1000MW火電機(jī)組電除塵控制系統(tǒng)一體化改造分析

鄭衛(wèi)東，李海洋，熊志成，杜 璞

（華能國(guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江 臺(tái)州 317604）

0 引言

《浙江省人民政府關(guān)于印發(fā)大氣污染物防治行動(dòng)計(jì)劃（2013—2017）的通知》（浙政發(fā)[2013]59號(hào)）要求[1]，浙江省區(qū)域電廠粉塵排放質(zhì)量濃度（以下簡(jiǎn)稱“濃度”）不大于 5 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同），要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，電除塵改造是電廠環(huán)保改造的重點(diǎn)之一。某發(fā)電廠4×1000MW超超臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組建成于2007年，每臺(tái)機(jī)組原配套2臺(tái)3室4電場(chǎng)電除塵器，1—4電場(chǎng)工頻電源，2012年將1、2電場(chǎng)改造為高頻電源，設(shè)計(jì)保證除塵效率為99.7%。

電除塵提效改造中，對(duì)電除塵入口氣力分布均流進(jìn)行改造，灰斗電加熱器改造為蒸汽加熱器；電場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)改造，左右布置，最終將24個(gè)電場(chǎng)改造為36個(gè)電場(chǎng)（12個(gè)大電場(chǎng)、24個(gè)小電場(chǎng)）；電除塵器全部電場(chǎng)電源更換為高頻電源。采用低低溫電除塵器并配合電源改造后，保證除塵效率不低于99.925%，出口粉塵濃度不大于15 mg/m3；電除塵器本體阻力不大于200 Pa，電除塵本體漏風(fēng)率不大于2%。

1 電除塵控制系統(tǒng)改造的必要性

1.1 電除塵控制系統(tǒng)概況

電廠主機(jī)及脫硫采用DCS（分散控制系統(tǒng)）控制，系統(tǒng)選用艾默生過(guò)程控制公司的Ovation系統(tǒng)?；?、灰渣、電除塵及輸煤系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)，其中化水、灰渣、電除塵通過(guò)輔網(wǎng)進(jìn)行集成，實(shí)行集中控制，如圖1所示。

電除塵控制系統(tǒng)大致可以分為兩部分，即電除塵高壓部分（電源部分）和低壓部分（振打、加熱、熱風(fēng)吹掃、灰斗等）。其中，高壓部分3、4電場(chǎng)的工頻電源控制器為單片機(jī)，1、2電場(chǎng)的高頻電源控制器為西門子S7-200PLC。高壓部分由就地控制器控制，同時(shí)與電除塵PLC通信，實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)方控制和就地操作，低壓部分直接由PLC控制[2]。電除塵控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 電除塵控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題

圖1 輔網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 電除塵控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電除塵控制系統(tǒng)并入輔網(wǎng)，存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題：一是操作員站響應(yīng)速度慢；二是網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定[3]，每年均發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷故障，其中2013—2014年發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中斷故障6次。

輔網(wǎng)采用PLC控制，IFIX服務(wù)器上共配置超過(guò)36 000個(gè)通信點(diǎn)，根據(jù)IFIX性能設(shè)計(jì)，超出20 000個(gè)通信點(diǎn)將造成整個(gè)通信輪詢過(guò)程的緩慢。由于數(shù)據(jù)庫(kù)大導(dǎo)致丟包現(xiàn)象集中發(fā)生在輔網(wǎng)內(nèi)各子系統(tǒng)。而且輔網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，PLC型號(hào)不統(tǒng)一，最終導(dǎo)致操作員站響應(yīng)緩慢，一般需要5 s左右方可收到反饋。

輔網(wǎng)IP地址的分配缺乏統(tǒng)一性，由于輔網(wǎng)各子系統(tǒng)的改造和擴(kuò)容，備用IP地址資源不足，一方面增加了系統(tǒng)使用和維護(hù)的難度，另一方面也導(dǎo)致一些系統(tǒng)改造后難以接入輔網(wǎng)，例如本次電除塵高頻電源改造項(xiàng)目，最少需要增加3個(gè)IP地址，輔網(wǎng)已經(jīng)沒(méi)有合適網(wǎng)段。

另外，PLC控制系統(tǒng)組成的輔網(wǎng)相對(duì)孤立，歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、曲線調(diào)取、時(shí)鐘統(tǒng)一等也不同程度存在問(wèn)題。

1.3 電除塵控制系統(tǒng)一體化改造優(yōu)勢(shì)

電除塵進(jìn)行提效改造后，增加12個(gè)高頻電源，如果采用PLC控制系統(tǒng)并入原有的輔網(wǎng)系統(tǒng)，每個(gè)高頻電源大約增加20個(gè)模擬量通信點(diǎn)，輔網(wǎng)的負(fù)荷將進(jìn)一步加重，控制系統(tǒng)不同步進(jìn)行改造，必將成為薄弱環(huán)節(jié)。為了提高電除塵控制系統(tǒng)可靠性，在電除塵改造中配套實(shí)施了電除塵PLC控制系統(tǒng)與主機(jī)DCS一體化改造[4]。

首先將雙極性 DVB/CAR/PDMS（50/30 μm）固相微萃取頭置于GC-MS儀進(jìn)樣口進(jìn)行老化處理，老化溫度250 ℃，老化時(shí)間為30 min，載氣流速為1.3 mL/min，載氣為氦氣。

通過(guò)電除塵控制系統(tǒng)一體化改造[5-6]，可以有效解決存在的系統(tǒng)老化問(wèn)題，提高系統(tǒng)可靠性。

2 電除塵PLC改DCS控制的要點(diǎn)

2.1 改造后的電除塵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造后電除塵DCS基本結(jié)構(gòu)與主機(jī)DCS保持一致，考慮到主機(jī)版本較低，電除塵系統(tǒng)采用最新版本系統(tǒng)，待主機(jī)升級(jí)后進(jìn)行合并。

以2號(hào)機(jī)組為例，將電除塵PLC控制系統(tǒng)改造為Ovation 3.5 Windows版本系統(tǒng)。電除塵DCS配置包含1套服務(wù)器、2套歷史站、2套操作員站、1套工程師站。時(shí)鐘接入電廠GPS（全球定位系統(tǒng)）中心，配置2臺(tái)控制站，分別控制1-3室（A側(cè)）及4-6室（B側(cè)）電場(chǎng)，2對(duì)控制器實(shí)現(xiàn)A側(cè)與B側(cè)電場(chǎng)分散控制?？刂破鞫x為DROP35/36，方便與主機(jī)DCS合并。電除塵低壓部分（原PLC控制）直接進(jìn)入DCS控制，高壓部分保留原有控制器，通過(guò)通信方式進(jìn)入DCS，DCS電源取自主機(jī)UPS（不間斷電源）。在不改變電除塵控制策略基礎(chǔ)上，結(jié)合目前DCS的設(shè)計(jì)理念，重新設(shè)計(jì)電除塵畫(huà)面，重新進(jìn)行電除塵組態(tài)和系統(tǒng)調(diào)試。改造后的電除塵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 電除塵控制系統(tǒng)改造施工

圖3 改造后的電除塵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件方面：由發(fā)電廠技術(shù)人員負(fù)責(zé)核對(duì)原有I/O（輸入/輸出）清冊(cè)的正確性，確保正確后作為DCS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。原有PLC控制根據(jù)模擬量和開(kāi)關(guān)量劃分，分別放置不同控制柜，DCS設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)A側(cè)、B側(cè)分散設(shè)計(jì)。使用原有舊電纜，為防止電纜長(zhǎng)度不足，控制柜沿著電纜來(lái)向移動(dòng)1 m后布置。為保證擴(kuò)展性，以便后期將除渣、輸灰系統(tǒng)并入電除塵系統(tǒng)，電源柜、網(wǎng)絡(luò)柜、控制柜分開(kāi)布置，保留約20%的I/O端口裕量?？刂乒?、網(wǎng)絡(luò)柜、電源柜如圖4所示。改造淘汰的PLC作為化水系統(tǒng)的備件。

圖4 網(wǎng)絡(luò)柜、控制柜、電源柜

施工前，核對(duì)圖紙及資料，做好開(kāi)工前準(zhǔn)備工作，確認(rèn)無(wú)誤。施工步驟如下：

（1）系統(tǒng)備份，確認(rèn)無(wú)誤后停電。

（2）核對(duì)控制站所有接線，做好標(biāo)識(shí)。

（3）拆除原有的控制器、相關(guān)硬件及電纜。

（4）安裝DCS機(jī)柜及必要硬件。

（5）核對(duì)電纜并接線。

（6）網(wǎng)線敷設(shè)及系統(tǒng)連接，檢查無(wú)誤，系統(tǒng)上電。

（7）電除塵DCS邏輯組態(tài)，軟件下裝。

（8）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，整體調(diào)試。

軟件方面：電除塵DCS搭建、邏輯組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等由DCS廠家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)完成。原電除塵廠家人員負(fù)責(zé)提供PLC控制邏輯及控制說(shuō)明，DCS廠家人員根據(jù)原控制圖紙及控制說(shuō)明進(jìn)行轉(zhuǎn)換，編寫(xiě)改造邏輯控制說(shuō)明，發(fā)電廠相關(guān)人員進(jìn)行審核，確保與原有控制方案一致后開(kāi)始組態(tài)。流程圖畫(huà)面、控制邏輯的組態(tài)由DCS廠家人員提供模板，發(fā)電廠人員選擇組態(tài)風(fēng)格后實(shí)施。

2.3 電除塵控制系統(tǒng)改造的難點(diǎn)

DCS操作與高頻電源控制器就地控制切換如何實(shí)現(xiàn)，是電除塵控制系統(tǒng)改造的一個(gè)難點(diǎn)。在原有的PLC控制模式下，通過(guò)電除塵PLC對(duì)高頻電源就地控制器（S7-200PLC）內(nèi)部地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作，PLC指令執(zhí)行一次，需要就地操作時(shí)，就地控制面板直接寫(xiě)入控制器內(nèi)部地址，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方就地控制。但DCS與控制器通信時(shí)，DCS每個(gè)掃描周期內(nèi)都會(huì)輸出當(dāng)前數(shù)，導(dǎo)致就地控制器內(nèi)部地址不斷被寫(xiě)入指令，就地操作面板無(wú)法有效寫(xiě)入。

為了使高壓部分實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程控制，改設(shè)DCS通信卡（ELC 卡）中“EXCEPTION”功能， 即設(shè)置為更改優(yōu)先，可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與就地并列操作。模擬量指令時(shí)，利用通信讀取就地控制器寄存器實(shí)際數(shù)值，實(shí)現(xiàn)跟蹤。當(dāng)需要DCS輸入設(shè)定值時(shí)，通過(guò)確認(rèn)按鈕將操作員指令寫(xiě)入，確認(rèn)之后指令保持當(dāng)前值，如圖5所示。開(kāi)關(guān)量控制中，高頻部分也存在同樣問(wèn)題，可以讀取就地控制器指令，復(fù)位DCS指令，實(shí)現(xiàn)就地、遠(yuǎn)程更改優(yōu)先，如圖6所示。

圖5 模擬量指令DCS邏輯

圖6 開(kāi)關(guān)量指令DCS邏輯

高頻部分通信的可靠性是首要問(wèn)題，也是另一個(gè)難點(diǎn)。整臺(tái)機(jī)組的2個(gè)除塵器，每個(gè)3通道（室），每通道6個(gè)電場(chǎng)，共6個(gè)高頻電源，設(shè)置1個(gè)JHNet-Ⅲ型RS485/TCP通信適配器，即A側(cè)3室18個(gè)電場(chǎng)高頻電源控制器通信并聯(lián)后進(jìn)入3個(gè)適配器，轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)進(jìn)入控制系統(tǒng)，適配器的IP地址獨(dú)立，接至通信箱的交換機(jī)上，適配器通信箱如圖7所示，2個(gè)除塵器共6個(gè)適配器。通信箱交換機(jī)與DCS柜交換機(jī)之間采用光纖連接，為保證通信響應(yīng)速度，每個(gè)適配器對(duì)應(yīng)1只ELC卡，分別和DCS的6只通信卡進(jìn)行通信。

2.4 調(diào)試中遇到的問(wèn)題

電除塵的操作、顯示、報(bào)警功能在DCS中實(shí)現(xiàn)。工程師站設(shè)置在電控樓，1臺(tái)操作員站設(shè)在主控DCS，由集控值班員監(jiān)盤，電除塵并入單元機(jī)組控制模式。操作員站可以設(shè)置每臺(tái)高頻電源工作電壓、電流等。另外，設(shè)計(jì)了除塵器粉塵閉環(huán)控制功能[7]，即每個(gè)通道根據(jù)粉塵濃度，選擇電壓、電流大小，在滿足排放要求前提下，降低能耗。由于粉塵控制滯后等原因，沒(méi)有投運(yùn)該功能。

圖7 適配器通信箱

調(diào)試中遇到了就地控制器與DCS通信的問(wèn)題。雖然通信正常，但指令執(zhí)行到反饋到達(dá)的時(shí)間較長(zhǎng)，一般6 s左右。由于涉及就地控制器、通信及DCS幾個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)反復(fù)排查和試驗(yàn)，將DCS組態(tài)及通信點(diǎn)移入控制器三區(qū)，掃描周期修改為250 ms，通信速率提高明顯，指令發(fā)出到反饋到達(dá)的時(shí)間小于2 s，可以滿足日?？刂菩枨?。

3 改造后的效果

改造后電除塵DCS的CPU（中央處理器）負(fù)荷率小于5.6%，I/O端口裕量大于20%，電源裕量大于70%，通信總線負(fù)荷率小于5%，各性能指標(biāo)均優(yōu)良。

系統(tǒng)改造后的優(yōu)勢(shì)包括：

（1）對(duì)輔網(wǎng)通信有利。4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行電除塵改造后，輔網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)減少超過(guò)9 000點(diǎn)。輔網(wǎng)通信負(fù)荷降低，有效降低了系統(tǒng)通信傳輸延時(shí)。

（2）提高了環(huán)保數(shù)據(jù)可靠性，降低了環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。改造后電除塵歷史站雙冗余配置，其中1臺(tái)歷史服務(wù)器故障不影響數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)4年以上。歷史數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，消除了因輔網(wǎng)沒(méi)有GPS授時(shí)導(dǎo)致的歷史數(shù)據(jù)時(shí)間不同步的現(xiàn)象。

（3）提高了機(jī)組熱工自動(dòng)化水平，機(jī)組整體協(xié)調(diào)性提高[8]。一體化改造后，主機(jī)與電除塵作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，電除塵運(yùn)行情況可第一時(shí)間在主機(jī)報(bào)警，提高了電除塵故障預(yù)警及應(yīng)急能力。

（4）人機(jī)界面友好。PLC控制輔網(wǎng)集成時(shí)，畫(huà)面不友好，歷史曲線調(diào)取不便，改造后可以方便地進(jìn)行電除塵相關(guān)數(shù)據(jù)查閱，為電除塵運(yùn)行狀況的分析提供了便利，運(yùn)行人員反映良好。

改造前后性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改造前后性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

電除塵PLC控制系統(tǒng)改造為DCS控制可以在大型火電機(jī)組上實(shí)施，實(shí)現(xiàn)一體化控制后，可以實(shí)現(xiàn)電除塵單元制方式，減少輔網(wǎng)運(yùn)行人員，提高電除塵控制系統(tǒng)可靠性。電除塵實(shí)現(xiàn)DCS控制，可以為電廠實(shí)現(xiàn)全廠一體化控制、消除信息孤島奠定基礎(chǔ)。高壓部分通過(guò)通信進(jìn)入DCS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，低壓部分直接進(jìn)入DCS控制，可以在減少投資的情況下取得較好的可靠性。本案例可為同類型電廠電除塵控制系統(tǒng)改造工程提供借鑒。