大型火电厂分散控制系统设计新进展_许继刚

第3 9卷中 国 电 力 大型火电厂分散控制系统设计新进展 许继刚 中国电力工程顾问集团公司 北京1 0 0 0 1 1 摘要 继2 0 0 0年燃煤示范电站后 新一轮高参数 大容量火电机组正在加紧建设 大型火电厂分散控制 系统 D C S 的设计已发生了很大变化 D C S的功能覆盖范围已扩充至电气控制系统 汽轮机数字电液控制系 统 D E H 和其他常规的独立控制系统 单元机组公用部分由单独设计的 D C S公用网络进行控制 大型空冷 控制系统和大型循环流化床 C F B 锅炉控制系统开始直接纳入D C S 海水脱硫控制系统和有些工程的脱硝控 制系统也由D C S进行控制 论述了主要的设计方案 并就设计中容易出现的问题给出合理化建议 关键词 火电厂 控制系统设计 分散控制系统 中图分类号 T M 6 2 1 T K 3 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 9 6 4 9 2 0 0 6 1 0 0 0 8 4 0 4 收稿日期 2 0 0 6 0 7 2 8 修回日期 2 0 0 6 0 8 1 0 作者简介 许继刚 1 9 6 4 男 山东泰安人 高级工程师 教授级 从事电厂自动化的设计 研究 开发 咨询和审查等工作 E m a i l j g x u c p e c c n e t 0引言 随着国民经济的快速发展 电力建设正处于建 国以来增长速度最快的时期 一大批高参数 大容量 的火电机组正在设计和施工 新一代大型燃煤火电 机组的控制方式与控制水平也随着科学技术的进步 和管理水平的提高而发生着变化 作为机组主要控 制系统的D C S 从最初随进口机组成套引进 然后 逐步在国产机组上进行试点 到在国内大型机组上 全面推广应用 已经历了近2 0 a的发展历史 近期 设计的D C S 一方面已在常规燃煤火电机组的控制 结构和控制范围上发生了巨大变化 另一方面随着 空冷系统 脱硫系统 脱硝系统 大型C F B锅炉等新 工艺的产生也相应发生了变化 本文针对国内大型 燃煤电厂D C S的设计现状和发展进行分析讨论 并 对设计中的一些关键问题给出建议 1 D C S功能范围的扩展 D C S最初在国内燃煤电厂应用时 其功能覆盖 范围仅包括数据采集与处理系统 D A S 和模拟量控 制系统 M C S 然后扩展至顺序控制系统 S C S 与锅 炉炉膛安全监控系统 F S S S 作为D C S的主要子系 统 以上4项功能目前在国内的应用已相当成熟 是 原电力规划设计总院颁发的标准G R K 9 5 5 1 火 力发电厂分散控制系统 D C S 技术规范书 的主要 功能子系统 应原国家电力公司的要求 电力规划设计总院 组织有关单位对 火力发电厂分散控制系统 D C S 技术规范书 进行了修订 在新修订的标准 目前为 中 国 电 力 工 程 顾 问 集 团 公 司 技 术 标 准Q D G 1 K 4 0 1 2 0 0 4 中 经过全国各方面专家的反复讨论 仍然将以上4项功能作为D C S的主要功能子系统 但实际上近几年D C S的应用范围已发生了很大变 化 具体体现在以下几个方面 首先 电气控制纳入D C S已得到普遍推广 在 新版 火力发电厂分散控制系统 D C S 技术规范书 的S C S中 已将电气发电机 变压器组和厂用电系 统的控制作为S C S的一部分 这说明电气发电机 变压器组和厂用电系统的控制纳入D C S已相当成 熟可靠 通过D C S 已可实现单元机组的炉机电一 体化控制 为全能值班创造了条件 其次 D E H电子部件与D C S的软硬件一体化已 基本可以实现 D E H是电厂的另一重要控制系统 传统上都是由汽轮机厂成套提供1套独立的控制系 统 进入2 0世纪9 0年代以后 除个别项目如深圳妈 湾电厂将D E H用D C S硬件实现以外 绝大部分电 厂的D C S与D E H都很难结合在一起 作为过渡方 案 曾提出了D E H与D C S进行串行通信的设计方 案 该方案在2 0世纪9 0年代的工程设计中得到了 广泛应用 但由于种种原因 推广D E H电子部件与 D C S软硬件一体化的方案在工程实施过程中阻力 一直很大 只到近2 a 经过各方努力 采取D E H由 中 国 电 力 E L E C T R I CP O WE R 第3 9卷第1 0期 2 0 0 6年1 0月 V o l 3 9 N o 1 0 O c t 2 0 0 6 8 4 许继刚 大型火电厂分散控制系统设计新进展第1 0期 汽轮机供货商负责并提供与D C S相同软硬件的方 式才逐步解决了这一问题 目前经过多个项目的实 践检验 D E H电子部件与D C S的软硬件一体化已开 始走向成熟 除此之外 汽轮机紧急跳闸系统 E T S 的电子 部件由传统的可编程控制器 P L C 改由D C S进行控 制也已取得成功业绩 电气发电机 变压器组与厂 用电 D E H与E T S成功纳入D C S标志着通过 D C S 已可以实现对炉机电整套单元机组的检测 调节 报 警和保护等全面的控制 另外 传统的一些独立控制系统 如给水泵汽轮 机电液控制系统 M E H 旁路控制系统 B P S 吹灰 程序控制系统 定期排污程序控制系统 主要辅机的 油站控制系统等在近几年都先后纳入D C S进行控 制 一些辅助公用系统如凝结水精处理系统 除灰渣 程序控制系统 燃油泵房 空压机站 暖通空调控制 系统也在不同的工程中有不同程度的应用 在D C S功能扩展的方案设计中 有一个问题值 得关注 就是在最近有些工程的设计中 电气部分又 单独设计了1套电气厂用电监控系统 再通过接口 传给D C S 在这些工程的设计中 电气厂用电监控 系统与D C S的接口数量和通信点数量不尽相同 有 的工程甚至多达十几个接口 5 0 0 0点左右的通信 量 有些工程的实际应用中已出现了操作显示响应 速度慢 接口不匹配等问题 因此 在此类方案设计 时 接口的设计尤其重要 为了确保D C S的安全可 靠 一方面应尽量减少厂用电监控系统与D C S的接 口数量 另一方面还应控制两者之间的通信点数量 2 D C S公用网络的设置 笔者在 2 0 0 0年发电厂自动化设计展望 一文 中 曾对D C S如何实现2台单元机组公用部分的控 制进行了讨论 文中提出了3种方式 方式1是公用 部分进入1号机组D C S某站 再由1号机组传输至 2号机组 方式2是公用部分同时进入1 2号机组 D C S 方式3是公用部分进入D C S公用网络 当时 公用部分的内容主要是电气厂用电系统 随着D C S 功能范围的不断扩大 需要进入D C S控制的公用系 统愈来愈多 设置D C S公用网络这种方式逐渐成为 设计方案的主流 目前已经通过D C S公用网络实现控制的主要 公用系统有 电气厂用电系统的公用部分 凝结水精 处理系统的再生部分 母管制循环水系统的循环水 泵房 燃油泵房 空压机站 暖通空调系统等 对于供 热机组 厂内热网首站的控制也已经具有纳入D C S 公用网络进行控制的成功经验 随着自动化水平的不断提高 采用多机一控方 式已经成为电厂设计的发展趋势 对于3台机组1 个控制室的 三机一控 方式与4台机组1个控制室 的 四机一控 方式 由于公用部分是为3台机组或 4台机组同时服务的 此时设置D C S公用网络的优 势将更加明显 但在实际设计过程中 有些设计院在考虑D C S 公用网络时 有时会出现以下2种问题 第1种是在 公用网络上设置D C S的操作员站 第2种是将公用 网络的数据通过接口机直接采入厂级监控信息系统 S I S 由于D C S公用网络的数据要同时进入2台 机组或多台机组 故对D C S公用网络的控制是在 D C S系统软开关的闭锁下 正常运行时只能由某1 台机组进行控制 在公用网络上设置D C S操作员站 或接口机的结果只会导致数据传输的紊乱 从而给 机组运行带来不安全因素 如果单独设置独立的公 用D C S 就另当别论了 3空冷控制系统与D C S的关系 近几年随着国家对自然资源保护意识的加强 北方缺水地区如山西 内蒙古等地 新建大容量高参 数发电机组均要求采用空冷机组 早期引进的空冷 机组由于不了解其工艺系统和控制策略 一般都采 用仪表与控制系统随工艺系统成套供货的方式 而 将空冷岛作为一个独立的辅助车间在空冷岛进行就 地控制 就地控制的空冷控制系统多为P L C 随着大同二电厂2 6 0 0 M W机组等项目的建 设 证明了空冷系统的运行直接与机组密切相关 将 空冷控制系统纳入机组D C S是可行的 大同二电厂 2 6 0 0 M W机组采用的建设模式是空冷控制系统仍 然由空冷岛承包商负责供货 且空冷岛承包商在技 术上对空冷控制系统负责 采用与机组D C S相同的 硬件并与机组D C S连接 除大同二电厂2 6 0 0 M W机组等项目的建设模 式外 有的项目如国华锦界电厂2 6 0 0 M W等工程已 开始尝试采用直接将空冷控制系统纳入机组D C S的 建设模式 空冷岛承包商仅负责就地仪表和执行设 备的供货并向机组D C S提供控制策略和控制逻辑 由机组D C S统一完成空冷控制系统的设计组态 对于采用D C S对空冷机组进行直接控制的方 案 为了节省电缆及相关投资 目前在设计时往往把 有关空冷控制系统的D C S机柜放在空冷工艺系统 附近的就地电子设备间内 但这样设计带来的问题 是 空冷工艺系统及附近的电气发电机 变压器组 有可能对D C S机柜造成干扰 陕西国华锦界电厂 2 6 0 0 M W工程在设计和实施中遇到了该类问题 后采取了一系列防范措施 因此 将空冷控制系统直 接纳入D C S时 要充分考虑该系统的特殊性 8 5 第3 9卷中 国 电 力 4脱硫和脱硝控制系统与D C S的关系 为了控制烟尘硫化物的排放 最近除个别偏远地 区项目外 国家环保部门要求国内新建的常规燃煤火 电厂都要配套建设烟气脱硫系统 随着国家对烟尘排 放标准的要求愈来愈严格 除了烟气脱硫系统外 近 2 a一些城市电厂和发达地区的电厂已陆续开始建设 烟气脱硝装置 如国华台山电厂1台6 0 0 M W机组 国华宁海电厂1台6 0 0 M W机组 华电长沙电厂2 6 0 0 M W机组 福建厦门嵩屿2 3 0 0 M W机组 国电 天津东郊热电厂2 3 0 0 M W机组等都已开始设计和 实施烟气脱硝项目 目前国内建设的烟气脱硫项目主要分为湿法脱 硫 干法脱硫和海水脱硫等 与早期随脱硫工艺设备 成套进口的控制系统方案相比 尽管目前设计的脱 硫控制系统方案已发生了很大变化 但湿法脱硫与 干法脱硫项目的控制系统目前都还是独立的控制系 统 脱硫控制系统与单元机组D C S之间仅建立控制 和联锁接口 而工艺上相对简单的海水脱硫项目 如 已经投产的深圳西部电厂2 3 0 0 M W机组和正在建 设的厦门嵩屿2 3 0 0 M W扩建机组等 则将脱硫的 控制直接纳入单元机组D C S 烟气脱硝技术有选择性催化还原法 S C R 和选 择性非催化还原法 S N C R 等 目前国内设计的脱硝 装置基本上均采用S C R 考虑到目前加装烟气脱硝 装置一般都不设置旁路 烟气脱硝装置的运行与锅 炉的运行密切相关 故烟气脱硝装置的运行监控宜 由单元机组值班人员来完成 福建后石电厂是目前 国内最早投产的设有烟气脱硝装置的大容量引进电 厂 该电厂的脱硝装置就是由单元机组D C S直接监 控的 对于目前正在设计的国产大容量机组 脱硝装 置能否直接纳入单元机组D C S受到一些因素的限 制 一方面脱硝装置的控制具有一定的特殊性 另一 方面项目所选D C S的供货商不一定具有脱硝装置 控制的业绩和经验 而生产脱硝装置的供货商又往 往有其固定的熟悉的控制设备供货商 故明确必须 将脱硝装置直接纳入单元机组D C S进行控制需进 行一段时间的研究和实践后才能下结论 但有一点 可以明确 即使由脱硝装置配套提供独立的控制系 统 也应与单元机组D C S进行接口连接 通过D C S 操作员站对其进行主要的监控 5大型C F B锅炉控制系统与D C S的关系 3 0 0 M W级循环流化床锅炉技术的引进是我国 十五 国家重大技术装备研制项目 也是 十一五 国家大力发展的洁净煤燃烧技术 目前世界上第1 个大型C F B锅炉 鲁奇炉型 电厂工程 四川白 马1 3 0 0 M WC F B示范项目已经投产发电 3 0 0 M W级C F B锅炉与常规燃煤炉相比 无论 在工艺上还是控制逻辑和控制策略上 都存在很大 差异 尤其是目前在国内应用较多的D C S品牌供货 商几乎都没有实施3 0 0 M W级C F B锅炉控制的经 验 故3 0 0 M W级C F B锅炉是单独设置独立的控制系 统还是直接纳入机组D C S是困惑设计人员的一个主 要问题 参考中国电力工程顾问集团公司3 0 0 M W 级C F B引进消化吸收的研究成果和白马项目的设 计 实践经验 就目前情况看 将大型C F B锅炉的控 制直接纳入机组D C S是可行的 设计3 0 0 M W级C F B锅炉电厂的D C S时 首先 必须划清锅炉本体与D C S的接口和界面 并明确控 制逻辑与控制策略的提供方与设计方 其次要注意 C F B锅炉与常规煤粉炉在控制回路与联锁保护等方 面的差异 以及后备手操等相关设备的配置差异 另 外 由于缺乏经验 设计院与锅炉本体及D C S供货 商之间的设计配合和设计联络就显得尤其重要 6结语 除以上讨论的问题外 还有如现场总线技术在 D C S中的应用 D C S在辅助车间集中控制网络中的 应用等新问题 现场总线技术的应用目前还处于探 索阶段 其典型应用实例 国华宁海电厂4 6 0 0 M W 机组在开式循环水系统和闭式循环水系统的电动门 控制中局部采用了现场总线技术 山东莱城电厂2 3 0 0 M W机组在4 0 0 V电动机的控制中局部采用了 现场总线技术 华能玉环电厂4 1 0 0 0 M W机组在 化学水处理系统和废水处理系统采用了现场总线控 制系统 D C S在辅助车间集中控制网络中的应用则已 开始在新建大型机组中实施 如大连庄河2 6 0 0 M W 超临界机组 国电泰州2 1 0 0 0 M W机组等 本文对近2 a大型燃煤电厂D C S设计中的一些 主要问题进行了讨论 由于文章中讨论的一些新技 术方案还都有待于各工程项目的实践验证 故文章 中的技术观点仅供现阶段工程设计时参考 参考文献 1 许继刚 金黔军 包一鸣 等 火力发电厂分散控制系统技术规范 书 S 2 0 0 4 X UJ i g a n g J I NQ i a n j u n B A OY i m i n g e t a l T e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s f o r D C S i n f o s s i l f u e l f i r e d p o w e r p l a n t s S 2 0 0 4 2 许继刚 D E H与D C S的串行通讯设计 J 电力建设 1 9 9 5 1 6 2 2 5 2 8 8 6 许继刚 大型火电厂分散控制系统设计新进展第1 0期 P r o g r e s s i n t h e d e s i g n o f D C S f o r l a r g e s c a l e t h e r ma l p o w e r p l a n t s X UJ i g a n g C h i n a P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o r p o r a t i o n B e i j i n g 1 0 0 0 1 1 C h i n a A b s t r a c t Ap a s s e l o f l a r g e s c a l e t h e r m a l p o w e r p l a n t s w i t h h i g h p a r a m e t e r s a r e b e i n g b u i l t a f t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f 2 0 0 0 s d e m o n s t r a t i o n t h e r m a l p o w e r p l a n t s T h e D C S d e s i g n f o r l a r g e t h e r m a l p o w e r p l a n t s h a s c h a n g e d a l o t r e c e n t l y i n t h e f o l l o w i n g a s p e c t s E l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m D E Hc o n t r o l s y s t e ma n d s o m e o t h e r i n d e p e n d e n t r o u t i n e c o n t r o l s y s t e m s h a v e b e e n i n v o l v e d i n D C S s o m e c o m m o n s y s t e m s f o r u n i t s h a v e b e e n c o n t r o l l e d b y D C S c o m m u n a l n e t w o r k l a r g e a i r c o o l i n g c o n t r o l s y s t e m l a r g e C F Bb o i l e r c o n t r o l s y s t e m s e a w a t e r d e s u l f u r i z a t i o n c o n t r o l s y s t e ma n dd e N Oxc o n t r o l s y s t e mh a v e b e e nb r o u g h t i n t o D C S M a i nd e s i g ns c h e m e s w e r ed i s c u s s e da n ds o m er a t i o n a l i z a t i o n p r o p o s a l s w e r e p r e s e n t e d c o r r e s p o n d i n g t o t h e e x i s t i n g p r o b l e m s i n d e s i g n K e y w o r d s t h e r m a l p o w e r p l a n t c o n t r o l s y s t e md e s i g n D C S X UJ i g a n g S e r i a l c o m m u n i c a t i o n d e s i g n b e t w e e n D E Ha n d D C S J E l e c t r i c P o w e r C o n s t r u c t i o n 1 9 9 5 1 6 2 2 5 2 8 3 许继刚 2 0 0 0年发电厂自动化设计展望 J 中国电力 1 9 9 9 3 2 7 4 7 5 1 X UJ i g a n g D e s i g np r o s p e c t o f p o w e r p l a n t a u t o m a t i o nf o r t h ey e a r 2 0 0 0 J E l e c t r i c P o w e r 1 9 9 9 3 2 7 4 7 5 1 4 郑慧莉 大型火电厂自动化设计的若干问题 J 电力系统自动 化 2 0 0 5 2 9 2 4 7 9 8 2 Z H E N GH u i l i S e v e r a l p r o b l e m s i nt h ea