现场总线控制技术在火力发电厂水处理岛中的应用

2012-10-19吴志勇李鸿燕

综合智慧能源 2012年12期

吴志勇，李鸿燕

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

电力是中国经济发展的命脉，它已成为与煤炭、石油等基础能源一样不可缺少的能源。在火力发电厂水处理岛的设计中，设计人员积极响应国家提出的“建设节约型企业”的号召，采取了相应措施以达到节能降耗、节水和环保之目的。在火力发电厂中，采用集中布置的水处理岛方案与常规布置的方案相比，在工艺设备、电气系统、控制系统、占地面积、建筑面积和运行维护方面具有明显的优势。面对目前土地资源日益紧张、投资紧缩、企业精简人员的局面，整合各分系统的水处理岛的布置将是今后发电厂水处理系统发展的必然趋势。

由于火力发电厂水处理岛设备集中，管道高度密集，若按传统方式布置电缆和桥架则困难较大。在满足工艺要求、节省占地、节省造价的前提下，在水处理岛集中布置时，确定采用现场总线控制技术。现场总线技术与传统的可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)、分散控制系统DCS(Distributed Control System)相比，可省去相当数量的设备。一条总线就可以传输所有在线信号且信息全部数字化，这些数据可帮助计算机管理系统对现场设备进行远方诊断、维护和组态，提前知道现场设备的运行状态，提前进行维护，减少维护成本。

1 电厂用水及水源情况

该期工程2×330 MW机组夏季纯凝工况中水补充水量为377.0 m3/h，冬季供热工况中水补充水量为456.6 m3/h。电厂工业用水(包括循环水系统补充水，化学补水等)均采用中水，中水处理量按照600 m3/h设计。从1年的监测数据看，通过对污水处理厂中水的水质报告进行分析，污水处理厂出水大部分时间主要污染物达不到国家标准二级排放的要求指标，其中悬浮物质量浓度为40～984 mg/L(国家标准规定的指标为≤30 mg/L)，化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)为80～350 mg/L(国家标准规定的指标为≤100 mg/L)，生化需氧量BOD5(Biochemical Oxygen Demand)为30～240mg/L(国家标准规定的指标为≤30 mg/L)，氨氮质量浓度为15～600 mg/L(国家标准规定的指标为≤25 mg/L)，水中溶解固形物＜1500 mg/L，pH值、硬度、碱度、CI－离子、离子及其他离子含量都可满足工业用水的要求。

2 水处理岛的总平面及建(构)筑物设计

水处理岛将原水预处理、反渗透处理、除盐水处理、工业废水处理等设施作为水区集中布置在一起，使得整体工艺流程更加合理，厂区管道更短，减少了占地面积;采用合并到一个控制室进行集中控制的方案，便于运行管理，可节省建筑费用。

水处理岛占地长138 m，宽90 m，总平面面积为12400 m2。常规分散布置占地为3块区域，总平面面积约为22 800 m2。水处理岛总占地面积约节省10 400 m2(相当于常规处理岛总占地面积的45.9%)。

常规分散布置各处理单元的建筑物功能多有重复，合并处理单元后，相同性质的建筑面积会因建筑内容纳的设备数目变多而扩大，但总建筑数量减少，所以，总建筑面积也减少。

对建筑物的面积进行了比较，水处理岛布置方案中的建筑面积与常规布置方案中的建筑面积相比，可节省2966 m2(相当于常规处理岛总建筑面积的34%)。

3 水处理岛现场总线技术研究和应用

3.1 水处理岛总线标准的选择

现场总线控制系统的核心是总线协议，总线协议是实现开放和互操作的必要条件。现场总线的基础是智能现场设备，是现场总线的硬件支持，双向数字通信的基础载体。现场总线的本质是现场设备的数字化、信息化和控制的分散化。适用于火电机组自动化控制系统的现场总线主要为生产过程现场总线Profibus(Process Fieldbus)和基金会现场总线FF(Fieldbub Foundation)。

水处理岛总线控制系统是电厂辅机系统中采用的首个总线控制系统，该项目工艺系统庞大，离散量多达几千点，仅此而言，宜采用Profibus总线协议。Profibus在现场总线控制系统的典型应用如图1所示。

水处理岛总线控制系统统一协议为Profibus，在此统一规约的前提下，才能保证不同厂家的现场设备可相互交换数字信息，确保系统的互操作性。

3.2 水处理岛现场总线系统结构的设计

按照 IEC61158 Ed.3—2003《现场总线》标准的要求，Profibus现场总线由以下3部分组成:现场总线信息规范FMS(Fieldbus Message Specification)、分布式外围设备DP(Decentralized Periphery)和过程自动化PA(Process Automation)。

根据目前技术发展的状况，监控级采用Ethernet工业以太网，而不采用Profibus－FMS。因此，该电厂水处理岛系统的通讯网络从下往上由3级构成:现场级(Profibus－DP支路和Profibus－PA支路)、主控级(Profibus－DP冗余光环)和监控级(工业以太网)。

PLC、工程师站、操作员站通过交换机构成以太网;膜生物反应器MBR(Membrane Bio-reactor)及工业废水处理处理现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)和锅炉补给水处理FCS通过DP/PA－Link构成Profibus－PA支路，通过通讯链路器(Y－Link)构成Profibus－DP支路。

电厂水处理岛控制系统采用FCS，总线控制系统划分为2部分，MBR及工业废水处理FCS和锅炉补给水处理FCS。其中，工业废水处理FCS包括膜生物反应器、工业废水处理及辅助系统的控制;锅炉补给水处理FCS包括反渗透系统、除盐系统、综合泵间、除盐水泵间及辅助系统的控制。水处理岛总线控制系统的网络总体结构如图2所示。

由于目前主流Profibus－PA和DP设备和仪表大部分未设计冗余通讯接口，因此，在设备和仪表相对集中的位置设计了1条PA或DP支路，连接PA或DP设备和仪表。PA，DP支路再通过Y－Link接入冗余DP光环。这样既保证了Profibus现场总线设备的通信条件，又满足了电厂通信网络的可靠性。

图1 总线控制系统典型应用示例

图2 水处理岛总线控制系统网络总体结构图

现场总线系统网段的设计原则:冗余设置的现场仪表应接入不同网段。控制逻辑相关(同一控制回路中)的仪表和控制对象原则上挂接在同一总线网段上。同一支路应尽量把控制类设备布置在前端，监视类设备布置在后端。每个Profibus－DP总线网段通信速率500 kbit/s较适宜。每个Profibus－DP总线子网段连接设备数量不多于19个。每个Profibus－PA总线子网段连接设备数量:不多于18个。每个DP主站与DP Y－link，DP/PA－link之间的距离超过100m，或主站与DP Y－link，DP/PA－link在不同建筑物安装时，应采用光缆连接。