1000MW機組全廠自動化設計方案

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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2004年11月由我國設計制造的首臺60OMW超臨界機組在華能沁北電廠投入商業(yè)運行。2006年11月國內(nèi)首臺1000MW超超臨界機組在華能玉環(huán)電廠投入商業(yè)運行。對自動化控制而言，從60OMW機組到10OOMW機組，盡管工藝流程沒有變化，但是控制對象的特性變得更加復雜。另外，由于機組容量的增加，對機組運行的安全性、可靠性指標及控制性能要求更高，而這種變化不同于30OMW亞臨界機組到600MW亞臨界機組的控制，其變化使得控制技術水平大幅度提升，從而引起機組全過程控制策略的多變性和復雜性。為此，本文以10OOMW機組為討論對象，提出了1000MW機組自動化設計方案，并對該方案進行探討。

一、全廠自動化規(guī)劃

根據(jù)全廠監(jiān)控、信息共享、過程數(shù)據(jù)處理智能化、生產(chǎn)指導系統(tǒng)專家化要求，對全廠自動化進行規(guī)劃。將全廠監(jiān)控分析系統(tǒng)規(guī)劃為由廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、DCS、電氣全廠網(wǎng)控系統(tǒng)（NCS）、全廠輔助車間監(jiān)控網(wǎng)（簡稱輔網(wǎng)）以及脫硫分散控制系統(tǒng)（FGD-DCS）5部分組成，并與全廠管理信息系統(tǒng)（MIS）聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)過程控制功能分散、信息集中管理、數(shù)據(jù)分類處理、生產(chǎn)指導信息的智能化和知識化。

二、機組自動化設計方案探討

2.1設計中面臨的新問題

（1）對自動化、信息化要求提高由于1000MW機組鍋爐控制特性的復雜性、汽輪機保安系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術性能指標的高要求、機組及輔助車間集中監(jiān)控和全廠生產(chǎn)定員標準的提高，從而對機組和輔助車間自動化水平提出了更高的要求。

（2）單元機組監(jiān)控范圍擴大10OOMW機組自動化和信息化水平的提高，必然導致機組DCS監(jiān)控范圍的擴大。

（3）I/0點和通訊接口增多10OOMW機組監(jiān)控范圍的擴大和控制對象的復雜化，使得系統(tǒng)的I/0點和通訊接口增加。1臺10OOMW機組的I/0點約（11000~12000）點左右，比600MW機組多（3000~4000）點左右。I/0點和網(wǎng)絡通訊接口的增加對DCS控制的性能提出了更高的要求。

（4）輔網(wǎng)I/0規(guī)模與監(jiān)控范圍增大全廠集中監(jiān)控要求廠內(nèi)主要輔助車間取消就地值班員，只保留就地調(diào)試維護站和個別短期就地控制室（用于基建調(diào)試），使得全廠輔助車間監(jiān)控網(wǎng)絡擴大，以滿足全廠集中控制的輔網(wǎng)替代傳統(tǒng)的水、煤、灰獨立監(jiān)控網(wǎng)。全廠輔助車間控制由傳統(tǒng)的就地相對集中控制模式過渡到全廠集中控制，I/0點和網(wǎng)絡通訊接口的增加對用于輔助設備控制的PLC控制網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。采用通用監(jiān)控軟件和集中數(shù)據(jù)庫管理，將PLC過程數(shù)據(jù)與人機接口上的監(jiān)控庫信息進行二次轉(zhuǎn)換的模式，已經(jīng)難于滿足大容量機組輔助車間的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析及處理的要求，輔助設備控制系統(tǒng)采用一體化監(jiān)控和分布式數(shù)據(jù)庫已成為輔助設備控制優(yōu)化設計的發(fā)展趨勢。

（5）取源部件的選擇將成為設計難點由于10OOMW機組主、再熱蒸汽溫度超過600℃，特別是主蒸汽管道不但溫度超過60O℃，且其壓力也超過25MPa，因此使得溫度和壓力的取源部件與亞臨界參數(shù)機組相比有很大的不同。為消除測溫管座與熱偶套管在高溫狀態(tài)下較大的熱膨脹，同時考慮10OOMW機組超超臨界參數(shù)下金屬的強度和壽命要求，熱偶套管采用與管道母材同樣材質(zhì)zui為適宜；一次門前的儀表取樣管也采用與管道母材同材質(zhì)小口徑管件，其管件的采購、套管加工、現(xiàn)場焊接工藝的難度增大。隨著機組容量的增加和壓力、溫度參數(shù)的提高，對儀表閥特別是一次閥的配制方式、選廠選型也提出了更高的要求。

（6）機組控制技術難度加大與6OOMW超臨界機組相比，10OOMW機組鍋爐控制，如爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、給水、負荷、蒸汽溫度等控制難以掌握；汽輪機保安系統(tǒng)的典型設計變化也較大:考慮到控制的可靠性，主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥關閉時間、特殊工況下的調(diào)節(jié)性能等多項技術要求，跳閘電磁閥從汽輪機頭緊急遮斷電磁閥擴展到每個調(diào)節(jié)閥上，跳閘電磁閥的冗余設計也從緊急遮斷電磁閥擴展到每個調(diào)節(jié)閥上；保護信號控制回路從原來的三取二冗余設計變?yōu)橛?、軟件三取二再加繼電器三取二的組合式冗余設計；汽輪機自啟停系統(tǒng)（ATC）的核心控制策略（即應力計算程序）和計算模型全部由外方設計且對用戶未完全開放。

2.2全廠集中監(jiān)控

全廠采用4機1控（即4臺機組公用1個集控室）及輔助車間集中監(jiān)控的模式，集控樓宜布置在2號、3號機組之間。機組以DCS為監(jiān)控核心，公用系統(tǒng)、輔助車間以PLC組成的輔助設備監(jiān)控網(wǎng)絡為監(jiān)控中心。完全實現(xiàn)全廠單元機組、網(wǎng)控、全廠輔助車間和公用系統(tǒng)的集中監(jiān)控?？梢钥紤]按5個監(jiān)控區(qū)域布置，即每臺機組占1個監(jiān)控區(qū)域，全廠公用系統(tǒng)（補給水、工業(yè)水、污水處理、制氫、燃油系統(tǒng)、全廠空調(diào)、脫硫、NCS等）占1個監(jiān)控區(qū)域。采取4機1控方案主要有以下優(yōu)點:

（1）單元機組與公用系統(tǒng)、輔助車間控制系統(tǒng)的過程信息易于共享，設備運行信息反饋快，值長指揮調(diào)度便捷。

（2）有利于提高勞動生產(chǎn)率。如果典型設計每臺機組按2個運行人員、2臺機組1個機長配置，4機1控則可以4臺機組共設1個機長，則運行人員減少10人。4臺機組的巡檢員集中調(diào)用，每值由典型設計的12人減少到8人，5值共可減少20人。

（3）便于設備維護、消缺處理和檢修管理。

（4）可少建1套集控室和相應的集控室周邊配套間（辦票室、交接班室、備餐室、會議室等），節(jié)約工程造價。

采用4機1控的不利因素主要是集控室距離部分機組較遠，而且3號、4號機組安裝調(diào)試時對生產(chǎn)機組有較大干擾，但整體來說對機組運行的安全性、經(jīng)濟性、勞動生產(chǎn)率、運行環(huán)境沒有長期影響。

2.3機組控制方式

以DCS作為機組監(jiān)控核心，在集控室實現(xiàn)單元機組爐、機、電、廠用電集中控制。機組DCS控制范圍包括FSSS、順序控制系統(tǒng)（SCS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、機組協(xié)調(diào)控制（UCC）、旁路控制系統(tǒng)（BPC）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、發(fā)變組控制、凝結(jié)水精處理；鍋爐吹灰、除灰（渣）、電除塵、等離子點火系統(tǒng)采用PLC控制并與DCS通訊，與機組DCS共用操作員站。數(shù)字式電液控制系統(tǒng)（DEH）可以考慮與DCS硬件統(tǒng)一選型，以便于運行全能監(jiān)控，降低控制系統(tǒng)的維護量和成本。

（1）機組控制系統(tǒng)硬件的統(tǒng)一性和系統(tǒng)軟件的兼容性、開放性，盡可能擴大DCS的控制范圍。

（2）10OOMW機組的DEH與DCS硬件統(tǒng)一選型，要以設備廠家的運行業(yè)績或技術水平為前提;考慮到汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）的處理速度和裝置的特殊安全性要求，ETS的硬件不強調(diào)與DCS硬件統(tǒng)一，采用滿足ETS控制技術性能要求的PLC為宜。

（3）對于全廠輔網(wǎng)的規(guī)劃設計，考慮到運行人員監(jiān)

控范圍和輔網(wǎng)容量的優(yōu)化，原屬于機組輔助車間控制的除灰（渣）、電除塵系統(tǒng)由機組運行人員進行控制管理。

（4）在條件允許的情況下，鍋爐壁溫檢測、發(fā)電機溫度檢測、循環(huán)水泵房、淡水泵房、燃油泵房、空壓機站、制氫站等均可采用DCS遠程1/0站進行監(jiān)控，可避免信號長距離傳輸?shù)乃p和干擾，也便于基建安裝和生產(chǎn)維護。

（5）考慮到國內(nèi)10OOMW機組運行經(jīng)驗及其在電網(wǎng)中的重要性，從安全性、可靠性角度出發(fā)，根據(jù)發(fā)變組與廠用電系統(tǒng)的監(jiān)控要求，采用硬接線方式接人DCS進行控制，木采用發(fā)變組、廠用電監(jiān)控系統(tǒng)與DCS進行數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)監(jiān)控的方案，以及不強調(diào)采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)。如果廠用電監(jiān)控系統(tǒng)設計采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS），其系統(tǒng)應具有與SIS的數(shù)據(jù)通訊接口，以便電氣維護人員和生產(chǎn)管理人員通過SIS了解廠用電系統(tǒng)運行計量信息和設備診斷維護信息。DCS不設置與FCS的通訊接口。

2.4機組輔助系統(tǒng)控制方案

鍋爐吹灰、除灰（渣）、電除塵、等離子點火等鍋爐輔助系統(tǒng)全部采用PLC控制，并與DCS通訊進行集中監(jiān)控，與機組DCS共享操作員站。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)為連續(xù)運行系統(tǒng)，從而列為機組工藝系統(tǒng)，直接由DCS控制。歸入機組集中監(jiān)控的輔助車間，就地均無運行人員，僅設就地操作站（或就地調(diào)試維護站）。

鍋爐輔助系統(tǒng)采用PLC與DCS通訊的方案，主要考慮:

（1）盡量減少DCSI/0點數(shù)量。輔助系統(tǒng)的5個子系統(tǒng)I/0點數(shù)約為3000點。如果中間點數(shù)為15000點，全部采用DCS遠程I/0控制時，系統(tǒng)I/O點數(shù)量將增加18000點。如果采用PLC與DCS通訊方式，DCSI/0點數(shù)量僅增加4000點左右，對節(jié)省DCS資源效果明顯。

（2）鍋爐吹灰、等離子點火系統(tǒng)是非連續(xù)運行系統(tǒng)，特別是等離子點火系統(tǒng)只在機組起動和低負荷穩(wěn)燃時才投用，采用沒有后備操作手段的PLC控制方式，完全可以滿足鍋爐運行的可靠性要求；除灰（渣）、電除塵系統(tǒng)考慮后備操作手段，在就地電子間布置PLC上位機，以滿足機組調(diào)試和設備故障處理的需要。

（3）除灰（渣）、電除塵系統(tǒng)和凝結(jié)水精處理不宜并入輔網(wǎng)進行控制，否則在4臺機組建成后，將16個輔助系統(tǒng)并入輔網(wǎng)，如果統(tǒng)一到輔網(wǎng)中，對控制系統(tǒng)的擴容和輔助車間的運行管理十分不便。如凝結(jié)水精處理再生裝置為2臺機組公用且連續(xù)運行，采用DCS控制較為合理。

（4）輔助系統(tǒng)PLC與DCS通訊后，輔助系統(tǒng)控制與DCS共享人機界面，對于運行人員來說，其設備與在DCS內(nèi)控制一樣，監(jiān)控畫面采用與DCS相同的風格，改善了人機操作環(huán)境。

（5）采用相同品牌型號的PLC和比較成熟的一體化監(jiān)控軟件，可以減少設計、供貨、調(diào)試等接口和協(xié)調(diào)難度，縮短現(xiàn)場安裝調(diào)試工期，提高基建管理效率。

2.5機組公用系統(tǒng)優(yōu)化設計

機組公用系統(tǒng)控制范圍包括廠用電共用部分、全廠空壓機系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理再生部分、燃油系統(tǒng)。設置DCS公用系統(tǒng)控制網(wǎng)（簡稱公用網(wǎng)），共享2臺機組的DCS操作員站，并且2臺機組公用操作員站的操作相互閉鎖。

（1）機組公用系統(tǒng)僅考慮2臺機組的公用系統(tǒng)，全廠性的公用系統(tǒng)統(tǒng)一在輔網(wǎng)中控制。

（2）考慮由機組公用網(wǎng)控制的設備盡量少一些，以減少網(wǎng)絡間通訊數(shù)據(jù)的交換負荷。

（3）機組公用系統(tǒng)過程控制站為連續(xù)運行，在控制系統(tǒng)設計時應考慮操作控制權可在2臺機組操作員站間切換，重要設備具有后備操作手段，以保證控制系統(tǒng)故障時能進行就地后備操作。

2.6輔網(wǎng)控制

由PLC實現(xiàn)輔助系統(tǒng)控制，采用統(tǒng)一PLC硬件和一體化監(jiān)控軟件組成輔網(wǎng)控制，在集控室集中控制。控制范圍包括補給水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加氯系統(tǒng)、制氫站、輸煤系統(tǒng)、全廠空調(diào)系統(tǒng)等。輸煤車間在輸煤綜合樓內(nèi)可以設就地控制室;其它各輔助車間設就地操作站（或就地調(diào)試維護站），僅用于基建調(diào)試、生產(chǎn)調(diào)試和故障處理，同時亦可作為就地臨時巡檢室，投產(chǎn)時均全部過渡到輔網(wǎng)上集中控制。在外部管理條件滿足和設備穩(wěn)定運行后，全廠設備的控制zui終將過渡到全廠集中控制（包括輸煤系統(tǒng)）。

為了實現(xiàn)上述輔助車間系統(tǒng)優(yōu)化設計方案應考慮:

（1）全廠采用一點集中控制，輔助車間必須采用功能分散、集中監(jiān)控的方案。

（2）由PLC構成的輔網(wǎng)控制系統(tǒng)，成本比采用DCS遠程I/0控制要低得多，而且控制系統(tǒng)集成簡單、調(diào)試方便。部分輔助車間根據(jù)需要可以采取項目整體承包方式，即由工藝系統(tǒng)承包商配套提供控制系統(tǒng)，PLC品牌型號與全廠采用的PLC統(tǒng)一。這樣，可以減少設計供貨、調(diào)試等接口和協(xié)調(diào)難度。

（3）部分分布較遠且控制點數(shù)量較少的車間，可以采用PLC遠程I/0進行控制。生活污水與含油廢水遠程I/0可接入工業(yè)廢水系統(tǒng)PLC；淡水系統(tǒng)遠程I/0可接入補給水系統(tǒng)PLC；煤碼頭、轉(zhuǎn)運站和煤倉間遠程I/0可接入輸煤程控PLC；3號、4號機組空調(diào)控制系統(tǒng)遠程I/0可與1號、2號機組空調(diào)控制系統(tǒng)共用l個PLC等。

2.7脫硫系統(tǒng)控制

考慮到目前10OOMW機組濕法脫硫系統(tǒng)的I/O點容量和以后擴建I/0點容量均比較大，采用DCS作為全廠脫硫控制系統(tǒng)，操作員站布置在集控室和脫硫就地控制室，調(diào)試期間脫硫系統(tǒng)就地控制，機組投產(chǎn)后在集控室內(nèi)遠程控制，實現(xiàn)全廠一點集中控制。若采用海水脫硫方案時，系統(tǒng)將設置脫硫?qū)Ｓ眠h程站并納入機組DCS控制。

脫硫系統(tǒng)采用DCS控制主要考慮:

（1）控制系統(tǒng)容量按4臺機組進行規(guī)劃，其I/0點近8000點，不宜并入輔網(wǎng)控制。

（2）濕法脫硫工藝系統(tǒng)比較復雜，操作維護量較大，采用DCS能夠滿足其系統(tǒng)控制要求。

（3）擴建機組脫硫系統(tǒng)的每個吸收塔及相應的輔助設備可采用2套DCS遠程站進行控制，僅設置就地單電子間即可，新建系統(tǒng)應用軟件可以集成到前期機組脫硫控制系統(tǒng)中。

（4）為未來機組脫硝預留控制空間，采用遠程站尤式進行控制。

（5）單元機組脫硫控制系統(tǒng)不宜并入機組DCS控制。

2.8工程師站室與電子設備間布置

工程師站室應與集控室、運行交接班室、辦票室現(xiàn)場會議室統(tǒng)籌考慮，工程師站室應集中布置在集書室旁邊，4臺機組合用2個工程師站室。如果主廠房內(nèi)設備布置比較緊湊，沒有集中布置電子間的空間林組電子間可采用機、爐、廠用電電子間相對分散的布置方案。即機、爐電子間布置在2臺爐之間；廠用電電子間與電氣二次盤柜室合并布置。為了便于熱控設備檢修維護，在汽輪機（或鍋爐）電子間或其隔壁房間布置必要的工程師站。

三、結(jié)語

（1）機組自動化水平和可靠性與機組經(jīng)濟、穩(wěn)定己行密切相關，自動控制裝置的高投入率和協(xié)調(diào)控制下良好的變負荷調(diào)節(jié)性能，將為機組運行的經(jīng)濟性提供保證。

（2）采取4機1控將集控樓布置在2號、3號機組間的方案，可為全廠集中控制創(chuàng)造有利條件，增大運行集中監(jiān)控設備的幅度，提高勞動生產(chǎn)率。

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