火電廠輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

賀心燕，王家蓉

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

輸煤系統(tǒng)是火電廠十分重要的輔助支持系統(tǒng)，連接煤場與鍋爐，主要完成煤場火車、汽車來煤的卸煤、堆煤工作，經(jīng)由電動(dòng)皮帶機(jī)輸送原煤至鍋爐原煤倉，并能根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況及環(huán)保指標(biāo)完成不同煤質(zhì)、煤種的配煤摻燒調(diào)整，按時(shí)、保質(zhì)、保量為機(jī)組提供燃料[1-3]。隨著我國工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，輸煤系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也就是輸煤系統(tǒng)的大腦，近年來也有了飛速的發(fā)展。從早期的開關(guān)控制，到后來的PLC 程序控制，再到現(xiàn)在的分布式現(xiàn)場總線控制、DCS控制[4-6]?；痣姀S的整個(gè)輸煤系統(tǒng)是保證機(jī)組穩(wěn)發(fā)滿發(fā)的重要條件之一，其安全可靠的運(yùn)行是電廠實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)[7-8]。

1 某電廠輸煤控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

華北某電廠始建于改革開放之初，為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)，而今由于長期的滿負(fù)荷運(yùn)行，輸煤控制系統(tǒng)出現(xiàn)了軟硬件陳舊老化等問題，可靠性逐漸變差，故障率逐漸升高，自動(dòng)化程度偏低，人力消耗大[9-10]。經(jīng)調(diào)查研究分析，該廠二、三期機(jī)組輸煤控制系統(tǒng)存在問題：（1）原二期輸煤控制系統(tǒng)采用的是AB 公司logix5000 PLC 系統(tǒng)，由于運(yùn)行年限較長，控制器、各種卡件、繼電器等設(shè)備因版本過低，相關(guān)設(shè)備已經(jīng)停產(chǎn)，如果運(yùn)行中設(shè)備發(fā)生故障，無備件可以更換；（2）用于通訊的硬件設(shè)施版本過低，部分通訊已經(jīng)出現(xiàn)單路運(yùn)行狀態(tài)；（3）系統(tǒng)的不斷老化，給日常維護(hù)、消缺工作帶來諸多不便；（4）目前二期火車煤源無法直接運(yùn)輸至三期煤場，需要額外的轉(zhuǎn)運(yùn)，增加了成本。

為了盡可能地消除輸煤系統(tǒng)給火電廠機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定帶來的隱患，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)配煤摻燒，提高設(shè)備安全系數(shù)與經(jīng)濟(jì)效益，對現(xiàn)有輸煤控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化、升級與改造是必不可少的一種手段。

2 輸煤控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)研究論證，認(rèn)為將兩個(gè)改造項(xiàng)目合二為一的方案完全可行，即第一步先將二期輸煤控制系統(tǒng)由原來的PLC 控制全部改造為與三期輸煤系統(tǒng)軟硬件一致的國電智深DCS控制系統(tǒng)，第二步使二期火車煤源通過皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至三期煤場，分別在二、三期輸煤控制系統(tǒng)中加入輸送二期火車煤種至三期煤場的新皮帶和控制公共站，實(shí)現(xiàn)二、三期煤場連通，方便配煤摻燒，節(jié)約成本，并且建立煤源流動(dòng)性，使煤場的煤源“靈活”起來。

此方案較其他改造方案優(yōu)勢在于：

（1）三期輸煤控制系統(tǒng)采用的是國電智深DCS系統(tǒng)，運(yùn)行狀況良好。此次改造不是平地蓋樓，已經(jīng)存在很好的技術(shù)平臺可以參考。對改造中可能出現(xiàn)的大部分技術(shù)問題有據(jù)可依，針對三期輸煤存在的隱患在這里可以提前預(yù)見并加以整改。

（2）二、三期煤場經(jīng)皮帶互聯(lián)后公共站既要接受二期運(yùn)行的控制與通訊，又要與三期控制系統(tǒng)交換指令、反饋信號，如果統(tǒng)一為一種控制系統(tǒng)，將會(huì)使通訊連接更加方便、可靠。

（3）國產(chǎn)國電智深DCS 控制系統(tǒng)邏輯編輯便捷，相比進(jìn)口控制系統(tǒng)的后期維護(hù)成本較低，操作簡單，邏輯、測點(diǎn)查詢修改都相對更為快捷。

（4）該廠其他控制系統(tǒng)大多采用國電智深DCS控制系統(tǒng)，各個(gè)版本備品備件互通性較強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生故障后備件更換更加方便。

3 基于樹形結(jié)構(gòu)的火電廠輸煤控制系統(tǒng)

3.1 樹形結(jié)構(gòu)算法

樹形結(jié)構(gòu)是一種多層次嵌套結(jié)構(gòu)算法，其外層和內(nèi)層具有相似結(jié)構(gòu)，多可遞歸的表示。常見的典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的各種樹狀圖均為典型的樹形結(jié)構(gòu)：一顆樹簡單表示為根，左子樹，右子樹，左子樹和右子樹分別又有自己的子樹。典型樹形結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 樹形結(jié)構(gòu)

在計(jì)算機(jī)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，樹形結(jié)構(gòu)表征了各元素之間存在著的“一對多”的樹形關(guān)系；數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)中可以用樹形結(jié)構(gòu)表示不同的層次關(guān)系；在很多其他方面亦有應(yīng)用，比如我們上網(wǎng)瀏覽的網(wǎng)站，一般都采用樹形結(jié)構(gòu)，主頁下有很多個(gè)頻道、目錄，每個(gè)頻道目錄里又有屬于這個(gè)頻道類目的子類。

3.2 輸煤控制系統(tǒng)

采用樹形結(jié)構(gòu)新算法開發(fā)的輸煤DCS 控制系統(tǒng)就是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，由“1 對1”，“1 對2”關(guān)系分層組成。系統(tǒng)操作界面，見圖2。

圖2 系統(tǒng)的操作界面

3.2.1 控制系統(tǒng)對被控設(shè)備的分類

控制系統(tǒng)將被控設(shè)備分為主設(shè)備和輔設(shè)備。主設(shè)備為影響煤流建立的輸送線路上煤經(jīng)過的設(shè)備，包括皮帶電機(jī)、葉輪給煤機(jī)、斗輪機(jī)、滾軸篩、碎煤機(jī)、三塊處理裝置、伸縮頭等。輔設(shè)備為除主設(shè)備外的其他設(shè)備，包括除鐵器、振打器、除塵器、噴淋設(shè)備等。

3.2.2 控制系統(tǒng)對煤流的定義

定義輸煤通道為 C 1 A—>C 2 A—> C 3 A—>C 5 A—>C 6 A—>C 7 A—>C 8 A，其中1-2-3-5-6-7-8煤的輸送方向定義為此通道的順煤流方向，8-7-6-5-3-2-1定義為此通道的逆煤流方向，見圖3。以5為例，可以說6是5的順煤流下游設(shè)備，亦可說5是6的逆煤流下游設(shè)備；同理，可以說3是5的順煤流上游的設(shè)備，亦可說5是3的逆煤流上游設(shè)備。

圖3 系統(tǒng)煤流

3.2.3 控制系統(tǒng)的大聯(lián)鎖功能

在建立輸煤通道之后，由運(yùn)行人員對該煤流通道上的設(shè)備進(jìn)行正確的標(biāo)識，組成一路可靠的輸送通道，然后再投入大聯(lián)鎖，對該輸煤通道進(jìn)行保護(hù)。如果在上煤過程中某一皮帶出現(xiàn)故障停運(yùn)，其逆煤流方向上游的設(shè)備將全停，以防止諸如皮帶堆煤、三通堵煤等其他事故的陸續(xù)發(fā)生?？刂葡到y(tǒng)判斷煤流上下游是否進(jìn)行大聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作時(shí)，為了防止運(yùn)行中擋板位置行程開關(guān)信號消失、誤動(dòng)而導(dǎo)致大聯(lián)鎖功能異常，采取不參考三通擋板位置信號，完全參考運(yùn)行人員開始上煤前手動(dòng)標(biāo)識的路線進(jìn)行判斷，當(dāng)然如果某個(gè)三通的逆煤流上游皮帶已被標(biāo)識為①/②/③路中的任一路，系統(tǒng)會(huì)對此三通擋板進(jìn)行閉鎖，防止運(yùn)行人員誤操作。

系統(tǒng)有兩路皮帶，可同時(shí)建立三套完整的輸煤通道（三棵樹），有汽車卸煤溝、堆煤場兩處煤源，可實(shí)現(xiàn)三種方向的上煤流程：①汽車卸煤溝——煤倉間，②汽車卸煤溝——儲煤場，③儲煤場——煤倉間。

皮帶有6 種不同的標(biāo)識狀態(tài)：運(yùn)行、運(yùn)行未標(biāo)識、停止、故障，見圖4。

圖4 皮帶標(biāo)識

運(yùn)行①路：運(yùn)行時(shí)標(biāo)識大紅色；運(yùn)行②路：運(yùn)行時(shí)標(biāo)識橘色；運(yùn)行③路：運(yùn)行時(shí)標(biāo)識紫色。

運(yùn)行未標(biāo)識：皮帶剛啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將其狀態(tài)變?yōu)槲礃?biāo)識或?qū)σ呀?jīng)標(biāo)識成運(yùn)行的①/②/③路的皮帶進(jìn)行標(biāo)識復(fù)位，標(biāo)識為暗紅色空心，實(shí)際意義為皮帶檢修、試運(yùn)或倒換皮帶時(shí)，其停止事件不影響大聯(lián)鎖動(dòng)作。

停止：由皮帶狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置為綠色，不可改變。

故障：某些原因造成的皮帶電機(jī)、皮帶自身的故障狀態(tài)標(biāo)識為黃色，不可改變。

例如，圖5 為某時(shí)刻皮帶的標(biāo)識情況，系統(tǒng)有兩路輸送通道，一路為C1A—> C2A—> C3A—>C5B—> C6B—> C7B—> C8B，另一路為 C4（取料）—> C5A—> C6A—> C7A—> C8A，C3B 可能在檢修或試運(yùn)等非出力運(yùn)行狀態(tài)，C2B皮帶在停止?fàn)顟B(tài)，C1B 皮帶在故障狀態(tài)。此刻，若C6B 皮帶出現(xiàn)故障，C5B、C3A、C2A、C1A皮帶將會(huì)出現(xiàn)聯(lián)停，其他皮帶不受影響；若C7A 皮帶出現(xiàn)故障，C6A、C5A、C4 取料皮帶將會(huì)出現(xiàn)聯(lián)停，其他皮帶不受影響；若C3B 皮帶出現(xiàn)故障或停運(yùn)，其他皮帶將不會(huì)受任何影響。

圖5 某時(shí)刻皮帶的標(biāo)識情況

大聯(lián)鎖投入方式為手動(dòng)投入，且必須確保輸送通道已建立，而且運(yùn)行皮帶已被正確標(biāo)識，方可成功投入。

大聯(lián)鎖的切除：手動(dòng)切除；輸煤系統(tǒng)急停后可自動(dòng)切除；皮帶全部停止時(shí)可自動(dòng)切除。

3.3 自動(dòng)配煤

對應(yīng)皮帶非停止?fàn)顟B(tài)，且非全部煤倉煤位高時(shí)自動(dòng)配煤方式投入；對應(yīng)皮帶已停止或全部煤倉煤位高時(shí)自動(dòng)配煤方式自動(dòng)退出。

C8A/B 原煤倉皮帶有兩組自動(dòng)配煤程序：優(yōu)先配煤程序、順序配煤程序。優(yōu)先配煤程序是在有煤倉煤位低傳感器動(dòng)作時(shí)立即給該煤倉加倉，循環(huán)執(zhí)行至無煤倉煤位低信號時(shí)結(jié)束，并切入順序配煤程序，按先后順序依次加倉，至一煤倉煤位高傳感器動(dòng)作即已加滿，順序開始下個(gè)煤倉加倉，依次加倉循環(huán)至所有煤倉均為高煤位時(shí)結(jié)束，退出自動(dòng)配煤，程控畫面顯示全部煤倉煤位高。尾倉無犁煤器，余煤配至#12 尾倉。系統(tǒng)可將暫時(shí)不用配煤的煤倉設(shè)為檢修，可自動(dòng)跳過該倉。

4 總結(jié)

系統(tǒng)特點(diǎn)是設(shè)計(jì)了大連鎖，增加了自動(dòng)配煤，尤其是增加手動(dòng)標(biāo)識，看似增加了操作步驟，降低了系統(tǒng)的自動(dòng)功能，但實(shí)際效果遠(yuǎn)好于系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)三通位置判斷煤流方向。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）防止三通擋板位置信號導(dǎo)致的保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)。

（2）整個(gè)輸送操作畫面更加直觀，可以標(biāo)識三種不同顏色的上煤路線，復(fù)雜工況一目了然。

（3）上煤過程中閉鎖相關(guān)設(shè)備操作，但可以進(jìn)行其他無關(guān)設(shè)備的試運(yùn)，非輸送設(shè)備的啟停不會(huì)影響大聯(lián)鎖動(dòng)作。

（4）整個(gè)大聯(lián)鎖保護(hù)更可控、更可靠，事故處理后系統(tǒng)恢復(fù)更方便、迅速。

控制系統(tǒng)升級后經(jīng)過長時(shí)間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了配煤摻燒，降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)備安全系數(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。