DCS 在国能惠民生物质电厂中的应用

2012-12-24杜之正吕丽霞范巧云

重庆电力高等专科学校学报 2012年3期

杜之正，吕丽霞，范巧云，张嵩，周青

(1.华北电力大学自动化系，河北保定071003;2.山东电力研究院鲁能控制公司，山东济南250002)

0 引言

生物质发电主要是以农业、林业和工业废弃物为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式，具有资源分布广、可持续利用等特点。我国是一个农业大国，生物质资源十分丰富，各种农作物每年产生秸秆6亿多吨，其中可以作为能源使用的约4亿吨。秸秆热值约为15000kJ/kg，相当于标准煤的50%。如果加以有效利用，开发潜力将十分巨大。

国能惠民生物质电厂30MW机组，采用振动炉排方式燃烧秸秆、额定功率为130t/h高温高压参数的电站锅炉和额定容量为30MW的单级抽气凝汽式高温高压参数的汽轮发电机组。其DCS采用山东电力研究院鲁能控制公司的LN2000分散控制系统。本项目每年可燃烧秸秆30余万吨，在节约能源保护环境的同时，增加了当地农业收入，促进了经济的发展。

1 工艺介绍和系统需求

国能惠民生物质发电项目中以30MW的凝汽式汽轮发电机组和130t/h的高温高压蒸汽锅炉作为核心工段，同时包括上料、炉前料仓、化水、电气等辅助工段。该工程按照示范电站设计指导思想设计，其设计目标是使电厂具有较高的机组自动化水平，较少的人员编制，以降低电厂的发电运营成本。系统的DCS的I/O测点为2916个。该生物质燃料锅炉工艺流程如图1所示，主要由汽包、炉膛、过热器、省煤器等锅炉本体和给料机、送风机、引风机、二次风机、空气预热器等辅助设备组成。

图1 生物质燃料锅炉工艺流程图

该生物质电厂的系统需求为:需要提供过程控制站、现场总线和I/O总线冗余;设置GPS校时和SOE事件顺序记录;锅炉、汽轮机主控可自定义功能设计;具备第三方设备通讯功能;具备自诊断能力，包括过程控制站和I/O自诊断功能。对于以上系统需求，LN2000 DCS以其快速的功能响应和良好的控制性能，成功地为整个电厂的主控、辅控一体化提供了控制方案，并在具体实施中取得了良好的效果。

2 LN2000 DCS硬件配置方案

LN2000分散控制系统由上位计算机系统和过程站控制系统组成。上位计算机系统是由工控机构成的功能强大的检测和控制系统，通过工控机上安装的LN2000 DCS软件，经过合理的系统设计组态实现对整个生物质电厂的动态监测和控制。该系统包括5台操作员站、1台工程师站、1台值长站、7对冗余过程控制站，采用过程控制站、现场总线和I/O总线冗余的网络结构，所提供的数据采集监控和现场级控制工艺设计完全符合了生物质电厂生产要求。该系统的锅炉部分、FSSS部分、汽轮机部分、电气部分、化水部分和吹灰部分各配置一对冗余DPU。该系统的硬件配置方案如图2所示。

过程控制站能接受工程师站下装的组态信息，采集I/O模块数据，执行控制策略，并通过I/O模块控制远方设备。DPU上的两个CAN网络控制器采用主从方式与I/O模块通信，实现冗余能力，从而保证对远程设备的正常控制。上位计算机系统和过程控制站之间，采用冗余的以太网传输网络，构成一个完整的系统，使操作人员能够通过整个系统实现对现场设备的监测和控制。该系统I/O模块分布如表1所示。

图2 系统硬件配置方案

表1 系统I/O配置表

3 系统的操作监控

3.1 控制方式

LN2000 DCS所有设备控制阀的控制方式均采用远程、就地相结合，并能互相切换。远程控制时，操作员在操作员站上对设备控制阀等进行状态监视和动作控制是通过LN2000 DCS中的SAMA图逻辑组态软件和操作员站监控软件来实现的。下面以炉膛负压控制为例进行说明，主要以SAMA图进行控制逻辑组态，操作员以监控画面进行操作控制。炉膛负压控制的SAMA图如图3所示。

炉膛压力调节器取正作用，当发生风系统扰动使炉膛压力下降时，调节器的输入偏差Δ＜0，由于调节器取正作用，故调节器输出减小，要求减小引风量以维持炉膛压力。

图3 炉膛负压控制SAMA图

当出现下列情况之一时，炉膛压力控制切至手动状态:1)三个炉膛压力测量信号中两个发生故障、炉膛压力调节器测量值与给定值偏差大于规定值、炉膛压力超出规定值、引风机控制均处于手动状态。2)当引风机控制指令与阀位信号的偏差大于规定值或引风机停运及启动过程中，对应的引风机控制切至手动状态。

炉膛负压控制系统的原理如图4所示。

图4 炉膛负压控制原理图

它是以炉膛压力为给定值的单回路控制系统，被调量是炉膛压力，调节变量为引风量，通过控制引风机的风量使炉膛压力维持在规定的范围内;扰动来自锅炉的送、引风系统和炉内燃烧的稳定程度。当炉膛压力超过许可值时，将引起锅炉MFT保护动作。由于炉膛压力控制系统的重要性，故炉膛压力信号采用三取二的方式，以提高系统的可靠性。

3.2 主要控制系统

生物质发电厂应该具备的主要控制系统有数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、电气监控系统(ECS)、燃料输送系统、化学水程控系统等。这些控制系统的功能是通过LN2000 DCS组态及编程软件的基础上，根据系统的控制逻辑组态后实现的。

DAS采集、处理与电厂机组有关的重要测点信号和设备状态信号，使操作人员能得到及时的运行信息，从而保证了机组安全、经济运行。同时，DAS还具备了屏幕显示、参数越限报警、事件序列、事故追忆、性能与效率计算和经济分析、打印制表、历史数据存储等功能。

MCS完成单元机组及辅机系统的模拟量自动调节控制。该系统将锅炉部分、汽轮机部分、电气部分作为一个整体进行协调控制，从而使锅炉部分和汽机部分同时响应负荷要求，这样就保证了机组快速适应负荷变化，保持稳定运行。该生物质电厂的模拟量控制系统主要包括机组协调主控、送风控制、炉膛压力控制、燃料控制和给水控制等系统。该项目的单参数回路的自动调节任务也是由MCS来实现的。

SCS对机组主要设备组或子组进行顺序启停控制是按照各设备的启停运行要求及运行状态并且经逻辑判断发出操作指令来实现的。同时根据该生物质电厂的工艺要求实施联锁与保护。该工程的主要顺控系统包括送风机系统、引风机系统、空预器系统、秸秆燃烧系统及秸秆输送系统等。

FSSS可以在锅炉出现异常工况时发出报警，并且发出使相关辅机启、停的指令;是通过连续监视锅炉在各种工况下的运行状态，随时进行逻辑判断来实现的。可见，它按照预定的逻辑顺序对有关设备进行控制是通过一系列的联锁条件来实现。主要控制功能包括炉膛吹扫、火焰检测和灭火保护、炉膛压力保护、主燃料跳闸及停炉后吹扫等。

ECS对所有的电气设备实现安全可靠的软手操，同时提供必要的顺序控制及闭锁功能。监控系统主要是对该生物质电厂的发电机变压器组、发电机励磁系统、高压厂用电源、低压厂用电源、不停电电源系统、直流系统及380V厂用电系统等进行监控。

燃料输送系统是由卸料系统、储料系统、上料系统组成。输料系统采用DCS控制和就地控制2种控制方式。带式输送机与分配带联锁控制，系统内设备均设联锁保护。

化学水处理控制系统作为DCS的一个子站与DCS相连，该系统留有与汽水取样系统的冗余以太网通讯接口。加药系统配有独立的控制柜，为实现全自动运行，留有冗余的以太网接口。采用程控、遥控及就地操作相结合的控制方式，并能相互切换。