探析熱電廠電氣監(jiān)控機爐電一體化設計

張永剛

(青島海西熱電有限公司,山東 青島 266000)

1 熱電廠電氣監(jiān)控的特點和范圍

在20世紀90年代之前，我國熱電廠自動化控制技術不發(fā)達，因此熱電廠的生產控制也并沒有實現高度的自動化，電氣控制與機爐控制各自獨立，兩者協調性不高。對于熱電廠而言，實現自動化控制的關鍵環(huán)節(jié)就在于如何設計電氣監(jiān)控方案、提升自動化整體監(jiān)控水平。

1.1 特點

與熱工自動化相比，熱電廠對電氣系統的控制具有以下顯著的區(qū)別特征：

(1)熱工自動化系統與電氣監(jiān)控系統相比，其設備數量及控制對象更多且操作頻次更高，而電氣監(jiān)控系統不僅設備數量更少，而且操作間隔可達數月乃至半年。

(2)電氣設備對于電壓及自動保護裝置的要求更高，比如轉速、電壓滑壓控制及調整幅度均需要控制在5 m/s以內。

(3)電氣設備系統具有比較復雜的結構，但其操作邏輯更為清晰簡潔。

1.2 范圍

熱電廠的電氣監(jiān)控系統需要將發(fā)電機、變電設備、110 kV進線電壓、廠用電及直流系統等多種設備系統涵蓋在內，并按照相應的操作邏輯完成對所有控制對象的聯動控制(含110 kV開關，發(fā)電機開關，6 kV廠用電進線、聯絡開關，400 V廠用電進線、聯絡開關，直流系統)及遠方控制。主要監(jiān)視功能針對110 kV進線、110 kV母、110 kV主變、發(fā)電機、6 kV電動機、6 kV廠用變、6 kV出線、400 kV母線進線及母聯，另外還需要對隔離刀閘、斷路器的運行參數、運行狀態(tài)進行全時監(jiān)控測量，并控制其各種保護裝置的狀態(tài)與動作。

2 熱電廠電氣監(jiān)控現有方案

實現熱電廠電氣監(jiān)控主要有以下三種方案：

2.1 方案一

采用傳統電氣監(jiān)控布局方案。將發(fā)電機控制與廠用電控制中心設置于主控制室內，對被控制的對象采用強電一對一控制，并輔以監(jiān)測儀表、指示燈和顯示屏等。這種方案具有較高的安全性和可靠性，但其缺點是安裝調試費工費時、接線方案較為復雜且后期調整監(jiān)控參數比較困難。此種監(jiān)控布局方案也不能與主機調速裝置共同協作從而實現對機組啟停順序的設置，導致不能設置個性化的控制策略以及實現對電氣設備的優(yōu)化，因此這種方案已經在實踐中被逐步淘汰。

2.2 方案二

將DCS數據采集處理中心與斷路器、位置信號等開關量直接連接。電流、電壓等初始模擬量轉換為4～20 mA的電流后輸送至DCS數據采集處理中心。此種方案的優(yōu)勢是機爐電控系統可以使用統一的界面，從而方便進行全局化管理，且不存在通信上的阻礙，因此有相當一部分熱電機組都是采用了這種方案。但其缺點是變送器的接線工作過于煩瑣且成本過高，又很難達到理想的監(jiān)控精度，且部分智能控制單元及微機保護裝置還是無法與DCS直接通信。因此這種方案不能完全滿足熱電廠電氣監(jiān)控的需要。

2.3 方案三

基于綜合的變電站自動化運行技術，使用分層、分布式的綜合電氣自動化系統來執(zhí)行監(jiān)控操作。綜合自動化系統在架構上可以分為間隔控制與站級控制兩個層級。間隔控制層的核心設備包括了發(fā)電機、主變設備、110 kV進線、6 kV線路、廠用變等的保護測控裝置。

間隔控制層的主要功能是：

(1)對一次設備實現控制與保護；

(2)對所在間隔的實時數據信息進行匯集；

(3)實施本間隔操作閉鎖功能；

(4)實現同期操作控制；

(5)執(zhí)行部分具有高度優(yōu)先級的控制命令、數據采集與分析的操作；

(6)與站級控制層實現數據信息互通。

站級控制層的主要任務是：

(1)接收經由網絡傳輸的全站實時數據并進行數據庫的隨時更新；

(2)按照既定的規(guī)則向控制中心傳輸控制相關數據信息；

(3)接收來自控制中心或調度中心的命令，并將該命令轉交至具體的間隔層以執(zhí)行該命令；

(4)對全站閉鎖控制操作進行在線編程和執(zhí)行；

(5)實現站內人機互動，包括報警、顯示信息讀數、打印控制及其他一些人機操作控制功能；

(6)對間隔層設備進行實時在線監(jiān)控、組態(tài)、維護及參數調試等。

此種方案完全符合電氣自動化的技術發(fā)展趨勢，不僅易于安裝和使用，成本也相對更有優(yōu)勢，因此已有很多熱電廠采用此方案。但這種方案也并非完美無缺。部分熱電廠的電氣監(jiān)控系統與變電站尚未完全兼容，令此種方案的應用普及受限。例如，同一集控室內機、爐和電氣分別由兩套獨立的監(jiān)控系統實現監(jiān)控，增加了熱電廠自動化系統的復雜度及維護的難度和工作量，同時與DCS的通信存在較大的難度和工作量，不能有效地實現機、爐、電統一監(jiān)控和管理，也與熱電廠自動化發(fā)展方向不相協調。

3 基于電氣監(jiān)控技術的機爐電一體化方案設計

熱電廠機爐電一體化的電氣監(jiān)控方案已經成為越來越多的熱電廠的首選方案，該方案是基于已有的電氣監(jiān)控技術結合熱電廠的生產特點發(fā)展而來的。該方案的優(yōu)勢是電氣與熱工系統之間具有較強的聯系性，令一體化協作控制成為可能，從而解決了既往熱電廠控制中的很多技術及操作難題，也令熱電廠的控制效率與生產效率得以大幅提升?？梢哉f,該方案真正體現了自動化的原則及發(fā)展方向。

在機-爐-電控制中，幾個參數的共享尤為重要。汽機進汽溫度，一段抽汽流量；鍋爐蒸汽壓力和溫度，蒸汽流量，除氧水流量；電力輸送電力負荷，功率因數等。這幾個參數是整個熱電安全平穩(wěn)運行的重要控制參數。機-爐-電各工序中,這些參數通過一體化設計，能夠做到時時共享、時時調整，并且可以進入各自的DCS控制系統實現自動調節(jié)和控制，也可在DCS控制系統中做三沖量控制和模糊控制，實現預調和預控，實現無擾動調度，使熱電各工序平穩(wěn)無級差運行。

為了機-爐-電的統一調度，各工序的控制最佳方案是合并在一個控制室內，控制設備、操作人員集中在一處，不僅有利于設備的優(yōu)化、大數據的共享，而且可使操作人員的聯系更加順暢，實現無縫調度。若沒有DCS控制系統，可以把上述參數，通過儀表輸出的4～20 mA或0～10 mA電壓信號傳輸到機-爐-電各控制室，安裝二次儀表顯示上述數據。傳輸過程中應盡量減少線纜長度，使用屏蔽雙絞線，并增加信號隔離器，以減少電磁干擾，增加數據的穩(wěn)定性。

該方案即上文所提及的方案三。該方案通過站級控制層的使用，進一步打破電氣監(jiān)控設備之間過于獨立、各自為戰(zhàn)的局面，從而能夠基于DCS控制網絡，加上相關智能化控制軟件，實現對電氣監(jiān)控系統的全程自動化控制，并使熱電廠的監(jiān)控系統成為高度融合與一體化的整體，從而令DCS與熱電廠電氣監(jiān)控實現相互協作與補充，解決了以往類似方案中系統間通信的難題，也令電氣監(jiān)控系統能夠實現更為豐富和強大的控制功能。

方案三中的間隔控制層包含智能測控及防護裝置，該裝置的特點是基于編程控制實現了高度的智能化，從而能夠對電氣信號進行監(jiān)控。該方案與其他類似方案相比具有無可比擬的突出優(yōu)勢，因此在本文設計的熱電廠機爐電一體化的電氣監(jiān)控方案中，間隔控制層也具有一定的技術先進性。間隔控制層設備與負責測控、保護的智能化裝置可以通過通信管理機及網絡進行通信，并與DCS控制網絡使用共同的通信協議，從而防止通信中任何障礙的產生，確保通信及控制的暢通無阻。

4 結束語

綜上所述，本文結合上文的方案三與方案二，設計出一種結合了多種技術優(yōu)勢的熱電廠機爐電一體化的監(jiān)控方案，令三大體系之間實現緊密聯系與共同控制，以及能夠通過編程實現智能化、自動化的全時監(jiān)控，同時還對強電控制系統進行了改進，確?？刂撇僮鞯目煽啃?。