600MW火力發(fā)電廠控制室及電子間布置優(yōu)化

張衛(wèi)寶　楊國春　楊會(huì)敏　劉冰洲　王文占　和占強(qiáng)　沈慶東

摘要：為了節(jié)約工程投資，根據(jù)廠區(qū)布置、主廠房布置方式、控制方式，綜合考慮投資、運(yùn)行、維護(hù)、環(huán)境、人文等各方面因素，優(yōu)化集中控制室布置、優(yōu)化電子設(shè)備間布置，確定本工程推薦方案，為電廠的運(yùn)行維護(hù)提供了可靠保障，為電廠以后的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行創(chuàng)造了必要條件。

關(guān)鍵詞：分散控制系統(tǒng)（DCS）布置 電子設(shè)備間 集中控制室

1 前言

以往300MW及以上多臺(tái)機(jī)組的火電廠的控制模式多數(shù)采用兩機(jī)一控的模式，集中控制室多數(shù)布置在兩爐之間的集中控制樓，集控室附近布置電子設(shè)備間，機(jī)組所有相關(guān)電子機(jī)柜布置在電子設(shè)備間內(nèi)。近年來，隨著技術(shù)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，集控樓和電子設(shè)備間的大小、位置，產(chǎn)生了新方案。為節(jié)約電纜，電子設(shè)備間大多采用物理分散，就近分散布置于靠近被控對(duì)象的地方，電子設(shè)備間大小、數(shù)量、位置各工程有所不同。如何綜合考慮工程投資、運(yùn)行維護(hù)，合理地布置控制樓和電子設(shè)備間，減少工程投資，降低工程造價(jià)，提高電廠運(yùn)行管理水平，是每個(gè)工程首先要考慮的問題。

2.工程概況

2.1廠址概述

2.1.1錫林浩特市概況

錫林浩特市東靠赤峰市、通遼市和興安盟;南望張家口、北京和承德地區(qū);西連烏蘭察布市;北與蒙古人民共和國相鄰，現(xiàn)有人口17.7萬，是我國重要的能源、畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。煤電及畜牧業(yè)是區(qū)內(nèi)主體經(jīng)濟(jì)。伴隨著改革開放不斷深入，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，以畜牧業(yè)、煤炭、石油、電力、稀有及有色金屬、旅游業(yè)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展框架，形成了門類比較齊全、布局較為合理的具有地方特色的民族工業(yè)體系。

2.1.2勝利煤田概況

勝利煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北部的勝利蘇木境內(nèi)，距錫林浩特市3km。整個(gè)煤田呈北東～南西條帶狀，走向長(zhǎng)45km，平均寬7.6km，含煤面積342km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為22442Mt，其中精查儲(chǔ)量1941Mt，詳查儲(chǔ)量3546Mt，普查儲(chǔ)量16955Mt。

大唐東二礦位于劃定的勝利煤田大唐東二礦區(qū)，呈北東～南西走向不規(guī)則的四邊形。

地理坐標(biāo)：

東經(jīng)：116°06′41″～116°12′38″;

北緯：44°02′97″～44°07′05″。

2.1.3廠址地理位置

大唐錫林浩特電廠位于錫林浩特市大唐東二礦工業(yè)廣場(chǎng)規(guī)劃區(qū)內(nèi)，西至市區(qū)約15km，東靠煤礦工業(yè)廣場(chǎng)排土場(chǎng)，北側(cè)為煤干燥項(xiàng)目，廠址東南約1.2km為307省道，距錫林浩特500kV塔拉變10km，距錫林浩特市污水處理廠14km。

2.1.4廠址地形地貌

廠址位于陰山北部高原。廠址區(qū)域?yàn)闆_洪積平原區(qū)，場(chǎng)地的邊緣有侵蝕殘丘存在。廠址地勢(shì)呈東南高西北低，地形較平坦，地勢(shì)開闊，微起伏，本期工程廠區(qū)海拔標(biāo)高為1015.5m～1027.5m（1956年黃海高程系統(tǒng)，下同），相對(duì)高差12.0m;規(guī)劃廠區(qū)海拔標(biāo)高為1015.5m～1034.0m，相對(duì)高差18.5m。

廠址地表為草場(chǎng)覆蓋，廠址用地已經(jīng)列為建設(shè)用地。

2.1.5交通運(yùn)輸

鐵路運(yùn)輸：大唐東二礦專用鐵路通過錫（錫林浩特）桑（桑根達(dá)來）線與集（集寧）通（通遼）鐵路相接，并以此與國家鐵路網(wǎng)相連，鐵路運(yùn)輸較為便利。

公路運(yùn)輸：公路以錫林浩特市為中心，西至賽漢塔拉有錫-賽公路（370km），南至張家口有錫-張公路（440km），東南至赤峰有錫-赤公路（499km），東北至霍林郭勒有錫-霍公路（450km），形成四通八達(dá)的公路交通網(wǎng)。電廠通過煤礦工業(yè)廣場(chǎng)外部道路與307省道（錫赤公路段）相連，并通過307省道可通往錫林浩特市。

2.2廠址氣象和地理?xiàng)l件

2.2.1概述

本工程設(shè)計(jì)階段水文氣象報(bào)告執(zhí)行規(guī)范：《電力工程水文技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5084-1998）。

2.2.2工程地質(zhì)條件

從工程地質(zhì)條件來看，地層條件簡(jiǎn)單，無不良地質(zhì)作用，處于低烈度區(qū)，地下水埋深較大。從地貌單元來看，場(chǎng)地位于傾斜沖洪積平原區(qū)，場(chǎng)地的邊緣有侵蝕殘丘存在，根據(jù)區(qū)域資料，場(chǎng)地曾受剝蝕作用影響，使得場(chǎng)地土的前期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有土的自重應(yīng)力，屬超固結(jié)土。從地層的沉積年代來看，除地表有第四系全新統(tǒng)沖洪積的粉土、砂類土層外，主要為第四系上更新統(tǒng)湖積砂類土和第三系上新統(tǒng)泥巖及砂礫巖等老地層。因此，整個(gè)廠址區(qū)巖土工程條件良好。

電廠主要建筑物基礎(chǔ)埋深為-5.00～-6.00m考慮，建筑物基礎(chǔ)將置于Ⅲ層中Ⅲ2粉細(xì)砂上，Ⅲ2密實(shí)粉細(xì)砂地基承載力特征值為300～350kPa，承載力較高，沉降量較小，因此該層可作為主要建筑物的天然地基持力層;Ⅳ層硬塑粘土層和Ⅴ層砂礫層是良好的下臥層。

2.2.3場(chǎng)地地震效應(yīng)

地震基本烈度：根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2001）和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB500011-2001），場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度小于0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s，相當(dāng)于地震基本烈度6度區(qū)，本工程按7度設(shè)防。

2.2.4區(qū)域水文條件

錫林河流域?qū)俨菰院恿?，每年有春夏兩汛洪水，夏汛洪水一般發(fā)生在6～9月，由暴雨形成，由于該地區(qū)干旱少雨，且流域地形較緩，上游為天然草牧場(chǎng)，植被條件較好，因此夏汛洪水流量普遍不大。錫林河年平均流量0.61m3/s，年平均徑流量1920×104m3。一年中汛期主要有春汛和夏汛兩次，春汛主要由融雪融冰形成，夏汛主要由降雨形成。春汛最大洪峰流量為57.4m3/s，根據(jù)錫林浩特水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，春汛最大洪峰流量57.4m3/s（1987年），水深一般在0.50～1.00m之間。最大七日洪量為1560萬m3（1987年）;夏汛最大洪峰流量為37.1m3/s（1992年），最大七日洪量為612萬m3（1998年）。洪水過程有單峰和多峰兩種類型，以多峰洪水居多，春汛洪水歷時(shí)15天左右，夏汛洪水歷時(shí)相對(duì)短一些。每年1、2月份為斷流期。本河段河水流量的多少取決于上游水庫的控制及區(qū)間降水量的大小。本工程的廠址位于錫林浩特水庫的下游河段，河道水源主要為水庫下泄水。

2.2.5氣象條件

錫林浩特地區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候。主要?dú)庀筇卣魇呛?、風(fēng)大、干旱，具有冬寒、夏炎、溫差大、無霜期短、凍土深、降雨量少、蒸發(fā)量大等特點(diǎn)。多年平均氣溫2.2℃，極端最高氣溫39.2℃，極端最低氣溫-42.4℃，多年平均降雨量286.1mm，多年平均蒸發(fā)量1805.1mm，多年平均氣壓901.6hPa。

50年一遇10m高10分鐘平均最大風(fēng)速采用：V2%=28.0m/s。

全年主導(dǎo)風(fēng)向：SW（西南風(fēng)）。

累年最大積雪深度為27cm，發(fā)生于1991年03月27日。

據(jù)1953～2000年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，本地區(qū)土壤最大凍結(jié)深度為289cm，發(fā)生于1970年02月28日。

多年最長(zhǎng)結(jié)冰日數(shù)273天，出現(xiàn)在1979年08月28日至19800年5月26日，統(tǒng)計(jì)年限為1979年至2003年。

2.3項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本期工程安裝2×660MW超超臨界燃煤空冷汽輪發(fā)電機(jī)組，同步安裝SCR脫硝裝置。規(guī)劃容量按4×660MW燃煤機(jī)組考慮，并預(yù)留擴(kuò)建條件。機(jī)組主機(jī)采用直接空冷、輔機(jī)間接空冷技術(shù)，并同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝設(shè)施。鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)均由東方電氣股份有限公司設(shè)計(jì)、制造和供貨。

3 方案比選

3.1 本工程集控樓布置方案

控制室的位置受主廠房的布置、工藝設(shè)備布置的條件限制，布置位置不同?？紤]方便運(yùn)行維護(hù)，一般控制室都布置于主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層;也有布置于生產(chǎn)辦公樓的，通過棧橋與主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層相連。布置于主廠房運(yùn)轉(zhuǎn)層的位置典型的方案有布置于兩臺(tái)鍋爐中間的、布置于汽機(jī)房固定端的、布置于汽機(jī)房臨時(shí)端的、布置于汽機(jī)房A排外的。

以往電廠主廠房設(shè)計(jì)缺乏創(chuàng)新，大多采用四列式布置，即主廠房豎向依次布置汽機(jī)房、除氧間、煤倉間、鍋爐房?；虿捎萌惺讲贾茫瑢⒊蹰g和煤倉間合一，設(shè)置除氧煤倉間。這種主廠房布置，由于汽機(jī)房、除氧煤倉間橫向跨度大，鍋爐房橫向跨度小，在兩臺(tái)鍋爐房之間至少要空出兩個(gè)汽機(jī)房柱距，一般不少于25米跨度，而且豎向上鍋爐房至除塵器距離也很大，一般不少于70米。因此為節(jié)約用地，大多在兩爐之間設(shè)置控制樓，集控樓內(nèi)分層布置凝結(jié)水精處理再生設(shè)備間、化學(xué)加藥間、柴油機(jī)房、電氣配電間、化學(xué)取樣間、熱工配電間、熱控電子設(shè)備間、電氣繼電器室、集中控制室、空調(diào)機(jī)房、消防設(shè)備間、交接班室、更衣室等。集中控制室布置在集中控制樓運(yùn)轉(zhuǎn)層前部靠近汽機(jī)房側(cè)，一般集控樓插入除氧煤倉間內(nèi)，集中控制室位于兩臺(tái)機(jī)組中心部位，距離兩臺(tái)汽機(jī)和鍋爐距離近，方便檢修。

近年來，國內(nèi)電廠設(shè)計(jì)勇于創(chuàng)新，不斷推陳出新，主廠房布置方案也多種多樣，如比較典型的側(cè)煤倉方式。采用側(cè)煤倉布置方案，主廠房一般采用大汽機(jī)房?jī)闪惺讲贾?，煤倉間設(shè)置在兩爐之間，這樣就不能在兩爐之間設(shè)置集中控制樓了，這就需要重新考慮控制方式的選擇和集中控制室的位置。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，集控室的布置也多種多樣，有布置在主廠房固定端的，有布置在主廠房A排外的等等。

我們對(duì)幾種典型的控制室布置做了調(diào)查，見表3.1-1：

控制室的布置多種多樣，每種布置都各有優(yōu)缺點(diǎn)，控制室的布置主要是根據(jù)廠區(qū)布置、主廠房布置方式、控制方式等因素，綜合考慮運(yùn)行檢修需要確定的?？紤]本工程建設(shè)條件及廠平面優(yōu)化方案，本工程采用兩機(jī)一控控制方式，主廠房采用側(cè)煤倉兩列式布置方案，考慮A列外布置有電氣高壓設(shè)備且A列外噪音大。因此，本工程控制室布置選擇在固定端。

3.2 本工程電子設(shè)備間的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

以往工程采用大集控樓方案，一般電子設(shè)備間都布置于集控室附近，主廠房?jī)?nèi)所有控制機(jī)柜都布置在電子設(shè)備間內(nèi)。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，為節(jié)省電纜和橋架，縮小集控樓體積和占地，節(jié)約工程投資，本工程采用電子設(shè)備間分散布置方案，就是在鍋爐房和汽輪房，分別設(shè)置電子設(shè)備間，用于分別布置鍋爐和汽機(jī)的控制機(jī)柜。

電子設(shè)備間的布置受主廠房的布置、工藝設(shè)備布置的條件限制，結(jié)合本工程實(shí)際，結(jié)合控制樓布置，本工程采用物理分散原則，在汽機(jī)和鍋爐分設(shè)電子設(shè)備間用于布置鍋爐和汽機(jī)的DCS機(jī)柜，以便節(jié)省電纜和橋架，節(jié)約工程造價(jià)。具體方案如下：

1）在集控樓6.9米中間層設(shè)置#1機(jī)組汽機(jī)電子設(shè)備間，布置#1機(jī)組汽機(jī)DCS機(jī)柜、SIS系統(tǒng)機(jī)柜、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）機(jī)柜等。

2）在鍋爐房B-K0列，12-14軸之間布置#2汽機(jī)電子設(shè)備間用于布置#2汽機(jī)DCS機(jī)柜、汽輪機(jī)故障診斷系統(tǒng)（TDM）機(jī)柜等汽機(jī)相關(guān)控制機(jī)柜。

3）在兩臺(tái)鍋爐外側(cè)的K1-K3分別布置#1、#2鍋爐電子設(shè)備間，布置鍋爐DCS機(jī)柜、火焰檢測(cè)控制柜、飛灰含碳檢測(cè)機(jī)柜等兩臺(tái)鍋爐相關(guān)控制機(jī)柜。

3.3 電子設(shè)備間物理分散布置的經(jīng)濟(jì)分析

采用物理分散后，在不增加DCS系統(tǒng)投資的情況下，降低了投資，具體反映如下：

采用物理分散后，由于DCS機(jī)柜靠近被控對(duì)象，節(jié)省了大量的電纜和電纜橋架。詳見表3.3.1-1。

2.此表僅就主廠房電纜和橋架進(jìn)行分析。

通過對(duì)國內(nèi)600MW機(jī)組集控室和電子設(shè)備間布置方案的調(diào)研結(jié)果，不采用物理分散的項(xiàng)目和采用物理分散的電子設(shè)備間的面積基本相當(dāng)。

本工程由于電子設(shè)備間分散布置到了主廠房或各個(gè)輔助車間，再把其他專業(yè)的設(shè)備如電氣蓄電池、電氣配電柜等布置于主廠房，大大縮小了的控制樓，縮小后的集控樓體積只有原常規(guī)設(shè)計(jì)集控樓設(shè)計(jì)體積的四分之一到五分之一左右，以雙鴨山電廠三期工程（兩機(jī)一控）為例，控制樓體積約為36000m3，本工程控制樓體積約為9500m3，節(jié)省控制樓建筑體積約為26500m3，本項(xiàng)目所在地土建工程單位費(fèi)按590元/ m3 計(jì)算，節(jié)省土建工程造價(jià)費(fèi)用約（26500 m3X590元/ m3）/10000=1563.5萬元。

由于集控樓總體空間的減小，其空調(diào)、消防、照明等系統(tǒng)的規(guī)模也相應(yīng)減小，也節(jié)省了部分投資。

采用物理分散后，不僅可以節(jié)省投資，而且由于減少了土建、熱控、暖通等專業(yè)安裝工程量，也就縮短了安裝工期，為機(jī)組早日投產(chǎn)創(chuàng)造了條件，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.4 本工程集控室設(shè)備布置的設(shè)計(jì)優(yōu)化

本階段集控室設(shè)備布置設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案：推薦方案-固定端操作臺(tái)一字型布置、備選方案1-固定端操作臺(tái)弧型布置。

3.4.1 推薦方案-固定端操作臺(tái)一字型布置

3.4.1.2 控制方式：兩機(jī)一控。

3.4.1.3 控制樓位置

3.4.1.4 控制樓布置在汽機(jī)房固定端，縱向?qū)挾?0.0米，結(jié)構(gòu)上軸線與本期汽機(jī)房脫開0.5米，在建筑上為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，以防止振動(dòng)及噪音影響，改善運(yùn)行環(huán)境。控制樓共分0米層、9.9米層、13.7米運(yùn)轉(zhuǎn)層。

3.4.1.5 各層設(shè)備布置

a） 0米層：蓄電池室、配電間;

b） 9.9米層：熱工電子設(shè)備間、現(xiàn)場(chǎng)檢修實(shí)驗(yàn)室、空調(diào)機(jī)組間;

c） 13.7運(yùn)轉(zhuǎn)層：集中控制室、熱控工程師站、交接班室/會(huì)議室;

3.4.1.6 集中控制室主要布置設(shè)備

a） 運(yùn)行人員操作站（包括DCS操作員站、NCS操作員站、閉路電視系統(tǒng)操作員站、電氣五防操作員站等）;

b） 電視裝飾墻;

c） 電視裝飾墻上布置20臺(tái)55“液晶顯示器用于顯示DCS運(yùn)行畫面、火焰電視畫面、全廠工業(yè)電視畫面等;

d） 電視裝飾墻上還布置工業(yè)參數(shù)指示儀，用于顯示包括機(jī)組功率、頻率、時(shí)鐘等信息;

e） 值長(zhǎng)站;

f） 消防盤。

3.4.1.7 優(yōu)缺點(diǎn)

a） 控制樓占地省，電子設(shè)備間分散布置，控制樓體積小;

b） 控制樓布置于固定端方便施工組織;

c） 控制樓布置于固定端，便于建筑做景觀造型，提升電廠形象。

d） 操作臺(tái)一字型布置，占地小，空間利用效率高，控制室寬敞。

3.4.2 備選方案1-固定端操作臺(tái)弧型布置

3.4.2.1 控制方式：兩機(jī)一控。

3.4.2.2 控制樓位置：同推薦方案

3.4.2.3 各層設(shè)備布置：同推薦方案

3.4.2.4 優(yōu)缺點(diǎn)

a） 控制樓占地省，電子設(shè)備間分散布置，控制樓體積小;

b） 控制樓布置于固定端方便施工組織;

c） 控制樓布置于固定端，便于建筑做景觀造型，提升電廠形象。

d） 操作臺(tái)弧形型布置，運(yùn)行人員視角寬廣，方便運(yùn)行監(jiān)控。

3.4.3 兩個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

兩個(gè)方案中推薦方案和備選方案1控制樓布置一樣，只是控制室布置略有不同，占地、和體積是一樣的，設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮將固定端控制樓的柴油發(fā)電機(jī)房、消防鋼瓶間、公用電子設(shè)備間、汽水化驗(yàn)站、藥品庫、取樣儀表間、高溫架間等布置于主廠房，可節(jié)省建筑體積約10400 m3 。

4結(jié)論與建議

通過上文論述分析，目前600MW等級(jí)及以下電廠采用DCS物理分散方案已被廣泛而成功地應(yīng)用。實(shí)踐證明DCS實(shí)現(xiàn)物理分散布置是完全可行的，同時(shí)也可以使分散控制系統(tǒng)分散的特點(diǎn)得以更充分的體現(xiàn)，采用DCS物理分散不僅可以有效地減少電纜及橋架用量，減少施工工作量，節(jié)省投資，還可以縮短施工周期，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可以在本工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用?？刂剖也贾每筛鶕?jù)精裝修綜合考慮，不影響造價(jià)。

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作者簡(jiǎn)介：

和占強(qiáng)，（1989-），男，工程師，內(nèi)蒙古大唐錫林浩特發(fā)電有限責(zé)任公司工程設(shè)備部熱控。