DCS在30MW高爐煤氣發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

楊鵬翔（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029 ）

DCS在30MW高爐煤氣發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用

楊鵬翔（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100029 ）

針對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐煤氣利用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了上海新華第四代DCS產(chǎn)品TiSNet-XDC800在煤氣發(fā)電項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況，并結(jié)合河北某鋼廠30MW高爐煤氣發(fā)電項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)例，從該類項(xiàng)目的DCS系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主要控制功能、實(shí)現(xiàn)方法以及核心的控制策略等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。

DCS；高爐煤氣發(fā)電；控制策略

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中一直存在著高能耗、高排放等問題，隨著國家對能源的調(diào)整，如何利用企業(yè)富余熱能已成為各鋼企的當(dāng)務(wù)之急。目前，鋼鐵企業(yè)的能源利用主要集中在富余煤氣、燒結(jié)煙氣及煉鋼飽和蒸汽上，其中高爐煤氣的產(chǎn)量較大，因而企業(yè)可建設(shè)以高爐煤氣為主燃料的自備型電廠。這樣不僅消耗大量的富余煤氣，充分解決了環(huán)境污染等問題，而且減少企業(yè)購電量，降低了生產(chǎn)成本。

本文結(jié)合近年來完成的該類EPC總承包項(xiàng)目，以河北某鋼廠30MW高爐煤氣發(fā)電工程為例，對上海新華第四代DCS產(chǎn)品XDC800在高爐煤氣發(fā)電工藝流程中的應(yīng)用及控制策略等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1 工程概述

在本煤氣發(fā)電項(xiàng)目中，根據(jù)企業(yè)提供的煤氣平衡表可知，該廠的高爐煤氣剩余15.78×104 Nm3/h。本工程通過配備一套150t/h中溫中壓燃煤氣鍋爐及一套30MW汽輪發(fā)電機(jī)組，利用高爐煤氣進(jìn)行發(fā)電，裝機(jī)方案如圖1所示。通過將煤氣以適當(dāng)比例混合熱風(fēng)送至鍋爐內(nèi)部燃燒產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，煙氣通過兩段省煤器與兩級過熱器與鍋爐給水進(jìn)行換熱，最終產(chǎn)生過熱蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組膨脹做功并發(fā)出10.5kV的高壓接入到廠內(nèi)110kV變電站10kV母線上，從而完成能量轉(zhuǎn)換。

圖1 高爐煤氣發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)方案

從儀表自動(dòng)化的角度來看，本工程可劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，由于各個(gè)子系統(tǒng)功能相對獨(dú)立，所以就要求各系統(tǒng)能完成相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能。結(jié)合具體情況考慮，根據(jù)對國內(nèi)同類項(xiàng)目運(yùn)行情況的調(diào)查，通過詳細(xì)比較多家DCS系統(tǒng)的軟硬件功能，最終決定選擇上海新華的TiSNet-XDC800系統(tǒng)用于本項(xiàng)目。

2 DCS系統(tǒng)配置及主要功能

針對上述各系統(tǒng)進(jìn)行分析并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)DCS系統(tǒng)，依據(jù)高爐煤氣發(fā)電各個(gè)子工藝的特點(diǎn)，在電站主控室中設(shè)有控制柜與工程師站、操作員站等。其中，監(jiān)控主機(jī)包括液晶顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、UPS等，保證操作人員在控制室能夠監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)；對于重要的參數(shù)采用定值控制，進(jìn)行自動(dòng)控制；具有各種冗余措施，易于和計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)相連，便于全廠優(yōu)化管理。

2.1 系統(tǒng)配置

新華TiSNet-XDC800系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)利用開放冗余的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為控制層網(wǎng)絡(luò)XDCNET和現(xiàn)場層IO網(wǎng)絡(luò)，每層完成其特定的功能。在本煤氣發(fā)電項(xiàng)目中，DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.1.1 XDCNET網(wǎng)絡(luò)

由圖2可知，位于系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)中的控制層網(wǎng)路XDCNET用于連接系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。XDCNET分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET A、B和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET C。

XDCNET A、B采用冗余快速以太網(wǎng)，用于連接控制器XCU與人機(jī)接口站HMI，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的廣播、報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)通告、傳遞組態(tài)信息、控制指令，是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)主干網(wǎng)。本發(fā)電項(xiàng)目采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，連接控制器XCU和HMI節(jié)點(diǎn)，將操作網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)合二為一，所有節(jié)點(diǎn)直接上網(wǎng)，無中間服務(wù)器等數(shù)據(jù)通訊瓶頸。

根據(jù)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際大小，在后臺設(shè)計(jì)有6臺操作員站，兩臺工程師站和一臺打印機(jī)，各冗余控制器通過10M以太網(wǎng)與XCC（數(shù)據(jù)通訊模塊）相連。此外，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的調(diào)試情況，組建了非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET C。

2.1.2 IONET網(wǎng)絡(luò)

IONET用于XCU與I/O模件之間的數(shù)據(jù)傳輸，冗余配置。在本工程中，設(shè)計(jì)6臺新華控制柜，即6個(gè)現(xiàn)場控制分站，各分站主控制器(XCU-net)采用主備雙模冗余配置，2個(gè)控制器進(jìn)行熱備份，同時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生故障，自動(dòng)進(jìn)行無擾切換；電源冗余(XPR150-24)，多個(gè)電源并聯(lián)使用，保證系統(tǒng)供電安全性；采用以太網(wǎng)交換機(jī)(XFES-1005DU)，用于100Mbps以太網(wǎng)及10Mbps 以太網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。xCC-net是應(yīng)用于XDC800系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)形式的通訊模件，它位于XCU與各I/O模件之間。

2.2 主要控制功能

本工程分散控制系統(tǒng)（DCS）功能包括：數(shù)據(jù)采集處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）與熱工保護(hù)功能（包括鍋爐與汽機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)）。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理（DAS）

DAS是機(jī)組安全運(yùn)行的主要監(jiān)視手段，具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

（1）能夠連續(xù)監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，提供完整的報(bào)警信息。

（2）對所有輸入量進(jìn)行必要的處理，如：標(biāo)度、調(diào)制、檢驗(yàn)、線性補(bǔ)償、數(shù)字化處理及工程單位轉(zhuǎn)換等。

（3）具有豐富的屏幕顯示功能，包括顯示各種參數(shù)、表格、曲線、棒狀圖、趨勢圖和模擬圖等畫面及操作指導(dǎo)。

（4）提供跳閘事件的順序記錄、指定參數(shù)的定時(shí)制表，趨勢記錄和事故追憶等。

（5）具有在線制表打印功能。

2.2.2 模擬量控制（MCS）

MCS系統(tǒng)確保系統(tǒng)快速和穩(wěn)定地滿足工況的變化，并保持穩(wěn)定的運(yùn)行，主要自動(dòng)調(diào)節(jié)項(xiàng)目包括：鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐燃料量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐過熱蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)；汽機(jī)凝汽器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除氧器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)；減溫減壓器壓力、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.2.3 順序控制（SCS）

順序控制系統(tǒng)的主要功能是滿足機(jī)組啟動(dòng)、停止及正常運(yùn)行工況的控制要求，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)組在異常工況下的事故處理和緊急停機(jī)的控制操作，保證機(jī)組安全。

順序控制按驅(qū)動(dòng)級、子組級水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)遵循保護(hù)、聯(lián)鎖操作優(yōu)先的原則。順序控制具體功能滿足以下要求：

（1）實(shí)現(xiàn)泵、風(fēng)機(jī)、閥門、擋板的順序控制。

（2）在發(fā)生設(shè)備故障跳閘時(shí)，聯(lián)鎖啟動(dòng)和停止相關(guān)的設(shè)備。

（3）實(shí)現(xiàn)狀態(tài)報(bào)警、保護(hù)及聯(lián)鎖。

2.2.4 熱工聯(lián)鎖保護(hù)

本工程設(shè)置的保護(hù)項(xiàng)目主要包括：鍋爐聯(lián)鎖保護(hù)，汽機(jī)緊急跳閘保護(hù)與各重要輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)(由SCS實(shí)現(xiàn))等。

其中，鍋爐聯(lián)鎖保護(hù)主要有：汽包水位保護(hù)、主蒸汽超壓保護(hù)、爐膛壓力保護(hù)和主燃料跳閘保護(hù)等。而汽機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)（ETS）則主要包括如下項(xiàng)目：汽機(jī)轉(zhuǎn)速超速保護(hù)、推力軸承油溫超高保護(hù)、前后軸承油溫超高保護(hù)、汽機(jī)軸向位移保護(hù)、汽機(jī)潤滑油壓超低保護(hù)、主汽門關(guān)閉保護(hù)、緊急停機(jī)按鈕按下等。

3 主要控制方案說明

上文提到，本煤氣發(fā)電的DCS系統(tǒng)由若干個(gè)子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，并具有前饋特征，使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)能靈敏、安全、快速與穩(wěn)定的運(yùn)行。因此在設(shè)計(jì)過程中，采用基本控制策略都能直接快速地響應(yīng)代表負(fù)荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環(huán)反饋控制和其它先進(jìn)策略，對該信號進(jìn)行靜態(tài)精確度和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整。以下就這幾個(gè)核心子系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

3.1 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

本工程中，鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）采用PLC完成，即設(shè)置了一套單獨(dú)的Siemens公司S7-300系列PLC作為系統(tǒng)的FSSS主控制器，F(xiàn)SSS系統(tǒng)主要由主控工作站、工控機(jī)、火焰檢測及冷卻風(fēng)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。該系統(tǒng)在鍋爐啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，為操作人員提供符合安全規(guī)范的點(diǎn)火模式；在鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，一方面，根據(jù)負(fù)荷變化的要求，操作人員可在FSSS操作站對燃燒器進(jìn)行加減、負(fù)荷管理；另一方面，F(xiàn)SSS系統(tǒng)對爐膛火焰、爐膛壓力、送、引風(fēng)機(jī)、水位、燃料供應(yīng)等涉及鍋爐安全運(yùn)行的工況信息進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測，操作人員可在FSSS操作站直觀的掌握鍋爐安全運(yùn)行的工況信息，一旦這些工況信息發(fā)生異常，F(xiàn)SSS將及時(shí)地向操作人員發(fā)出警告，必要時(shí)發(fā)出MFT跳閘指令以切斷燃料，為鍋爐安全運(yùn)行提供可靠的技術(shù)保障。

圖3 FSSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)

爐膛壓力控制是煤氣發(fā)電燃燒控制系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)的目標(biāo)即：通過控制引風(fēng)機(jī)入口的風(fēng)門檔板來控制引風(fēng)量，保證鍋爐爐膛出口的壓力。為了提高該系統(tǒng)的可靠性，爐膛壓力測量采用了三臺變送器，取其中間值作為被調(diào)量。

送風(fēng)量改變時(shí)，如果僅依靠爐膛壓力的變化來調(diào)節(jié)引風(fēng)檔板，則在動(dòng)態(tài)過程中爐膛壓力就會波動(dòng)較大，對安全運(yùn)行不利。因此，采用了送風(fēng)檔板開度指令信號作為本系統(tǒng)前饋信號，以使引風(fēng)量和送風(fēng)量幾乎同時(shí)動(dòng)作，這樣在送風(fēng)量變化時(shí)，爐膛壓力波動(dòng)不大，動(dòng)態(tài)偏差很小。爐膛壓力控制器起校正作用，可以使?fàn)t膛壓力等于給定值。它的輸出作為該系統(tǒng)的輸出，去控制引風(fēng)機(jī)檔板。爐膛負(fù)壓的控制原理SAMA如圖4所示。

圖4 爐膛負(fù)壓控制原理圖

3.3 鍋爐給水控制系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的控制目標(biāo)即：維護(hù)鍋爐汽包水位為定值。

汽包水位測量采用二臺差壓變送器，經(jīng)選擇器輸出并經(jīng)過汽包壓力修正形成鍋爐汽水位信號。主汽流量信號經(jīng)溫度和壓力補(bǔ)償后相加作為總主蒸汽流量。給水流量信號及減溫水流量信號經(jīng)溫度補(bǔ)償后作為總的給水流量。

鍋爐汽包水位自動(dòng)控制回路采用“串級三沖量”控制方式，以汽包水位為主沖量，輔助沖量蒸汽流量為前饋量，輔助沖量給水流量為反饋量，以水位為給定值，輸出控制給水調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門。這樣，迅速消除由于蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)所產(chǎn)生的“虛假液位”現(xiàn)象，提高了控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)，鍋爐給水系統(tǒng)的控制原理如圖5所示。

3.4 汽輪機(jī)組控制

在本工程中，汽輪發(fā)電機(jī)組的汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）也采用了上海新華控制技術(shù)（集團(tuán)）有限公司的XDC800控制系統(tǒng)。DEH是一個(gè)多輸入多回路的反饋控制系統(tǒng)，從功能上主要可劃分為：測量部分、給定部分、調(diào)節(jié)部分和伺服驅(qū)動(dòng)四個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，最為關(guān)鍵的部分即調(diào)節(jié)功能，由其完成汽輪發(fā)電組的轉(zhuǎn)速控制、閥位控制、主汽壓力控制、負(fù)荷控制、功率控制、一次調(diào)頻功能、閥位限制、首出判斷、啟動(dòng)超速保護(hù)及試驗(yàn)功能，從而保證30MW汽輪發(fā)電機(jī)組完成從啟機(jī)到并網(wǎng)的整個(gè)控制過程。

圖5 鍋爐汽包水位控制原理

圖6 DEH控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

充分利用企業(yè)剩余高爐煤氣資源，通過合理配置進(jìn)行發(fā)電，能夠有效節(jié)約能源，降低鋼鐵企業(yè)用電所產(chǎn)生的高額費(fèi)用，并為企業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益。某鋼鐵企業(yè)30MW高爐煤氣發(fā)電工程自2013年成功投運(yùn)至今，DCS控制系統(tǒng)工作正常。實(shí)踐表明，XDC800作為新華第四代DCS系統(tǒng)，繼承了上一代DCS的優(yōu)點(diǎn)，不僅減少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)的成本，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，而且具有生產(chǎn)操作方便、直觀、組態(tài)修改靈活等優(yōu)點(diǎn)，取得了良好的控制效果，有效地保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)，也為高性價(jià)比國產(chǎn)DCS在同類節(jié)能減排項(xiàng)目中的推廣與應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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楊鵬翔（1987-），河北邢臺人，助理工程師，工學(xué)碩士，現(xiàn)就職于北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司，主要從事能源環(huán)保項(xiàng)目電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施方面的研究。

圖4 用戶界面

5 結(jié)語

本文以滾球法為基礎(chǔ)，建立了用于計(jì)算單只接閃桿最小高度的數(shù)學(xué)模型，并以MATLAB/GUIDE為平臺，開發(fā)了計(jì)算程序。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便調(diào)試，易于擴(kuò)展和改進(jìn)，并且具有友好的用戶界面，操作簡單。

通過程序?qū)娱W桿進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，可以方便地計(jì)算得出接閃桿的最小高度，省去了繁瑣的計(jì)算過程。以最小高度為依據(jù)，確定接閃桿的設(shè)計(jì)高度，并再次通過程序?qū)沃唤娱W桿的保護(hù)半徑進(jìn)行驗(yàn)證，既保證了接閃桿對被保護(hù)物的有效保護(hù)，又避免接閃桿太高而造成浪費(fèi)。

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[3] 于濤, 張泳, 高杰. 基于MATLAB的道路照明計(jì)算程序[J]. 自動(dòng)化博覽, 2015.

作者簡介

于濤，男，助理工程師，從事電氣及自動(dòng)化設(shè)計(jì)及研究工作。

來瑞鵬，男，高級工程師，從事電氣及自動(dòng)化設(shè)計(jì)及研究工作。

肖亮，男，高級工程師，從事電氣及自動(dòng)化設(shè)計(jì)及研究工作。

Application of DCS System in 30MW BF Gas Power Generation Project

Aiming at utilization status of the BF gas in iron and steel plant，this article introduces emphatically the design and application of Shanghai xinhua’s fourth generation DCS products TiSNet-XDC800 in gas power generation project. The DCS system configuration of this kind of power generation project, the network structure, the mainly control function and accomplished method, the nuclear control strategy are introduced and described detailedly in this paper, with the example of a steel plant 30 MW BF gas power project in Hebei．

DCS; BF gas power generation; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0096-04

TP273