分散控制系统在火力发电厂给水控制中的应用

胡卓飞，张文一，娄 伟，邱德来，邢宝刚，孙伟晋

（1.国能长源汉川发电有限公司，湖北 汉川 432300；2.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东 烟台 264000）

0 引 言

火力发电厂本质上是通过煤的燃烧来产生能量，以满足社会发展对于电力资源的基本需求。随着科学技术水平的提升，现代化控制技术在火力发电厂中广泛应用。分散控制系统（Distributed Control System，DCS）属于一种较为经典的控制系统，已经在各大火力发电厂中得到了较为广泛的应用，不仅可以提升发电厂的控制能力，还可以在后续工作开展进程中实现技术改进，确保了火力发电厂在给水控制阶段具备更高的自动化程度。

1 DCS分散控制系统与给水控制

1.1 DCS分散控制系统

DCS分散控制系统是确保火力发电厂当中各类设备都能够正常运转的重要系统，主要通过数据通信技术和处理技术的应用，对生产阶段中涉及到的各类操作和管理内容展开处理，能够将数据信息通信、图像展示等结合在一起。通常情况下，在DCS分散控制系统中应当在现场设置好I/O控制站，以实现对于整体系统I/O的稳定控制。DCS操作站就属于对各类人机界面中与操作流程相关的网络节点进行处理，在火力发电厂中通过DCS控制系统的应用，可以实现多样化的操作功能，能够有效替代传统的手动操作模式和控制模式，通过增添远程控制模式和高效的顺序逻辑控制等多种方式，保证控制系统可以更好地实现智能化的远程操控，提升工作现场各类工作的安全性。目前DCS分散控制系统已经在变电所、石油行业以及发电厂等多个专业领域得到广泛应用。随着科学技术的飞速发展，将DCS分散控制系统应用在火力发电厂中，能够在根本上提高发电厂的整体分散式自动控制水平[1]。

1.2 给水过程的工作原理

我国300 MW等级的火力发电机中大多都会采用汽包锅炉设备进行发电，并且在实际发电进程中没有针对设备自身的平衡能力进行设置，在给水方面存在着动态变化、惯性大等特征。在给水控制系统设计过程中采用以往的单回路系统，会使得水位方面出现较为显著的偏差。目前大多数发电厂在给水控制阶段中所用的是串联式方案，对于给水控制过程需要采取专业化控制系统，如DCS分散控制系统，这种控制方案不仅整体质量较为优异，还具备操作便捷等特征。在整体控制过程中，主回路中涉及到了主调节器、水位变送器等内容，而副回路中则由给水流量、执行器以及调节工作阀构成，在实际控制阶段主调节器中所采用的是比列积分控制法，以此来展开针对性的控制操作，这样就可以保证其中不会产生水位偏差问题，所输出的各种信号能够直接作用在调节器中，实现了对于给水流量的稳定调节，保证后续给水过程中的水流量可以处在一种相对平衡的状态[2]。

2 DCS分散控制系统在火力发电厂给水控制中的应用分析

2.1 DCS分散控制系统的基本原则

（1）安全性原则与冗余设计原则。在DCS分散控制系统中应当采取更加成熟可靠的技术手段，以稳步降低整体系统所产生的风险，但在系统中所采用的各类设备及硬件，如服务器、控制站以及操作员站等，还有涉及到的软件都应当遵循基本的冗余原则展开优化设计，以稳步提升整体系统的可用性。

（2）可维护性原则与端子设计原则。在整体系统中应当选择那些具备统一化特征，得到优化处理的硬件平台，避免出现采取专用系统或设备的情况，有利于降低维护成本与风险因素。由于施工现场到控制柜之间的电缆长度已经固定，在后续信号通道的分配过程中，要保证其能够与原本信号的端子位置基本相同，避免产生线缆长度不够等问题。

（3）人机界面设计原则。在人机界面的组态方面，要尽量保持与原系统一致，以大幅降低对于操作人员所产生的影响，还要保证通信方案、接口与原系统保持一致，这样就不会出现第三方系统变更的情况。而对于那些较为重要的设备，要划分成不同的控制站，来降低控制站故障对现场设备正常运转产生的影响[3]。

2.2 明确控制系统的基本设计要求

在给水控制系统中应用DCS分散控制系统，必须在系统设计阶段对系统功能提出更加明确的设计需求，主要涉及以下几方面内容。

（1）控制系统应当更好地满足火力发电厂对于给水控制过程中的全面监控和自动化控制，而内部建立起的DCS系统也要在确保不会影响到给水全自动控制的同时，满足各方面的基本需求。对于除氧设备和过热控制等多个分系统展开自动化启停控制，可以在同一个系统中保证其能够发挥出多方面功能。

（2）DCS分散控制系统要在充分结合锅炉实际运转情况的基础上展开实时化监控，采取针对性的控制措施。

（3）DCS分散控制系统也应当与整体火力发电厂的控制中心之间展开兼容设计，以确保发电厂能够针对给水控制系统展开总体控制[4]。

2.3 优化控制系统的整体设计方案

如图1所示，在明确火力发电厂运转状态的基础上，火力发电厂应当在明确设计需求的同时，针对整体系统展开优化设计。在控制系统结构中涉及到了可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、水位变送器、显示屏等内容，应当充分结合火力发电厂的基本需求来选择对应的PLC控制器，利用前段水位变送器以及主副调节器来对水位进行信号检测，实现对于各类数据信息的转换计算，还可以通过RS485总线来针对数据信息展开传输通信，而检测信号在传送到PLC中后，也会对信号展开对应的分析计算，可以通过PLC中的AC/DC转换器，将内部的数字信号逐步传输到工控机中，针对数据信息的分析结构展开必要的显示与判断。而在PLC控制器的软件程序中，则要采用专业编程软件来做好程序编写，显示界面内部要通过监视与控制通用系统（Monitor and Control Generalted System，MCGS）组态软件来做好界面设计工作，使得DCS分散控制系统可以针对水位情况、锅炉振动程度等多种因素加以监测。如果其中出现了故障问题，系统发出对应的声光报警，并在显示界面中直观显示出故障问题出现的主要原因和故障所处的具体位置等，工作人员通过报警提示信息采取针对性的应急处理措施，这样就能大幅降低安全事故的发生几率。除此之外，设计出的显示界面也能够采用流程图的方式实现整体系统的界面显示，其中涉及多个锅炉的操作界面、参数显示界面以及系统的调节画面等。

图1 火力发电厂的运转状态

2.4 DCS控制系统的关键配置

如图2所示，在明确分散控制系统的基础上，应当结合火力发电厂对于DCS分散控制系统所进行的整体设计，在火力发电厂目前给水控制系统特征的基础上，通过对于DCS分散控制系统的配置来对系统的各大关键硬件展开匹配设计。在设计过程中结合相关参数选择所需的PLC控制器，在PLC控制器中内置PID回路控制模块以及I/O接口模块，处在最大类别的I/O通道数量在4 000左右。而在DCS分散控制系统的工控机方面，也要结合实际需求展开优化设计，以此来满足控制系统的基本运行需求。在完成了DCS分散控制系统基本设计后，为了明确系统的具体性能，就要展开必要的应用测试，其中需要重点关注的是蒸汽流量出现变化后，会使得锅炉的负荷出现变化，要进一步明确这部分变化对于锅炉水位所产生的影响。结合对应测试结果可以看出，DCS分散控制系统运转正常，整体系统的稳定性比较高，可以有效实现对于锅炉水位的稳定控制，并且DCS分散控制系统中存在的各种显示功能和报警功能，也能够针对锅炉中水位的变化情况和设备后续的运转情况展开实时化显示，并进行对应的报警控制，绘制蒸汽流量与水位的变化曲线。由此可以看出，在DCS分散控制系统的控制作用下，蒸汽流量出现的大幅度扰动变化对于锅炉中水位运行变化所产生的影响比较小，水位在波动性方面也符合相关规定，这表明DCS分散控制系统相对于传统的给水控制系统来说，系统的安全性与稳定性比较高，控制系统具备较高的动态特性，这对于提高整体火力发电厂的工作效率和运行安全性起到了良好的促进作用[5]。

图2 分散控制系统的基本结构

3 结 论

通过将较为先进的控制技术应用在火力发电厂的日常工作中，已经成为促进火力发电厂生产能力提升的关键所在。在分析DCS分散控制系统的基础上，针对DCS控制系统进行优化设计，并将其应用在火力发电厂中的发电机组锅炉中，对其具体应用效果展开全面测试。结果显示，DCS分散控制系统在安全性与稳定性方面较为突出，此外较高的智能化程度能够有效提升发电厂锅炉的工作效率，实现对于工作环境的优化。