基于DCS的天然气分布式能源站电控系统

王海军， 王振武， 杨 鑫， 李 锐

(1. 国家电力投资集团有限公司湖北分公司，武汉 430062； 2. 北京恩耐特分布能源技术有限公司，北京 100176)

在我国以煤为主的能源结构下，燃煤发电造成了更多的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物排放及更严重的粉尘污染，因此以清洁能源天然气为主要一次能源的分布式能源系统得到了广泛的推广和应用。特别是在2020年，我国提出力争二氧化碳排放于2030年前达到峰值，于2060年前实现碳中和，因此天然气分布式能源将迎来更大的发展空间。

天然气分布式能源系统作为用户端供能系统，提高了能源综合利用率，降低了污染物排放量；但是，该系统包含更多的主机和辅机设备，对各工艺设备间运行的耦合性要求更强，并且系统中同时存在冷、热、电三个控制对象，需要根据用户端负荷变化甚至经济性要求实时调整供能系统出力。因此，需要构建一种可以与天然气分布式能源系统工艺特性相契合的电控系统，以充分发挥天然气分布式能源系统高效、节能、环保的特点。常见的电控系统有分布式控制系统(DCS)和基于可编程逻辑控制器(PLC)的单站控制系统。传统DCS在大型燃煤发电厂应用较多，基于PLC的单站控制系统多用于工业过程控制领域。

笔者针对天然气分布式能源系统的工艺特点和运行要求，采用DCS架构的天然气分布式能源站电控系统，并通过实践证明其应用效果良好。

1 天然气分布式能源系统

天然气分布式能源系统是以燃烧天然气驱动燃气轮机或内燃机做功，带动发电机产生电力，同时发动机排出的高温烟气及热水通过余热利用设备，如烟气热水型溴化锂机组或余热锅炉等设备，向用户提供冷、热、电的综合能源供应系统[1]。图1为天然气分布式能源系统流程。

图1 天然气分布式能源系统流程

天然气分布式能源技术是一种以能量梯级利用为核心的分布式供能技术，具备更高的供能效率、更低的供能成本、更少的污染物排放等优点，并且其对电力和燃气供应有双重削峰填谷的作用。因此，天然气分布式能源技术在世界范围内得到迅速发展[2]。

天然气分布式能源系统与常规的电制冷+燃气锅炉供能系统相比，增加了发电机组及余热利用机组，工艺系统更加复杂；并且其辅助系统增加了高温循环水系统、低温循环水系统及润滑油系统等。天然气分布式能源系统与大型燃煤电厂也有较大的不同。对于大型燃煤电厂，全厂辅机设备均为发电机组服务，一般距离终端用户较远，主要目的是在调度指挥下按计划向外提供电能；而天然气分布式能源系统在向用户提供电能的同时，还要提供冷/热能源，同时由于靠近用户端，所以应与用户的终端负荷变化相适应。

从设计和运行角度看，天然气分布式能源系统比常规电制冷+燃气锅炉系统复杂，又比大型燃煤电厂的外供能源类型多样，因此其控制要求更加精细、复杂。

2 基于DCS的电控系统

随着计算机技术、通信技术的发展和创新，互联网和传统产业产生深度融合，建设方对天然气分布式能源站电控系统的设计提出了创新思维和构架优化的需求。在传统的现场设备参数监控和顺序控制等基本功能基础上，对能源站运行数据进行整理分析并进一步提出优化运行策略，成为目前天然气分布式能源站智能控制系统的基本要求。

火电及石化行业所采用的DCS从结构上分为过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能主要的实施部分；操作级包括工程师站和操作员站，用于完成系统的操作和组态；管理级主要是工厂管理信息系统，作为DCS更高层次的应用[3]。

从天然气分布式能源站电控系统所体现的特点来看，其与DCS构架有较高的重合度。采用DCS构架的天然气分布式能源站控制系统既可以满足天然气分布式能源系统分散控制、集中操作的要求，又可以有效且便捷地协调系统内各主机设备，在提高天然气分布式能源系统整体性的同时，提升了系统效率。根据DCS构架和天然气分布式能源站电控系统的发展特点，按照分散控制、集中管理的原则搭建基于DCS的具有分层、分布系统形式的天然气分布式能源站电控系统。分层是指能源站监控系统权限和职责分别归属于对应层次；分布是指能源站监控系统按被控对象功能关联性分散设置现地控制单元(LCU)。通常LCU层按被控对象功能关联性配置1套电气LCU(除机组配套的保护、控制外)实现对机组及电气设备的监控，同时配置1套或多套工艺设备LCU实现对工艺设备的监控。各LCU和中控室上位计算机系统(操作员工作站)、通信工作站、工程师工作站之间通过以太网连接。具体划分为：

(1) 第一层为现地被控对象设备的状态信号、执行器信号、现场总线仪表和微机综合保护装置等的监控，实现对能源站内底层设备的监控。

(2) 第二层为LCU，实现能源站内单元设备的监控，大多数由设备厂家集成，通过通信网络与上位机及其他子系统进行数据交换，并接收来自上位机系统的指令。

(3) 第三层为中控室上位机系统、工程师站等，实现能源站内所属设备的全面监控和数据存储。根据采集到的运行数据生成各类图表，既可以一览站内所有设备的健康信息，对设备及时进行维护，又可以对数据进行对比分析，监测节能减排效果；同时，根据历史数据提出对应的优化运行策略，或者人工根据生成的图表分析找出节能空间，不断优化系统运行，提高效率。

(4)第四层为信息管理层，主要是云端通信工作站，实现项目远程集中监视，或通过手机客户端进行信息推送，实现随时随地监测。

3 具体应用分析

3.1 项目概况

某项目的建筑面积约为18万m2，原采用市政供热和燃气真空锅炉结合供热，采用电制冷机组供冷，每年供冷、供热费用约为1 050万元，建设了天然气分布式能源站后，每年可节省约400万元的运行费用。

该项目由1台2 MW燃气发电机组、1台2 326 kW带补燃的余热溴化锂机组和2台4 t/h调峰用的燃气真空锅炉组成，其控制系统主要控制对象为：

(1) 2 MW燃气发电机组及2 326 kW余热溴化锂机组和各自的辅助设备。

(2) 2台4 t/h燃气真空锅炉及其辅助设备。

(3) 储能设备及其辅助设备。

(4) 10 kV开关设备、站用变压器、低压配电系统。

(5) 全厂公用设备(能源站化水、补水、水泵等)。

(6) 工作照明及事故照明系统。

(7) 燃气报警系统、消防接口信号。

该能源站采用了基于DCS的天然气分布式能源站电控系统，具体见图2。

图2 基于DCS的天然气分布式能源站电控系统

3.2 上位机系统功能

能源站控制级配置2台操作员工作站负责能源站的运行操作。2台操作员工作站结构完全相同，互为热备用，1台监控发电机组及电气系统，1台监控工艺系统。

操作员工作站承担实时采集能源站主要设备的运行状态、参数，对各控制点和监视点实现自动安全监测、事故报警、运行日志记录等功能；同时，操作员工作站还承担运行管理、数据采集和处理、与各LCU通信、能源站发电机组控制、供冷供热工艺设备控制等任务，进而完成全站的电气系统监控和工艺系统监控。

工程师工作站负责计算机监控系统的日常维护和数据分析工作，该项目中实现了对系统及各主设备的实时能效的统计和分析计算，并建立数据库存储相关运行参数，其主要功能为：对实时系统运行能耗及费用进行分析以协助业主及时了解运行成本变化；对相关物理量进行趋势图分析以直观反映关键参数变化；对相关数据的分析可作为优化运行的依据。

3.3 发电机组LCU

能源站设有1套发电机组LCU，除机组配套的保护及控制装置外，还可实现多同期点并网，以及能源站高低压配电柜等设备的监控调节及数据采集处理，并完成与上位机及其他LCU的数据通信。当发电机组LCU与能源站级系统失去联系时，由发电机组LCU独立完成对所属设备的监控，包括在现地由操作员进行手动控制和LCU对所属设备的自动控制。

3.3.1 同期并网系统

能源站并网的同期方式分为手动准同期及自动准同期。该能源站内，发电机出口断路器、10 kV(或0.4 kV)出线断路器、母线联络路断路器均作为同期点，其中10 kV(或0.4 kV)出线断路器作为常用同期点。

能源站设置1套微机型自动准同期装置，作为发电机出口断路器、10 kV(或0.4 kV)出线断路器、母线联络路断路器自动准同期用。能源站设置1套手动准同期装置，作为发电机出口断路器、10 kV(或0.4 kV)出线断路器、母线联络路断路器同期合闸的备用方式。

3.3.2 发电机组调节

发电机调速和励磁系统均由发电机厂家配套供给，具有并网前自动跟踪系统频率、稳定运行功能，并网后接收能源站计算机监控系统有功(或无功)调节命令的功能，同时配有通信接口，可以与能源站计算机监控系统交换信息。

3.3.3 低周低压减载

能源站内设置低周低压减载模块，可以与能源站计算机监控系统交换信息，实现系统事故断电时及时减载，增强解列后暂态过程及孤网运行的稳定性。

3.3.4 逆功率限制

该能源站设计的运行方式为“并网不上网”、“自发自用”。能源站和电力系统连接的线路出口断路器均设逆功率限制装置，当能源站使用电网功率小于设定值时发出预警并减少发电机出力，当能源站使用电网功率小于限值时发出跳闸和电网解列运行指令。

3.4 公用设备LCU

该能源站设置1套监控工艺设备的公用设备LCU，完成能源站工艺主设备及附属设备、公用设备的运行状况监测，以及按照工艺逻辑控制各主辅设备的启停及数据采集和处理，并完成与上位机系统的数据通信，上传被控对象的正常运行工况和事故工况的数据，执行上位机下达的指令。公用设备LCU负责实现系统基本的顺序控制，保证系统的正常运行；同时，在此基础上实现优化控制，保证系统高效运行。公用设备LCU可实现各主机系统启停的顺序控制，包括发电机组、余热溴化锂机组、燃气真空锅炉等主机设备及其外围相关设备(如水泵、冷却塔、阀门等设备)的顺序启停控制，以及机房风机、补水系统、电气接入系统、燃气接入系统、燃气报警系统等的监控。联锁控制主要包括主机启停与相应水泵启停的顺序联锁、余热溴化锂机组启停与缸套水三通阀的联锁、缸套水和中冷水温度与相应阀门和风机的联锁、余热溴化锂机组启停与烟气旁通阀的联锁等。

以发电机和余热溴化锂机组顺序的启停为例，可以设计发电机-余热溴化锂机组整套系统的一键启动程序。发电机和余热溴化锂机组的启停顺序分别见表1和表2。

表1 发电机的启停顺序

表2 余热溴化锂机组的启停顺序

首先，操作人员在上位机的人机界面单击“发电机-余热溴化锂机组一键启动”按钮后，由DCS判断当机组处于远程控制状态时，下发启机指令至发电机和余热溴化锂机组的主机LCU；然后，由主机LCU完成自检工作并向DCS反馈检查状态，辅机设备状态正常后，DCS确认执行发电机启机指令，发电机正常启动运行并将运行状态反馈至DCS；最后，由DCS确认向余热溴化锂机组下达启机指令，待收到余热溴化锂机组反馈的正常运行信号后，人机界面显示完成发电机-余热溴化锂机组整套顺序启动程序。

3.5 电力综保LCU

天然气分布式能源站涉及到与市电的并网运行，对于电控系统电源可靠性的要求很高，该能源站设置1套电力综保LCU负责控制和协调电气系统微机综合保护装置的运行。

该能源站设置1套直流系统对微机保护装置、控制屏等设备、直流动力负荷和直流事故照明负荷供电。直流系统的电压采用220 V，充电/浮充电装置采用(n+1)高频开关电源，蓄电池采用阀控铅酸免维护蓄电池。

3.6 系统功能的实现及优化

3.6.1 系统联锁及安全保护功能的实现

上位机系统、发电机组LCU、公用设备LCU、电力综保LCU等通过工业以太网实现数据通信，上位机系统实时接收并存储运行数据。一方面，当某些参数到达预设限值时，安全联锁保护系统动作，按照预先设计好的逻辑程序执行相应动作，通过调整参数或启/停设备使系统恢复到正常状态，同时在人机界面弹出相应的提示信息，提醒运行人员及时进行检查；另一方面，操作人员通过上位机系统下发顺序控制指令，协调各LCU完成顺序控制。

3.6.2 系统功能的优化

该能源站所采用的基于DCS的天然气分布式能源电控系统，可以实现能源站内多个主机设备的分散控制和集中管理，具体表现为：

(1) 在系统扩展方面，基于DCS的天然气分布式能源站电控系统可以为分期建设的项目提供较为便利的扩展接口，并且扩展时不影响原系统的运行。

(2) 在操作运行方面，将原本分散的多个主机设备的现地控制系统进行集中监控，便于运行人员的操作及故障信息的接收和处理，通过设备台账等信息可以按期维护保养设备及更换元件。

(3) 在经济指标优化方面，集成能源管理子系统，对采集的运行数据进行分析处理，计算出各类指标，如耗气量和污染物减排量，以及制冷、供暖及热水系统的能耗指标；此外，可以计算并显示相关的能源费用；通过各项能耗指标及能源费用的收支分析提出相应的运行策略建议，或根据生成的曲线人工进行分析比对，找出节能空间，提升系统的利用效率及经济性。

4 结语

根据天然气分布式能源系统的工艺特点，提出了基于DCS的天然气分布式能源站电控系统，从控制对象、上位机系统、同期并网单元、发电机组调节系统、逆功率限制等方面说明了该能源站中各LCU的具体功能。经实践证明采用DCS架构的天然气分布式能源站电控系统对能源站高效协调和安全运行起到了较好的作用，对后续天然气分布式能源站电控系统的设计及建设具有一定的参考意义。