燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組現(xiàn)場總線技術設計與實施

張 鵬 ，付闖闖 ，王明達

（1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北石家莊 050031；2.河北省電力勘測設計工程技術研究中心，河北 石家莊 050031）

0 引言

現(xiàn)場總線技術是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信手段，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間信息傳遞的問題[1]?，F(xiàn)場總線技術在國內(nèi)外流程工業(yè)、交通、石化、樓宇等行業(yè)的自動化系統(tǒng)中有成功的應用，但在電力行業(yè)應用較晚。

21世紀是數(shù)字化時代，隨著計算機技術、通信技術和控制技術的跨越式發(fā)展，電力企業(yè)充分意識到數(shù)字化、信息化對電廠監(jiān)控和管理的重要作用。電力企業(yè)生產(chǎn)信息化主要分為3層：上層為廠級管理監(jiān)控信息層，中層為生產(chǎn)級實時監(jiān)控層，下層為現(xiàn)場設備層。上層通過信息管理系統(tǒng)，中層通過分散控制系統(tǒng)和可編程控制系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)了監(jiān)控層的數(shù)字化[2]。但由于火電廠工藝系統(tǒng)的復雜性，各工藝單元間的強關聯(lián)性，以及生產(chǎn)環(huán)境的多變性，造成現(xiàn)場設備層無法真正實現(xiàn)數(shù)字化，導致火電廠數(shù)字化在數(shù)據(jù)采集的源頭存在短板。本文將通過現(xiàn)場總線技術在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的具體實施案例，從方案設計與實施角度，詳細介紹燃機電廠各工藝系統(tǒng)現(xiàn)場總線配置方案，真正實現(xiàn)現(xiàn)場設備層的數(shù)字化，為構建信息化、數(shù)字化電廠提供數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)場總線技術實施案例分析

1.1 項目概況

某燃機電廠配置2×200 MW級燃氣-蒸汽雙軸聯(lián)合循環(huán)供熱機組。機組采用1臺燃氣輪機發(fā)電機組+1臺余熱鍋爐+1臺汽輪發(fā)電機組的多軸形式，燃氣輪機發(fā)電機組和汽輪發(fā)電機組不同軸布置。

1.2 現(xiàn)場總線的應用范圍

主廠房和輔助車間控制采用1套設備層應用現(xiàn)場總線的分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）完成控制。燃機控制系統(tǒng)、燃機保護系統(tǒng)、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)、汽輪機危急遮斷保護系統(tǒng)、順序事件記錄等對機組的安全運行至關重要，回路處理速度要求高，本工程對上述系統(tǒng)仍采用成熟的常規(guī)控制技術。此外，考慮到機組運行安全，機組高壓電動機及重要電源開關的合/分閘指令信號、狀態(tài)反饋信號仍然采用常規(guī)的硬接線方式接入DCS系統(tǒng)，其他信號通過現(xiàn)場總線通信接口接入DCS系統(tǒng)。儀表及控制類設備，包括壓力、差壓、液位、電動執(zhí)行機構、氣動定位器、電磁閥閥島以及電氣類的380 V帶智能控制保護的斷路器、380 V框架斷路器、變頻器，采用現(xiàn)場總線設備，溫度、分析儀表仍采用常規(guī)儀表。為便于設備選型和提高現(xiàn)場總線網(wǎng)段中現(xiàn)場總線設備的響應速度，本燃機電廠混合采用現(xiàn)場總線外圍設備Profibus DP（process fieldbus decentralized periphery）和基金會現(xiàn)場總線FF（foundation fieldbus）這兩種現(xiàn)場總線技術[3]，對于開關型和調(diào)節(jié)型閥門的電動控制裝置、電動機、閥島及變頻裝置等，采用Profibus DP冗余接口，掛接在Profibus DP總線網(wǎng)段上；對于變送器、氣動調(diào)節(jié)閥等設備采用FF H1接口類型。

1.2.1 主廠房余熱鍋爐和汽機部分

主廠房余熱鍋爐和汽機部分采用現(xiàn)場總線技術的系統(tǒng)有余熱鍋爐高壓給水控制系統(tǒng)、余熱鍋爐低壓給水控制系統(tǒng)、余熱鍋爐除氧控制系統(tǒng)、余熱鍋爐疏排水控制系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、真空泵組系統(tǒng)、循環(huán)水及開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)等。其中，高壓汽包水位調(diào)節(jié)、低壓汽包水位調(diào)節(jié)、減溫水控制、煙道煙溫監(jiān)測、主蒸汽及旁路系統(tǒng)、凝汽器真空、汽輪機工業(yè)抽汽系統(tǒng)、汽水取樣、化學加藥等采用常規(guī)控制方式。主廠房余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機（不含燃氣輪機及發(fā)電機部分）總的監(jiān)視、控制點數(shù)約為3 200點。主廠房控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單如表1所示，主廠房控制系統(tǒng)總線設備清單如表2所示，主廠房控制系統(tǒng)FF總線配置清單如表3所示，主廠房控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單如表4所示。

表1 主廠房控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單點

表2 主廠房控制系統(tǒng)總線設備清單個

輔助車間及公用系統(tǒng)包括化學補給水系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥、空壓機房、天然氣調(diào)壓站、循環(huán)水泵房、機力冷卻塔等，其中化學補給水及凈水處理系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。公用控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單如表5所示，公用控制系統(tǒng)總線設備清單如表6所示，公用控制系統(tǒng)FF總線配置清單如表7所示，公用控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單如表8所示。

表3 主廠房控制系統(tǒng)FF總線配置清單

表4 主廠房控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單

表5 公用控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單點

表6 公用控制系統(tǒng)總線設備清單個

1.2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡配置

網(wǎng)絡配置的硬件主要包括網(wǎng)絡柜、控制柜、IO通信柜、儀表接線盒以及總線電纜。對于FF現(xiàn)場總線和Profibus現(xiàn)場總線，上層網(wǎng)絡結(jié)構是相同的，區(qū)別僅僅在于控制柜內(nèi)的總線卡件、通信模塊和就地側(cè)的配置方案。網(wǎng)絡柜和控制柜布置在電子設備間內(nèi)，網(wǎng)絡柜中布置冗余核心交換機，控制柜中布置冗余電源模塊、冗余控制器FCP270、冗余通信模塊。

表7 公用控制系統(tǒng)FF總線配置清單

表8 公用控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單

余熱鍋爐部分FF現(xiàn)場總線配置按照就近且靠近總線設備相對集中的原則布置，IO通信柜布置在現(xiàn)場，就地側(cè)冗余通信模塊FBM228通過冗余光纖實現(xiàn)與控制柜中控制器數(shù)據(jù)通信。FF總線接線盒通過樹形結(jié)構點對點接入FF總線設備。

余熱鍋爐部分Profibus現(xiàn)場總線配置：IO通信柜仍然布置在現(xiàn)場，就地側(cè)冗余通信模塊FBM222通過冗余光纖實現(xiàn)與控制柜中控制器數(shù)據(jù)通信。Profibus DP設備通過總線電纜串行接入到總線通信模塊FBM222。

2 現(xiàn)場總線的設計和施工總結(jié)

2.1 現(xiàn)場總線設計總結(jié) [4-5]

a）系統(tǒng)冗余度考慮。對于重要的工藝系統(tǒng)或互為備用的工藝設備，網(wǎng)段劃分應采用雙冗余網(wǎng)絡（即A/B雙網(wǎng)段）。

b）充分考慮系統(tǒng)通信速率。保證控制器的掃描周期與現(xiàn)場總線的宏周期（對FF H1總線）或現(xiàn)場設備的輪詢刷新周期（對Profibus PA總線）之間的合理匹配。

c）合理規(guī)劃系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)段劃分。根據(jù)工藝流程，將全廠控制系統(tǒng)劃分為若干總線網(wǎng)段，同一控制系統(tǒng)或控制回路的儀表和控制對象應接入同一總線網(wǎng)段內(nèi)，冗余配置的總線儀表或總線設備應分別劃分到同一系統(tǒng)的A/B網(wǎng)段。

通過圖5、圖6可以看出，新型擴孔鉆頭在鉆頭穩(wěn)定性上有較大的改進：導向鉆井模式下鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)(定義為瞬時時刻鉆頭橫向力與軸向力比值)為0.085 6，如圖5所示；復合鉆井模式下鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)為0.093 1，如圖6所示。常規(guī)擴孔鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)大于0.2[2，6-7] ，該系數(shù)的降低說明新型擴孔鉆頭的鉆進穩(wěn)定性增強，且鉆頭領眼段切削齒的偏磨現(xiàn)象將大大減少，鉆頭使用壽命得到較大幅度的提高；同時，鉆頭橫向不平衡力系數(shù)的降低還有助于提高擴孔井壁質(zhì)量。

d）按照通信速率的要求和現(xiàn)場距離要求，合理確定每個網(wǎng)段上掛接的總線設備數(shù)量。對于FF H1總線網(wǎng)段，用于控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設備數(shù)量不得超過6個；用于非控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設備數(shù)量不得超過該標準規(guī)定的最大數(shù)量12個。對于Profibus DP總線，每個網(wǎng)段現(xiàn)場總線設備數(shù)量不應超過該網(wǎng)段上規(guī)定最大數(shù)量的30%～40%。

e）應考慮電磁的干擾問題，對于距離較遠的現(xiàn)場總線設備，應考慮使用光纜或中繼器。

2.2 現(xiàn)場總線施工總結(jié)

現(xiàn)場總線技術對施工安裝要求比較高，施工單位除了按照GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》和DL 5190.4—2012《電力建設施工技術規(guī)范第4部分：熱工儀表及控制裝置》執(zhí)行外，還應嚴格執(zhí)行現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)廠家提供的安裝作業(yè)說明書。

a）總線電纜的敷設和接頭連接。電纜鋪設時不要繃得過緊，否則會引入應力；確保電纜在電纜槽盒內(nèi)與動力電纜分離。

b）網(wǎng)段線路調(diào)試。建立總線設備與DCS側(cè)總線卡件的通信，通過現(xiàn)場總線監(jiān)視器掛接到總線網(wǎng)段上，逐次按壓現(xiàn)場總線監(jiān)視器上的“模式”進行不同的檢測，現(xiàn)場總線監(jiān)視器將在顯示屏上顯示數(shù)值及測試結(jié)果正?；虍惓！?/p>

c）總線電纜在電纜豎井中敷設時，應與其他動力電纜或控制電纜分隔開，避免產(chǎn)生電磁干擾。

d）總線電纜在現(xiàn)場敷設時，不應與其他電纜共用電纜槽盒，應單獨敷設在專用電纜槽盒內(nèi)，避免電磁干擾。

3 現(xiàn)場總線技術實施中存在的問題和建議

3.1 現(xiàn)場總線技術在實施中存在的問題 [6]

a）施工安裝和現(xiàn)場調(diào)試技術要求高。采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作量降低，但對施工單位的技術要求明顯提高。如現(xiàn)場總線儀表接口接線、通信電纜的分支連接、總線電纜敷設、光纖的熔接等，有些需要使用專業(yè)設備和工具，有些需要進行專門的培訓和技術指導。

b）現(xiàn)場總線產(chǎn)品選型范圍少、國產(chǎn)化水平低。目前，現(xiàn)場總線儀表主要是進口品牌，國產(chǎn)品牌較少，在技術水平和性能方面與國際水平差距較大。國產(chǎn)電動執(zhí)行機構總線設備和帶智能控制及保護的斷路器基本滿足了電廠的控制要求，從實施的效果看，總體性能不錯。

c）協(xié)調(diào)工作困難。工藝設備為成套配供控制裝置和儀表儀器，但由于廠家設計人員對現(xiàn)場總線技術認識度較低，參與性不強，影響了整體設計水平，加之國內(nèi)工程進度緊迫，增加了協(xié)調(diào)工作的困難，不利于全廠現(xiàn)場總線設備的規(guī)劃和使用。

3.2 現(xiàn)場總線技術實施的建議

a）開展多方位技術交流。設計院、業(yè)主、施工單位應加強技術交流和儲備，努力學習現(xiàn)場總線技術的有關知識，增強現(xiàn)場總線的實際應用能力，并及時總結(jié)現(xiàn)場發(fā)生的問題，改進現(xiàn)場總線設計問題和施工安裝問題。

b）性能綜合評判。項目初期應綜合分析和確定項目現(xiàn)場總線技術應用的原則和范圍，明確哪類儀表和設備采用現(xiàn)場總線技術，盡早明確項目現(xiàn)場總線實施方案，為項目的設計、設備采購和施工打好基礎。

c）加強與DCS廠家的交流和協(xié)調(diào)。設計方案應綜合考慮網(wǎng)段劃分和現(xiàn)場實際布置位置，設計方、施工方和DCS廠家三方應共同對現(xiàn)場總線配置方案進行評審，緊密配合，相互協(xié)調(diào)。

d）嚴把設備質(zhì)量關，注重通信測試工作。采用現(xiàn)場總線的儀表和控制設備必須在設備供貨前由供貨商送至控制系統(tǒng)DCS廠家進行測試，并出具測試報告，避免在現(xiàn)場施工調(diào)試過程中發(fā)生設備通信故障，使現(xiàn)場總線設備無法接入DCS系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本項目燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組采用現(xiàn)場總線技術，機組投運后運行安全、可靠。本案例的成功實施為同等類型的工程設計提供了一定的設計依據(jù)和參考，同時也為數(shù)字化電廠的應用和實施提供了借鑒。項目各方只有充分認識現(xiàn)場總線技術的優(yōu)點，在項目實施過程中不斷完善和細化技術方案，才能保證現(xiàn)場總線技術的正確實施，真正發(fā)揮現(xiàn)場總線技術的信息化、數(shù)字化優(yōu)勢，為數(shù)字化電廠的建設打好基礎。