1000MW级超超临界机组分散控制系统(DCS)的设计研究
梁柏宏 (西北电力设计院,陕西西安,710075)
摘 要:本文对邹县电厂四期工程1000MW超超临界机组分散控制系统(DCS) 的设计进行了详尽的分析和介绍,总结了超超临界机组分散控制系统(DCS) 的设计经验。
关键词:分散控制系统(DCS) ;配置;FF现场总线
1.1 华电国际邹县发电厂四期工程为国内首批2X1000MW国产化超超临界燃煤机组。锅炉为东方锅炉(集团)生产的超超临界参数变压运行直流炉,旋流燃烧器,前后墙对冲布置,尾部双烟道,烟气挡板调节再热汽温,喷水减温调节过热汽温,一次中间再热、平衡通风,三分仓容克式回转空气预热器,刮板捞渣机连续固态排渣。锅炉最大连续蒸发量为3033t/h,过热蒸汽出口压力为26.25MPa,过热蒸汽出口温度为605℃,再热蒸汽流量为2469t/h,再热蒸汽出口温度为603℃。
锅炉运行方式:带基本负荷并参与调峰。每台锅炉共设有48只旋流燃烧器,燃烧器分前后墙各3排,每排设8只燃烧器,每排燃烧器由同一台磨煤机供给煤粉。锅炉采用二级点火方式,高能电火花点火器—主油枪—煤粉燃烧器。
1.2 制粉系统采用双进双出钢球磨正压直吹制粉系统,每台炉配6台双进双出钢球磨煤机,TRL工况燃烧设计煤种时,5台运行1台备用。
1.3 给水系统采用单元制,系统采用2X3台50%容量的双列高压加热器。每列高加分别设给水大旁路。系统设2台50%容量的汽动给水泵,1台25%容量BMCR容量的电动启动/备用给水泵。
1.4 汽机由东方汽轮机有限公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽。汽轮机旁路为27%容量高压一级大旁路。循环水系统为单元制。
2.1 分散控制系统DCS是控制机组安全运行的核心设备,其软件、硬件设备的可靠性,尤其是设备集成商对调节系统、控制逻辑的设计、组态能力是设备选型的重点因素,对此,邹县四期工程对分散控制系统DCS的选型确定如下原则:
在国外应具有1000MW等级超超临界机组成熟的应用业绩;
由具有业绩的国外设备供应商提供技术支持,并由技术支持方担任本项目的主要技术负责人,且有书面保证协议。
2.2 通过招标确定采用西屋公司的OVATION控制系统,实践证明以上设备选型原则保证了工程的顺利实施。
3.1 本工程分散控制系统(DCS)功能包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、顺序控制系统(SCS,含电气控制)、循环水泵房、凝结水精处理系统、燃油泵房控制等。两台单元机组的控制分别由两套DCS实现,公共系统(凝结水再生系统、燃油泵房及空压机、厂用电源公用系统等)的控制由DCS公共系统实现。循环水泵房、燃油泵房、凝结水精处理系统分别采用远程I/O站控制方式,远程I/O柜与机组DCS间采用冗余光纤通讯连接。
3.2 炉顶壁温、发电机本体温度及汽机轴封系统采用FF总线控制方式,FF总线柜与机组DCS间采用冗余光纤通讯连接。
3.3 模拟量控制系统(MCS)能够满足机组启停、定/滑压运行和RUN BACK工况的所有要求,保证机组在不投油稳燃负荷至100%MCR负荷范围内,控制运行参数不超过允许值。协调控制包括协调控制方式,炉跟踪方式,机跟踪方式,手动控制方式等。
3.4 SCS采用功能组级/功能子组级和设备级顺序控制,通过LCD和键盘发出启停指令,可以实现功能组级/功能子组级和设备级中所有设备的顺序启停控制。
3.5 炉膛安全监控系统(FSSS)能够在锅炉正常工作和启动等各种运行方式下,连续地监视燃烧系统的参数和状态,并在出现任何危及锅炉安全运行的工况时,快速切断所有进入炉膛的燃料,以保证锅炉安全,避免事故发生或限制事故进一步扩大。
3.6 数据采集系统(DAS)能够连续监视机组的各种运行参数,提供完整的报警信息,跳闸事件的顺序记录(SOE)、指定参数的定时制表,趋势记录及事故追忆打印等。跳闸事件的顺序记录(SOE)的设置均在同一控制器内完成。
3.7 DCS与SIS系统通过专用的OPC接口站将DCS数据传送至SIS网络。
3.8 DCS通过RS485口同DEH系统、电气网控系统及其他辅助系统进行通讯,主要信号采用硬接线。
3.9 锅炉MCS、FSSS控制系统
3.9.1 锅炉主要MCS控制系统包括:
l 启动控制系统–保持在机组启动/停止时流过水冷壁的流量为25%MCR。包括锅炉循环水控制(360阀)和汽水分离器储水箱液位控制(361 阀)2个控制回路。
l 给水流量控制—控制锅炉蒸发量
l 水燃比控制—控制主蒸汽温度
l 主蒸汽压力控制–汽机高压旁路阀关闭后,水-燃料比主控完成压力控制直到直流状态。
l 主汽温控制
l 再热汽温控制
l 风量控制
l 炉膛压力控制
l 磨煤机控制
l 燃油流量控制
3.9.2 锅炉FSSS控制系统主要包括:
l 油//煤燃烧器点火逻辑
l 油//煤燃烧器火焰监测
l MFT挑闸逻辑—如主蒸汽压力高、给水流量低、临界火焰丧失(1/4燃烧器熄火)、再热器保护等
3.9.3 DCS根据锅炉厂提供的锅炉MCS/FSSS控制要求,完成控制系统的组态,实际运行情况良好。
4.1 网络配置
4.1.1 单元机组网络配置
OVATION系统的通讯设备采用快速以太网交换机, 网络为单层的,点对点的对等结构的冗余的100Mbps的一体化的快速以太网,系统中不需要任何网关。数据库为Oracle全嵌入式、分散形的关系数据库, 系统能将数据管理分散嵌入到网络上的对应的站点中, 任何站点的工作均不需要彼此依赖,使得系统在数据管理上真正做到了彻底地分散。
单元机组DCS 提供了2对冗余交换机, 用于单元机组控制器, 操作员站,工程师站等的通讯。
4.1.2 公用系统网络配置
公用系统配置了独立的1对冗余交换机用于公用控制器的通讯。在最高一层上,配置了1对冗余的中心交换机,通过中心交换机,机组可控制公用系统。
公用系统与各机组的子系统之间采用标准的TCP/IP网络通讯,保证了所有系统之间的无缝联接,从而保证了系统的可靠性。
4.2 控制系统配置
4.2.1 配置原则
4.2.1.1单元机组控制系统及I/O分配原则
(1)顺序控制系统(SCS)的控制处理器和I/O柜根据工艺系统统筹配置,发电机/变压器组及厂用电源系统的控制处理器单独配置。控制机柜都集中布置在集控楼17.0米层电子设备间内。
(2)数据采集系统(DAS)不单独配置控制器,根据工艺系统的功能分散在SCS控制器内。
(3)对于炉顶壁温检测和发电机本体温度点等相对集中的温度测点采用FF现场总线方式,机柜布置在现场。
(4) 循环水泵房控制采用远程IO站的方式、控制器和I/O端子柜布置在循环水泵房电子设备室内。
(5)凝结水精处理混床部分采用独立的控制器,控制器和I/O端子柜布置在凝结水精处理控制室内。
4.2.1.2 DCS公用控制系统及I/O分配原则
(1)燃油泵房、空压机系统设1对控制器,控制器布置在集控楼17.0米电子设备间,燃油泵房以远程I/O柜方式布置在燃油泵房内就地电子设备间。
(2)凝结水再生系统设置1对独立的控制器,机柜布置在凝结水精处理控制室内。
(3) 电气厂用电公用系统设置2对独立的控制器,机柜布置在集控楼17.0米电子设备间。
(4) 电气220kV公用系统设置远程I/O柜,布置在网控楼内。
4.2.2 单元控制器具体分配为:
4.2.2.1 单元机组配置:
l SCS(电气):3对
l MCS:7对
l FSSS:7对
l SCS/DAS:13对(机侧7对,炉侧5对)
4.2.2.2 公用系统配置:
l 电气共用系统:2对
l 凝结水精处理再生系统:1对
l 燃油系统泵房、空压机:1对
4.2.3 I/O卡件配置及IO点数
4.2.3.1 I/O卡件类型:
l DI卡件—数字量输入卡件,16通道
l DOC卡件—16通道,每个DO输出信号采用继电器输出,继电器位于端子板上。用于交流回路。
l DOX—12通道,每个DO输出信号采用继电器输出,用于直流回路,对于大电流直流回路,需要外接中间继电器。
l AI卡件—模拟量输入卡件,16通道,用于mA信号输入。
l HAI卡件—16通道,用于带HART协议的变送器mA信号输入
l RTD卡件—8通道,热电阻输入卡件。
l TC卡件—8通道,热电偶输入卡件。
l AO卡件—模拟量输出卡件,4路模出。
l PI卡件—2通道,脉冲量输入卡件。
l 快速采集卡件(SOE)-用于SOE点的采集。
l 接口卡LC卡-用于DCS与其它控制系统的通讯。
4.2.3.2 单元机组I/O点为11808点(不包括备用点),其中单元机组SOE为132点(含电气点),公用系统I/O点为1239点(不包括备用点)。具体IO点为:
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系统 |
实际IO点数 |
设计IO点数 |
备 注 |
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单元机组 |
锅炉 |
6333 |
5723 |
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汽机 |
3493 |
3158 |
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远程I/O(FF) |
344 |
470 |
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循环水泵房 |
278 |
224 |
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电气 |
929 |
2275 |
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合计 |
11377 |
11850 |
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公用系统 |
电气公用 |
658 |
862 |
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凝水精处理 |
872 |
1130 |
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空压机 |
77 |
100 |
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燃油泵房 |
63 |
70 |
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合计 |
1670 |
2162 |
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总计 |
13047 |
14012 |
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5 机柜配置
5.1 DCS机柜按功能配置,包括控制柜和端子柜,控制柜内安装控制器和各类卡件,端子柜内安装端子接线板,DO端子板上带有输出继电器。
5.2 机柜的具体分配为:
l FSSS:控制柜—7面,扩展柜—6面
l SCS:控制柜—11面,扩展柜—12面
l MCS:控制柜—7面,扩展柜—4面
l ECS:控制柜—3面,扩展柜—3面
l 循环水泵房:控制柜—1面,扩展柜—1面
l 凝结水混床:控制柜—1面,扩展柜—1面
l 机组公用系统:控制柜—1面
l 电气公用系统:控制柜—2面,扩展柜—1面
l 凝结水公用系统:控制柜—1面,扩展柜—1面
l 单元机组电源柜:1面
l 单元机组交换机柜:1面
l 公用系统电源柜:1面
l 公用系统网桥柜:1面
6.1 现场总线技术作为新兴的控制技术,在有效降低安装工作量、提供更丰富的设备信息量、设备远程维护、诊断等方面具有极大的优势。
6.2 本工程对现场总线技术也进行了大胆的尝试,设计院会同建设单位经过广泛的调研和论证,确定在主厂房轴封供汽压力调节回路,锅炉管壁金属温度检测,发电机本体温度检测等处采用FF现场总线技术,FF总线的总I/O点数约为350点。
6.3 在现场总线通讯协议的选择上,充分考虑分散控制系统DCS的兼容性,最终选择了西屋分散控制系统DCS支持的FF协议,并利用同为西屋公司开发的总线产品,与DCS控制系统实现无缝连接,保证总线通讯的畅通。
6.4 现场总线系统由网关、现场总线H1通讯卡、电源隔离器与现场测量元件组成。网关负责控制器与现场总线设备的通讯,网关与现场设备间的数据交换通过H1卡来实现,每个网关可以挂两块H1卡。每块H1卡有两个端口,一个端口就是一个段。从现场来的总线通讯电缆接在电源隔离器上,电源隔离器给现场测量元件提供电源并接受现场发来的信号,并把现场电源与总线电源隔离。现场总线设备为24V DC两线制供电,信号与电源通过通讯总线传输。
6.5 锅炉管壁金属温度检测,发电机本体温度检测采用了Rosemount的848T产品,它是基于现场总线通讯的8通道温度变送器,每段现场总线可以接128个温度点。锅炉壁温配置2个机柜,布置在就地,每个机柜内有2个段,现场信号接至现场机柜内,每个段用一根总线通讯至电子间机柜。发电机线圈温度配置1个现场机柜,机柜内有2个段。
6.6 轴封控制系统设5个调节回路和3个压力变送器,调节阀和压力变送器设在一个总线段上,通过2个现场接线盒和1根通讯电缆连接至电子间机柜。
6.7 现场总线设备调试期间存在的问题:
6.7.1在调试期间,锅炉壁温测点有时候某一段上的点全部坏死,换一个通道口又会重新恢复。经西屋公司与美国技术支持方的研究,确定新推出的FF软件存在Bug,后对软件进行了升级,现问题已解决。
6.7.2 在#7调试期间曾试图将轴封压力调节回路的控制策略下装到调阀中,但由于对西门子的阀门定位器中的参数设置不熟悉,造成下装后就锁住,无法实现控制,之后将控制策略方在DCS控制器中,该问题得以解决。在#8机调试期间解决了参数设置问题,成功地将控制策略下装到阀门中。
为了保证控制效果,使FF总线的循环周期相对固定,实际运行中仍然将控制策略放在DCS控制器中。
6.8 经过不断的摸索和调试,现场总线系统与DCS控制系统很好地融合在一起。
6.9根据我院在邹县工程上的应用经验,在现阶段现场总线技术还不适合大规模使用,其使用的出发点在于节省大量电缆、降低造价,提高经济性,因此,其应用范围应是以开关量控制为主,测点和被控设备较集中,且对控制速度要求不高,系统相对独立的辅助车间可考虑采用现场总线技术,如锅炉补给水处理、凝结水精处理系统等。在主厂房远程IO部分,也可考虑采用现场总线技术,除此之外,任何系统的局部采用现场总线技术均不能体现其经济性优势,且增加了总线设备的投资。
人机接口站主要用于过程监视,操作记录等,每台机组包括:
l 操作员站:5套,其中每套1个21"LCD彩色显示器。
l 工程师站:2套,配2个21"LCD彩色显示器。
l 历史数据站:1套,配1个21"LCD彩色显示器。
l OPC接口站:1套,配1个21"LCD彩色显示器。
l 打印机:黑白点阵式宽行打印机2台,黑白激光打印机1台,彩色激光打印机1台。
邹县四期工程在设计中随DCS系统每台机组配备一套西屋公司的AMS 智能设备管理系统,用于对智能仪表、智能阀门定位器等设备进行在线组态、调试、校验管理、诊断及历史事件记录管理等,能够更有效的管理现场设备。其范围包括所有智能变送器(HART协议)400点左右、FF现场总线设备(锅炉壁温、发电机线圈温度)344点,轴封系统压力调节阀5个点,AMS管理的设备合计约750点。
9 总结
9.1 由于华电集团明确在火力发电厂不采用大屏幕显示器,为此两台机组共设置6台63吋等离子电视,与LCD操作员站同时作为运行人员与工艺系统的界面。
9.2 本工程应业主要求凝结水精处理系统纳入DCS控制,这与电厂运行管理有关系。从回访情况看,电厂对凝结水精处理系统纳入DCS控制比较满意。
9.3 邹县工程发电后,西屋公司对控制器的配置数量进行了评估,认为单元机组MCS目前配置的7对控制器偏多,用3对即可;FSSS目前配置的7对控制器可以满足最复杂的情况,考虑风险分散后,一般4对即可;机侧SCS目前配置7对控制器,用5对即可。这是西屋公司的观点,但是,从设计院到现场回访所了解的情况看,电厂认为目前控制器配置比较合适,这反映了不同的人是从不同角度考虑同一问题,从电厂安全运行考虑,设计院认为目前配置的控制器对数比较合适。
9.4 在招标阶段由于当时国内集成商还没有1000MW机组DCS运行业绩,所以要求DCS由国外设备供应商提供技术支持,并有书面保证,但实际情况是在签订技术协议时外方参与了,实际设计时国内DCS厂商与国外技术支持方接触过,而作为业主及设计院并没有与国外技术支持方真正交流过,说明作用并不太大。随着1000MW机组的相继投产,由于已有1000MW机组DCS运行业绩,对于后续工程,建议不再要求由国外设备供应商提供技术支持。
来源:http://www.best-gk.com/html/DCS/guochanDCS/200812/10-124.html

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