現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在1 000 MW二次再熱機(jī)組的應(yīng)用研究

徐 龍

（廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司， 廣東 雷州 524255）

引言

按照國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）是：“安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線”；由現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，通稱為 FCS（Fieldbus Control System）[1]。適用于發(fā)電廠過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線型式，目前的主流產(chǎn)品有三種：FF型現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus型現(xiàn)場(chǎng)總線、WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線（相應(yīng)的總線設(shè)備尚未開(kāi)發(fā)）。目前較普遍應(yīng)用的是FF型現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus型現(xiàn)場(chǎng)總線。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠的應(yīng)用概況

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)了從電廠輔助車間逐步過(guò)渡到主車間的應(yīng)用過(guò)程。從輔助廠房的個(gè)別系統(tǒng)試用到輔助廠房的全面應(yīng)用，再到主機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于整個(gè)電廠。目前，國(guó)內(nèi)一些電廠也開(kāi)始廣泛使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。如：九臺(tái)電廠和金陵電廠，在主機(jī)系統(tǒng)及輔控系統(tǒng)全范圍使用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，涉及全廠各系統(tǒng)的多類設(shè)備，如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電動(dòng)馬達(dá)保護(hù)器、變送器和電磁閥箱等。

華能南京金陵電廠2×1 030 MW超超臨界燃煤機(jī)組1號(hào)機(jī)于2009年12月23日通過(guò)168試運(yùn)行。該項(xiàng)目在主輔系統(tǒng)全面采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，是我國(guó)第一個(gè)超超臨界機(jī)組總線應(yīng)用示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目的主系統(tǒng)控制器配置26+2對(duì)控制器、35個(gè)總線通訊柜、51個(gè)冗余DP網(wǎng)段、11個(gè)單總線DP網(wǎng)段、124個(gè)PA網(wǎng)段、358個(gè)DP總線設(shè)備、628個(gè)PA總線設(shè)備，涵蓋25個(gè)系統(tǒng)和流程，采用了13種類型的總線設(shè)備，基本包括主機(jī)的所有典型設(shè)備。輔控系統(tǒng)包括鍋爐補(bǔ)給水處理、凝結(jié)水精處理、凈水、廢水處理、脫硫采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

2 雷州發(fā)電公司的現(xiàn)場(chǎng)總線工程

2.1 雷州發(fā)電公司工程概述

廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“雷州發(fā)電公司”）一期工程建設(shè)2臺(tái)1 000 MW國(guó)產(chǎn)燃煤超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界、二次再熱、變壓直流π型爐，型號(hào)為HG-2764/33.5/605/623/623-YM2。汽輪機(jī)采用上海電氣生產(chǎn)的超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、十級(jí)回?zé)岢槠?、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N1000-31/600/620/620。發(fā)電機(jī)采用上海電氣生產(chǎn)的THDF125/67型號(hào)發(fā)電機(jī)。投產(chǎn)后，實(shí)現(xiàn)供電煤耗265.55 g/kWh、煙塵排放質(zhì)量濃度≤10 mg/m3、SO2排放質(zhì)量濃度≤35 mg/m3、NOx排放濃度≤50 mg/m3。

2.2 本工程現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施范圍

雷州發(fā)電公司采用國(guó)電智深的EDPF-NT Plus控制系統(tǒng)，在全廠范圍使用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，目前是國(guó)內(nèi)使用總線設(shè)備數(shù)量最多的大型火電廠，主機(jī)系統(tǒng)總線設(shè)備超過(guò)1 800臺(tái)。本工程現(xiàn)場(chǎng)總線的主要應(yīng)用范圍如下：

1）廣泛采用總線型變送器。除接入專用系統(tǒng)（如DEH）或用于爐壓保護(hù)外，所有智能變送器均采用現(xiàn)場(chǎng)總線接入分散控制系統(tǒng)（DCS）。

2）除涉及機(jī)組安全的電（氣）動(dòng)門(mén)外均考慮采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制。重要的電（氣）動(dòng)門(mén)保留硬接線緊急操作指令接口或配置緊急操作電磁閥等附件，例如磨煤機(jī)出口門(mén)增加硬接線緊急關(guān)閉接口，凝汽器真空破壞門(mén)增加硬接線緊急打開(kāi)接口。

3）380VAC低壓電動(dòng)機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制，重要的低壓電動(dòng)馬達(dá)保留硬接線控制回路（如火檢冷卻風(fēng)機(jī)、汽機(jī)潤(rùn)滑油泵、發(fā)電機(jī)定子冷卻水泵及密封油泵等）。

4）集中式電磁閥閥島采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制（如水處理和除灰系統(tǒng)氣動(dòng)閥門(mén)電磁閥）。與機(jī)組啟停聯(lián)鎖的氣動(dòng)閥不采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制（如汽機(jī)疏水閥等）。

5）開(kāi)關(guān)量測(cè)點(diǎn)不采用現(xiàn)場(chǎng)總線(如液位、溫度、壓力開(kāi)關(guān)等）。

6）溫度信號(hào)不采用現(xiàn)場(chǎng)總線，集中分布的溫度測(cè)點(diǎn)采用DCS遠(yuǎn)程IO接入控制系統(tǒng)。

7）影響機(jī)組安全運(yùn)行的系統(tǒng)不采用現(xiàn)場(chǎng)總線（如 FSSS、MFT、DEH/ETS、TSI、MTSI、SOE 等）。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)段劃分原則

1）網(wǎng)段劃分原則。按照工藝系統(tǒng)劃分調(diào)節(jié)回路控制策略和設(shè)備控制邏輯，并在各DCS控制器中實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線也按照工藝系統(tǒng)來(lái)劃分網(wǎng)段，屬于同一個(gè)工藝系統(tǒng)且空間位置臨近的設(shè)備可劃分在一個(gè)網(wǎng)段上。把控制系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)的檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)劃分在同一網(wǎng)段中，可以提高運(yùn)算速度。冗余配置的同類設(shè)備，配置在不同網(wǎng)段中。

2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段主干網(wǎng)采用光纖和DP總線電纜連接。PROFIBUS PA現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段采用PA電纜，形成樹(shù)形、總線形和兩者的復(fù)合結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低單點(diǎn)故障率，連接和斷開(kāi)總線上的設(shè)備不應(yīng)影響有關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段工作。雷州發(fā)電公司現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 國(guó)電智深現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2.4 保證系統(tǒng)安全的措施

1）有要求連鎖保護(hù)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如危急疏水門(mén)、減溫器噴水門(mén)等調(diào)節(jié)型閥門(mén)應(yīng)設(shè)置快速動(dòng)作電磁閥。

2）緊急情況下需操作的電動(dòng)門(mén)，如真空破壞電動(dòng)門(mén)，應(yīng)預(yù)留緊急操作接口。

3）對(duì)于支持雙口冗余的設(shè)備，均采用雙網(wǎng)雙卡的冗余結(jié)構(gòu)。

4）所有接口卡均按冗余設(shè)置。

5）每塊接口卡占用的接口不超過(guò)2個(gè)。

6）為提高抗干擾能力，由DCS機(jī)柜到現(xiàn)場(chǎng)通訊箱的總線主干電纜均采用光纖連接。

7）PROFIBUS DP總線的每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量不超過(guò)12臺(tái)；對(duì)于PA總線網(wǎng)段，每個(gè)網(wǎng)段接入的PA設(shè)備數(shù)量最多6個(gè)，且同一網(wǎng)段上接入的執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量最多2個(gè)。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)總線工程實(shí)施中應(yīng)注意的問(wèn)題

1）各類現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接入FCS前應(yīng)先進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。

2）由于新建電廠輔助車間系統(tǒng)，如化學(xué)制水系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、精處理系統(tǒng)和除灰渣系統(tǒng)等一般采用分島招標(biāo)形式。輔助車間的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)采取統(tǒng)招分簽的方式，有利于系統(tǒng)的功能完整和質(zhì)量把控。

3）總線電纜應(yīng)盡量采用獨(dú)立槽盒敷設(shè)，如不能采用獨(dú)立槽盒，應(yīng)在槽盒中增加金屬隔板。

4）在安裝、調(diào)試前，應(yīng)由廠家或者總線咨詢單位對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，特別是電纜敷設(shè)、屏蔽線的處理和連接、接地線的處理，良好的安裝質(zhì)量可以為后續(xù)的設(shè)備調(diào)試打下基礎(chǔ)，大大節(jié)省設(shè)備的調(diào)試工期。

3 采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的意義

現(xiàn)場(chǎng)總線并非只是把眾多儀表掛接在一根總線上，節(jié)省電纜不是真正目的，因?yàn)椴捎肈CS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O也可達(dá)到節(jié)省電纜的效果。它真正意義在于現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字式智能通訊，可以從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集豐富的數(shù)據(jù)信息[2]?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可以開(kāi)發(fā)多種故障自診斷功能，并通過(guò)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)將故障診斷信息送至控制器，管理人員可以在通過(guò)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（AMS）查詢已連接的總線儀表設(shè)備的參數(shù)、故障信息。通過(guò)增加相應(yīng)的診斷模塊，還可以二次開(kāi)發(fā)狀態(tài)檢修系統(tǒng)，根據(jù)狀態(tài)檢修系統(tǒng)的指導(dǎo)意見(jiàn)，可以縮短停機(jī)維修時(shí)間，節(jié)約檢修費(fèi)用，降低生命周期成本?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)不僅提供高級(jí)別的控制、管理功能，且系統(tǒng)在發(fā)電廠的全生命周期中的投資遠(yuǎn)低于常規(guī)DCS。從電廠的長(zhǎng)期綜合經(jīng)濟(jì)性和效益來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線的價(jià)格優(yōu)勢(shì)就會(huì)非常明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

雷州發(fā)電公司在基建和運(yùn)維期間采用三維建模、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)來(lái)建設(shè)智慧型電廠，而現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智慧電廠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的深度挖掘，可提高電力生產(chǎn)過(guò)程中的可控性，減少人工干預(yù)。通過(guò)智慧決策，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行方式，必將大幅提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。