控制系統(tǒng)。DCS體現(xiàn)的是集中管理與分散的控制方案。但是通信系統(tǒng)是由封閉的分散式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，因此帶來了其在控制方面的局限性。隨著國(guó)內(nèi)運(yùn)行的全秸稈燃料電廠數(shù)量穩(wěn)步增加，從主廠房布置、燃料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱力系統(tǒng)配置及機(jī)組自動(dòng)化控制水平等方面都取得了長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將控制功能徹底向下分散到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)高速通信模塊實(shí)現(xiàn)通信的基本控制功能［1-3］。這種總線型分布式I/O在國(guó)能臨沂生物發(fā)電工程（以下簡(jiǎn)稱臨沂工程）中得到了充分的規(guī)?；瘧?yīng)用及推廣，實(shí)現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的分布式控制并使得系統(tǒng)總體造價(jià)降低。

1　工程概況

臨沂工程建設(shè)規(guī)模為1×30 MW高溫高壓、非調(diào)整抽汽、單缸單軸、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，配1臺(tái)130 t/h引進(jìn)技術(shù)水冷振動(dòng)爐排高溫高壓生物質(zhì)燃料鍋爐，主要燃料為樹皮枝椏，板材企業(yè)加工下腳料等灰色燃料。工程采用爐、機(jī)、電集中控制方式，設(shè)置一個(gè)集中控制室。發(fā)電主要流程包括上料系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、高/低壓給水系統(tǒng)、給水除氧系統(tǒng)、加熱器疏水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成。

上料系統(tǒng)儲(chǔ)料倉內(nèi)的秸稈通過1號(hào)和2號(hào)倉底直線螺旋給料機(jī)給至1號(hào)和2號(hào)皮帶輸送機(jī)上，而3號(hào)倉底直線螺旋給料機(jī)給至2號(hào)皮帶輸送機(jī)，秸稈經(jīng)1號(hào)和2號(hào)皮帶輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，送至主廠房爐前料倉。

煙氣系統(tǒng)由送風(fēng)機(jī)和空預(yù)器組成，空氣的預(yù)熱由給水加熱實(shí)現(xiàn)?？諝忸A(yù)熱器由兩部分組成，分別為低壓給水加熱低壓空氣預(yù)熱器和高壓給水加熱高壓空氣預(yù)熱器，經(jīng)爐膛燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂惋w灰，流過過熱器和省煤器，再流經(jīng)高壓煙氣冷卻器和低壓煙氣冷卻器，由1臺(tái)100%容量引風(fēng)機(jī)將煙氣吸入布袋除塵器凈化，最后經(jīng)煙囪排向大氣。

主蒸汽系統(tǒng)采用單管制，過熱器聯(lián)箱出口蒸汽經(jīng)管道送至汽輪機(jī)主汽門。主蒸汽管道考慮有適當(dāng)?shù)氖杷c(diǎn)和相應(yīng)的疏水閥以保證機(jī)組在啟動(dòng)暖管和低負(fù)荷或故障條件下能及時(shí)疏盡管道中的冷凝水，防止汽輪機(jī)進(jìn)水事故的發(fā)生。每一根疏水管道都單獨(dú)接到凝汽器。

高/低壓給水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)150 t/h的電動(dòng)調(diào)速給水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。系統(tǒng)采用單管制，給水操作平臺(tái)布置在鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層。高加采用大旁路，任何一臺(tái)高加事故，則高加系統(tǒng)解列。高壓給水依次經(jīng)2號(hào)高壓加熱器、1號(hào)高壓加熱器、給水操作臺(tái)、高壓空氣預(yù)熱器、高壓煙氣冷卻器進(jìn)入省煤器。低壓給水采用單管制，分別接到給水泵入口。

給水除氧系統(tǒng)是汽輪機(jī)的6級(jí)非調(diào)整抽汽分別供給2臺(tái)高加、3臺(tái)低加和1臺(tái)高壓除氧器。除氧器正常運(yùn)行用汽由三級(jí)抽汽提供，同時(shí)三抽也作為廠用汽汽源。

加熱器疏水系統(tǒng)是高壓加熱器正常疏水為逐級(jí)回流，最后一級(jí)疏入高壓除氧器，當(dāng)運(yùn)行中工況變化不能疏入除氧器時(shí)，亦可疏入4號(hào)低壓加熱器。高加的事故放水各自先疏放到高加危急疏水?dāng)U容器中，擴(kuò)容后再排放到凝汽器熱水井。低壓加熱器疏水為逐級(jí)回流，6號(hào)低壓加熱器的疏水通過疏水泵打入主凝結(jié)水系統(tǒng)。

凝結(jié)水系統(tǒng)本臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)容量100%的臥式電動(dòng)凝結(jié)水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

補(bǔ)給水系統(tǒng)通過低溫的化學(xué)除鹽水直接補(bǔ)入凝汽器，正常補(bǔ)水管路上設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同工況下不同負(fù)荷所需的凝結(jié)水補(bǔ)水量。凝汽器啟動(dòng)補(bǔ)水亦直接補(bǔ)自化學(xué)除鹽水，化學(xué)除鹽水泵連續(xù)運(yùn)行。暖通換熱站回水至除氧器。

生物質(zhì)發(fā)電廠機(jī)組主要工藝流程如圖1所示。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用爐、機(jī)、電、輔助系統(tǒng)集中控制方式，全廠主輔系統(tǒng)均納入機(jī)組分散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)機(jī)組的過程監(jiān)控。生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組外圍輔助系統(tǒng)與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相比系統(tǒng)數(shù)量相差不大，但規(guī)模小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，因此其外圍系統(tǒng)的控制方式需要切合機(jī)組特點(diǎn)選擇最佳方案，本工程將循環(huán)水系統(tǒng)、公用水泵房、氣力輸灰、除塵系統(tǒng)、燃料輸送檢測(cè)系統(tǒng)及化學(xué)水處理等輔助控制系統(tǒng)（車間）通過總線型分布式I/O納入全廠DCS［4-5］，實(shí)現(xiàn)工藝流程分布式監(jiān)測(cè)。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分散控制系統(tǒng)采用LN2000系統(tǒng)，由數(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）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）及汽輪機(jī)控制系統(tǒng)（DEH）等子系統(tǒng)構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

控制系統(tǒng)各操作員站、控制器通過冗余多口交換機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)互為備用并能實(shí)現(xiàn)無擾切換，可以完成節(jié)點(diǎn)間所有數(shù)據(jù)通信傳輸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)便于擴(kuò)展。本工程共設(shè)置5套操作員站，1套值長(zhǎng)站和1套工程師站。

2.2總線型分布式I/O配置

2.2.1總線型分布式I/O特點(diǎn)

在生產(chǎn)過程中，一般在當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置集中且距離控制柜遠(yuǎn)時(shí)，可選擇設(shè)置高速遠(yuǎn)程I/O柜，其優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)：1）消除因距離遠(yuǎn)信號(hào)傳輸受限問題；2）如是硬接線連接，還可以省一大部分材料和施工費(fèi)；3）測(cè)點(diǎn)所在位置環(huán)境比較惡劣，如火力發(fā)電廠灰?guī)?、輸煤等，不適合放置控制器的地方。而傳統(tǒng)意義上的遠(yuǎn)程I/O通信已犧牲通信速率為代價(jià)，距離越遠(yuǎn)，通信速率越低，在自動(dòng)化程度越來越高的今天，遠(yuǎn)程I/O的通信速率的問題也就越來越突出。而總線型分布式I/O是通過利用高速通信模塊建立的CAN總線型網(wǎng)絡(luò)。一對(duì)過程控制站可以控制多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜，且遠(yuǎn)程I/O模塊不會(huì)影響過程控制站機(jī)柜中的模塊速率。

圖2　全廠控制系統(tǒng)

高速通信遠(yuǎn)傳模塊是通過CAN通信接口與過程控制站（LN-PU）遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。模塊化結(jié)構(gòu)，安裝方便，串口下裝配置文件，使用靈活。

模塊工作則是通過安裝在本地的高速遠(yuǎn)程模塊，在Local模式與過程控制站通信，上傳遠(yuǎn)程IO模塊輸入采集數(shù)據(jù)和接收過程控制站輸出指令；安裝在遠(yuǎn)程的高速遠(yuǎn)程模塊工作在Remote模式，與遠(yuǎn)程I/O模塊通信，讀取輸入采集數(shù)據(jù)并下發(fā)輸出指令；高速遠(yuǎn)程模塊之間可以根據(jù)距離設(shè)置不同的通信速率，配置模塊地址，模塊類型，例外報(bào)告等參數(shù)。

總線型分布式I/O配置如圖3所示。

圖3　總線型分布式I/O配置

電子間機(jī)柜和現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O機(jī)柜間通過兩條冗余雙絞線通信，電子間一個(gè)機(jī)柜可帶多個(gè)分布式I/O機(jī)柜。而且現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O機(jī)柜可根據(jù)需要壁掛于墻壁上?，F(xiàn)場(chǎng)分布式I/O機(jī)柜可放置于就地控制柜附近，極大地節(jié)省了信號(hào)電纜長(zhǎng)度。

高速遠(yuǎn)程分布式I/O方式有別于傳統(tǒng)的FCS。1）現(xiàn)場(chǎng)變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等無需智能化，I/O信號(hào)還是通過硬接線連接至現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O機(jī)柜，而智能化就地設(shè)備成本較高。2）國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線通信的通信速率多為500 kbit/s，高速通信模塊遠(yuǎn)程I/O的通信速率也為500 kbit/s，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的DCS系統(tǒng)CAN通信的速率多為500 kbit/s，完全滿足火力發(fā)電廠的生產(chǎn)要求。3）現(xiàn)場(chǎng)總線多為協(xié)議通信，對(duì)維護(hù)人員素質(zhì)要求較高，且維護(hù)量較大，而遠(yuǎn)程I/O硬接線連接，更易于維護(hù)人員接受和理解。4）高速通信模塊的配置比較簡(jiǎn)單，如果在后期的調(diào)試過程中需要增加新的模塊，那么只需要在通信配置軟件里把相應(yīng)的模塊類型及地址配置完成后，裝到高速通信模塊里即可。

2.2.2總線型分布式I/O控制箱技術(shù)要求

I/O容量需滿足對(duì)應(yīng)工藝系統(tǒng)接入測(cè)點(diǎn)數(shù)量及類型要求，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和卡件、設(shè)備的更換，并且具有足夠的防護(hù)等級(jí)和保護(hù)措施，以保障設(shè)備正常的工作。

功能應(yīng)滿足遠(yuǎn)方監(jiān)視、操作就地設(shè)備的要求。DPU和總線型分布式I/O控制箱之間通信距離應(yīng)不大于1 km。

接地應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范接地標(biāo)準(zhǔn)要求，采用雙路供電冗余配置，采用雙網(wǎng)冗余配置，I/O模塊采用與DCS控制系統(tǒng)相同的硬件配置。

總線型分布式I/O應(yīng)用配置見表1，控制器配置見表2。

表1　總線型分布式I/O應(yīng)用配置

表2　控制器配置

3　分布式I/O在生物質(zhì)直燃發(fā)電工程應(yīng)用

臨沂工程作為國(guó)內(nèi)新一代生物質(zhì)直燃發(fā)電工程的示范代表項(xiàng)目，通過在全廠規(guī)模化應(yīng)用總線型分布式I/O控制柜，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)輔助系統(tǒng)（車間）工藝系統(tǒng)就近納入DCS控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，以通信電纜實(shí)現(xiàn)與主控系統(tǒng)的信息傳輸。采用總線型分布式I/O的工藝系統(tǒng)主要應(yīng)用于主機(jī)和重要輔機(jī)以外的系統(tǒng)，如公用水泵房、凈水泵房、上料輸送系統(tǒng)、化水處理系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、氣力輸灰系統(tǒng)、電氣輔助變等系統(tǒng)。通過在上述系統(tǒng)規(guī)?；瘧?yīng)用，臨沂工程與同類型機(jī)組相比具有優(yōu)勢(shì)。

1）使用總線型分布式I/O后，與同類型機(jī)組工程相比，全廠節(jié)省控制電纜25%，較大地降低了工程造價(jià)，節(jié)省建設(shè)投資，降低了生物質(zhì)直燃發(fā)電建設(shè)成本。

2）采用分布式I/O控制系統(tǒng)，電子間盤柜布置占用空間減少，通過配合建筑專業(yè)優(yōu)化控制室和電子設(shè)備間布置，使設(shè)計(jì)方案更人性化、合理化。

3）分布式I/O柜至控制機(jī)柜接線可提前完成，加快了施工進(jìn)度，節(jié)省工期。

4）使用總線型分布式I/O的系統(tǒng)，在系統(tǒng)調(diào)整或檢修階段，更改方便快捷，且便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和檢修維護(hù)。

分布式I/O控制系統(tǒng)應(yīng)用是在充分總結(jié)生物質(zhì)直燃發(fā)電工程工藝裝機(jī)特點(diǎn)，積極探索清潔能源發(fā)電與傳統(tǒng)火力發(fā)電控制技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不斷創(chuàng)新性采用新技術(shù)以提升其自動(dòng)化控制水平、降低工程造價(jià)的結(jié)果。臨沂工程在72+24 h試運(yùn)階段，鍋爐、汽機(jī)主保護(hù)44項(xiàng)，保護(hù)投入率100%，自動(dòng)投入率100%，與以往相同規(guī)模機(jī)組相比機(jī)組整體控制性能得到了大幅提高。自2011年底投產(chǎn)以來穩(wěn)定運(yùn)行至今，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)語

生物質(zhì)發(fā)電等清潔能源發(fā)展越來越受到社會(huì)各界的重視，降低工程應(yīng)用造價(jià)和研發(fā)新型應(yīng)用技術(shù)是其快速大規(guī)模發(fā)展的最大瓶頸。結(jié)合臨沂工程，就總線型分布式I/O技術(shù)在工程中的應(yīng)用情況予以總結(jié)和介紹，通過臨沂工程以及后續(xù)多項(xiàng)工程推廣應(yīng)用和檢驗(yàn)，證明此技術(shù)的可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］王鋒，陸建鶯，周建.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的火電廠輸煤系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26（4）：61-63.

［2］李傳慶，胡善云，馬玉敏.生物質(zhì)電站生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與優(yōu)化［J］.自動(dòng)化儀表，2013，34（5）：70-73.

［3］卓薇.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式電氣控制系統(tǒng)改造［J］.華電技術(shù)，2010，32（8）：44-46.

［4］楚彥君，鄭茂，李衛(wèi)，等.現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于發(fā)電廠電氣控制系統(tǒng)的研究［J］.熱力發(fā)電，2009，38（10）：81-88.

［5］楊啟亮，邢建春，王平.一種基于開放技術(shù)的DCS設(shè)計(jì)及其在電廠中的應(yīng)用［J］.電站系統(tǒng)工程，2005，21（3）：57-59.

Optimization and Application of Biomass Power Station Control System

ZHANG Jianguo1，BIE Jinjin2，ZHANG Lei3
（1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2.Shandong Luneng Control Engineering Co.，Ltd.，Jinan 250023，China；
3.Jinan Huangtai Power Generation Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

According to characteristics of biomass direct-fired power plants，the auxiliary systems are controlled respectively through bus-based distributed I/O control cabinets，which are located in close proximity to the related auxiliary system，and communicate with the master DCS system via communication cables.In this way，the distributed monitoring of process system is finally realized.The applications of the practical construction indicate that it can reduce the project cost，make the system run stable and reliable，and yield better economic benefit，through the large-scale application of bus-based distributed I/O control cabinets，comparing with other plants in the same type.

biomass for electricity generation；control system；distributed I/O；DCS

TM611

B

1007-9904（2016）08-0060-04

2016-04-06

張建國(guó)（1982），男，工程師，主要研究方向?yàn)榛鹆Πl(fā)電熱工設(shè)計(jì)及新能源開發(fā)利用；

別錦錦（1980），女，工程師，從事DCS組態(tài)和調(diào)試工作；

張雷（1976），男，工程師，從事火力發(fā)電廠建設(shè)及生產(chǎn)管理工作。