總線閥島在火力發(fā)電廠除灰系統(tǒng)中的應(yīng)用

田小兵，柯尊光，趙新成

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

1 總線閥島的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線的重要特點(diǎn)之一，就是設(shè)備的智能化，它可以將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)和診斷信息傳輸至控制室，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“設(shè)備故障檢修”到“設(shè)備狀態(tài)維護(hù)”的轉(zhuǎn)變，大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息為管理決策也提供了基礎(chǔ)和依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線智能閥島產(chǎn)品，通過非周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換可以提供十分豐富的設(shè)備診斷信息，主要包括：①總線通訊狀態(tài)；②閥島的供氣或供電故障；③信號(hào)的短路、開路檢測(cè)；④模塊故障信息等等。這些信息，不論是傳統(tǒng)的單點(diǎn)連接方式還是多針閥島，都是無法獲取的。

此外，閥島可配置各種模塊化的輸入輸出模塊，比如模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊等，這些模塊能接收的信號(hào)類型與DCS/PLC中使用的I/O模件沒有差別，因此像檢測(cè)氣缸活塞位置的行程開關(guān)、或者是現(xiàn)場(chǎng)零散的硬接線儀表信號(hào)都可以直接連接到就近布置的閥島輸入輸出模塊上，這樣可以有效縮短現(xiàn)場(chǎng)一次元件與執(zhí)行設(shè)備到控制系統(tǒng)DCS/PLC的信號(hào)電纜長(zhǎng)度。一般單個(gè)閥島最大可支持32個(gè)電磁閥線圈以及16個(gè)I/O模件。

2 總線閥島在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

2.1 使用場(chǎng)合

火力發(fā)電廠的水處理(化學(xué)制水、廢水處理等)車間、除灰系統(tǒng)分布著數(shù)量眾多的氣動(dòng)閥，氣動(dòng)閥的驅(qū)動(dòng)氣源通過電磁閥來控制，傳統(tǒng)方案是將電磁閥分組集中安裝于就地電磁閥箱內(nèi)，閥行程位置信號(hào)也接入電磁閥箱內(nèi)端子排，在電磁閥箱內(nèi)匯總位置反饋和電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)后再送DCS/PLC機(jī)柜，這些系統(tǒng)適合采用現(xiàn)場(chǎng)總線閥島。主廠房區(qū)域除大量集中布置的二位式動(dòng)作氣動(dòng)閥(如鍋爐燃燒器冷卻系統(tǒng)氣動(dòng)閥)外，其余氣動(dòng)閥物理位置及系統(tǒng)歸屬都比較分散，采用現(xiàn)場(chǎng)總線閥島并不經(jīng)濟(jì)，不建議采用現(xiàn)場(chǎng)總線閥島。下文擬以某1000 MW機(jī)組除灰系統(tǒng)中采用現(xiàn)場(chǎng)總線閥島為例，對(duì)其展開論述。

2.2 總線協(xié)議選擇

火力發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議基本采用FF或(和)Profibus兩種，其中Profibus－PA和FF是專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的協(xié)議，一般用于現(xiàn)場(chǎng)儀表。而設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)和分散I/O之間的通信連接一般采用Profibus－DP協(xié)議，總線閥島一般采用Profibus－DP總線協(xié)議，通過總線轉(zhuǎn)接模塊將單DP網(wǎng)段接入冗余的DP控制主站。

現(xiàn)場(chǎng)總線閥島支持的Profibus－DP協(xié)議主要包括DP V0及DP V1，即除了支持周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換的基本通信功能外(一般是設(shè)備描述文件GSD)，還支持非周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能(一般是設(shè)備類型管理文件DTM或電氣設(shè)備描述文件EDD)。

Profibus－DP速率可從9.6 kbps最高到12 Mbps，火力發(fā)電廠中一般選擇保證傳輸速率不低于500 kbps速率即可滿足DP設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求。當(dāng)通訊波特率采用500 kbps、連接電纜采用A類Profibus專用屏蔽雙絞線電纜時(shí)，通信距離為400 m，即每個(gè)DP網(wǎng)段從總線通訊箱內(nèi)光電轉(zhuǎn)換器到最后的終端電阻(一般在通訊箱內(nèi))的單路總長(zhǎng)度為400 m。

2.3 控制系統(tǒng)選擇

常見的分散控制系統(tǒng)DCS或可編程邏輯控制器PLC都支持現(xiàn)場(chǎng)總線，兩者在工程中的使用方法是類似的。該1000 MW機(jī)組采用了ABB的S+分散控制系統(tǒng)，支持Profibus總線。在工程實(shí)施時(shí)，將總線閥島的樣品送至DCS總線測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了通訊測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用測(cè)試通過的通訊及協(xié)議版本配置文件，以保證現(xiàn)場(chǎng)通訊兼容性。除灰系統(tǒng)單元部分配置兩對(duì)控制器，公用部分配置一對(duì)控制器。

3 除灰系統(tǒng)總線閥島工程設(shè)計(jì)

3.1 除灰系統(tǒng)主要工藝描述

除灰系統(tǒng)分為電除塵灰斗排灰和省煤器灰斗排灰兩部分，采用正壓濃相氣力輸送方式。

(1)一、二電場(chǎng)除灰系統(tǒng)

一、二電場(chǎng)由24臺(tái)MD泵組成，每6臺(tái)一組。兩個(gè)電場(chǎng)A(B)側(cè)6臺(tái)MD泵各合用一根輸灰管，并通過管路出口閥最終合用成一根輸灰管道，每次輸送一個(gè)電場(chǎng)，兩個(gè)電場(chǎng)MD泵交替運(yùn)行。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，MD泵入口閥打開，飛灰靠重力落入倉泵中，同時(shí)倉泵排氣閥打開排氣。當(dāng)任一倉泵內(nèi)物料充滿時(shí)，關(guān)閉入口閥和排氣閥，當(dāng)所有入口閥和排氣閥都已關(guān)閉并密封后，空氣閥打開將灰輸送到灰?guī)臁．?dāng)輸送壓力下降到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉空氣閥，輸送完成。

(2)三、四、五電場(chǎng)除灰系統(tǒng)

三、四、五電場(chǎng)輸灰系統(tǒng)分別由12臺(tái)AV泵組成，每6臺(tái)一組。三個(gè)電場(chǎng)A(B)側(cè)輸灰管道分別通過3臺(tái)管路出口閥合用一根輸灰管至灰?guī)?。運(yùn)行方式與一二電場(chǎng)類似。

(3)省煤器灰斗除灰系統(tǒng)

省煤器灰斗輸灰由16臺(tái)AV 泵組成，每8臺(tái)一組，兩組輸灰管道通過2臺(tái)管路出口閥合用一根輸灰管道輸送至省煤器灰?guī)臁?/p>

(4)庫頂管路切換系統(tǒng)

設(shè)置2個(gè)原灰?guī)旒?個(gè)細(xì)灰?guī)?，運(yùn)行過程中通過管路切換閥切換各輸灰管路，將飛灰輸送到不同的灰?guī)熘小?/p>

3.2 除灰系統(tǒng)閥島設(shè)計(jì)

按照工藝設(shè)備位置以及系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分散的原則，將一、二電場(chǎng)24臺(tái)MD泵分成8組，每組配置1臺(tái)閥島，完成該組所有電磁閥控制以及料位開關(guān)信號(hào)、閥門位置信號(hào)采集。每臺(tái)閥島配一個(gè)電磁閥箱，即每三臺(tái)MD 泵配一個(gè)電磁閥箱。因此一、二電場(chǎng)一共設(shè)計(jì)8臺(tái)閥組、8個(gè)電磁閥箱。

三、四、五電場(chǎng)36臺(tái)AV泵可分成6組，每組配置1臺(tái)閥島，一共設(shè)計(jì)6臺(tái)閥組、6個(gè)電磁閥箱；省煤器灰斗輸灰系統(tǒng)16臺(tái)AV 泵組成可分成4組，每組配置1臺(tái)閥島，一共設(shè)計(jì)4臺(tái)閥組、4個(gè)電磁閥箱；灰?guī)旆殖?組，每組配置1臺(tái)閥島，一共設(shè)計(jì)2臺(tái)閥組、2個(gè)電磁閥箱。因此共設(shè)計(jì)12臺(tái)閥組、12個(gè)電磁閥箱。

同時(shí)每個(gè)電磁閥箱根據(jù)需要配置I/O模塊，用于料位開關(guān)、閥門位置信號(hào)的采集。電磁閥的型式根據(jù)閥門氣缸型式選擇，考慮到除灰系統(tǒng)閥門的響應(yīng)速度，電磁閥流量一般按照不小于2200 l/min選擇，其它應(yīng)用中流量選擇1200 l/min左右即可滿足使用。

系統(tǒng)中的壓力變送器采用Profibus－PA協(xié)議，組成PA網(wǎng)段。電動(dòng)執(zhí)行器采用Profibus－DP總線協(xié)議，組成冗余DP網(wǎng)段。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方案見表1(以一電場(chǎng)A側(cè)為例，其余類似)：

表1 一電場(chǎng)A側(cè)電磁閥箱和閥島配置

3.3 總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)

除灰系統(tǒng)總線設(shè)備主要分布在單元機(jī)組的各電場(chǎng)、省煤器區(qū)域以及公用的灰?guī)靺^(qū)域，可按上述區(qū)域設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)總線通訊箱以及分配總線網(wǎng)段，共設(shè)置5面通訊箱、劃分為15個(gè)網(wǎng)段。各通訊箱兩路交流電源進(jìn)線，內(nèi)部配置電源模塊、光電轉(zhuǎn)換器、有源終端電阻、DP/PA耦合器模塊、RLM轉(zhuǎn)換模塊以及專用連接端子等，通訊箱布置在現(xiàn)場(chǎng)。根據(jù)工藝系統(tǒng)及布置位置統(tǒng)計(jì)的除灰系統(tǒng)總線設(shè)備數(shù)量見表2，以1號(hào)機(jī)組電場(chǎng)區(qū)域總線通訊箱為例，其網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

表2 除灰系統(tǒng)總線設(shè)備網(wǎng)段劃分

圖1 1號(hào)機(jī)組電場(chǎng)區(qū)域總線通訊箱網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.4 總線網(wǎng)段通訊質(zhì)量測(cè)試

為了保證現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備通信穩(wěn)定，調(diào)試及試運(yùn)期階段需要對(duì)每條現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段進(jìn)行通信質(zhì)量檢測(cè)，通過物理、通信報(bào)文、通信電壓及通信波形檢測(cè)等方式逐一驗(yàn)證網(wǎng)段設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的合理性和準(zhǔn)確性。圖2是除灰系統(tǒng)某一閥島網(wǎng)段的電壓和波形圖，可見設(shè)備的通信電壓均接近正常5V電壓范圍，波形為正常方波，故驗(yàn)證了該網(wǎng)段設(shè)計(jì)和通信正常。

圖2 總線閥島網(wǎng)段通信質(zhì)量測(cè)試(電壓、波形圖)

4 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)總線閥島，兼具閥島和總線技術(shù)之長(zhǎng)，其技術(shù)特點(diǎn)決定了它非常適合在水處理、除灰等車間推廣應(yīng)用，其安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，經(jīng)濟(jì)效益可觀，有望成為未來火力發(fā)電廠的主流選擇。本文提及的百萬機(jī)組應(yīng)用上述總線方案后控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)管路、電纜均得到了簡(jiǎn)化，通過比較，工程節(jié)省常規(guī)電纜約55%、橋架約40%、安裝工程量減少約1/3。工程自投產(chǎn)以來，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，為電廠管控人員帶來新技術(shù)便利的同時(shí)，也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。