① 求一套電廠DCS控制系統方案
一體化的火電廠DCS控制系統方案研討
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http://www.chinapower.com.cn 2006年8月1日17:01 來源：成都熱電廠生產技術部
作者：付立新
摘要 本文在分析成都熱電廠嘉陵2×142MW機組DCS一體化方面的成功嘗試及不足的基礎上，提出成都熱電廠華能200MW火電機組一體化的DCS改造方案及成都金堂電廠2×600MW機組DCS系統和SIS系統的設計構想。同時對火電機組DCS一體化中應注意的幾個方面進行研討。
關鍵詞 火電 機組 分散控制系統DCS 廠級監控信息系統SIS 一體化
1 簡介
成都熱電廠目前有老廠3台2.5萬機組，華能1台200MW機組及嘉陵2台142MW機組運行，老廠待金堂2×600MW機組2007年投產後關停。其中華能#21機組屬200MW中間再熱燃煤機組，於1990年投產，汽輪機是東汽廠的N200—130—535/535型汽輪機，鍋爐是東方鍋爐廠的DG-670/140-8型中間再熱自然循環煤粉爐，由於當時機組屬「短、平、快」項目，控制系統設計較為簡單，主要控制設備為KMM單迴路控制器，機組調速系統為機械液壓式，無協調控制系統，現有的引、送風等大部分控制系統不能投入自動運行。嘉陵機組裝機容量為2×142MW， 四爐兩機，兩爐一機為一單元，第一單元機組1999年投產，第二單元機組2000年投產，一台75MW後置機於2001年投產。2×142MW機組主設備鍋爐、汽輪機、發電機均採用俄羅斯設備。75MW後置機汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產，發電機為東方電機廠生產。機組控制方式採用機爐電集中控制方式，兩台142MW機組和75MW機組設一個控制室。142MW機組DCS系統採用西屋WDPFⅡ分散控制系統，覆蓋了鍋爐、汽輪機的DAS、MCS、SCS、FSSS等功能。75MW後置機DCS系統採用新華控制工程公司的XDPS-400系統，覆蓋了DAS、MCS、SCS、DEH方面的功能。
2 成廠嘉陵機組在一體化方面的成功嘗試和不足之處
2.1.在DCS一體化的工程實踐中，成都熱電廠嘉陵機組進行了以下成功的嘗試：
⑴將FSSS 系統納入了DCS系統，FSSS的全部監視，控制點用通訊的方式與DCS相連，FSSS跳閘信號用硬接線方式與DCS相連，在DCS上顯示鍋爐點火系統的相關畫面，減少了FSSS系統的CRT，實現了運行人員在DCS上開油閥，進槍，點火的全部操作和鍋爐爐膛火焰的監視。
⑵將汽機TSI系統的全部信號接入了DCS系統，取消了立盤上的油動機行程等指示儀表，TSI 的全部信號都可在DCS 的CRT上監視，方便了歷史記錄，事故分析。
⑶75MW後置機的DCS系統包括了DEH，簡化了系統，方便了運行。
2.2.成廠嘉陵機組控制系統在一體化方面存在的不足之處
⑴DCS系統僅涵蓋了鍋爐，汽機控制部分，電氣控制完全獨立，沒有將機組鍋爐、汽輪機、發電機視作一個整體加以控制，不利於實現AGC功能，且由於電氣量未進DCS系統，不利於事故分析。
⑵機組投產後根據鍋爐一，二次風監視不準，燃燒調整困難的情況，每台鍋爐增加了風粉在線監視系統，但未將風粉在線的信號接入DCS，在DCS上顯示一，二次風壓，風速，煤粉濃度等信號，而是又增設了四台風粉在線操作員站，這樣一來運行人員不能在同一個畫面中監視給粉機和一次風壓，必須在風粉在線監視系統的CRT上監視風壓，風速及煤粉濃度等信號，而在DCS系統上操作相關的設備，調整鍋爐燃燒。
⑶由於汽輪機原來採用是轉速閉環、功率、抽汽壓力開環的液壓牽連調節系統，在試運中發現機械易卡澀、負荷波動大（約2MW左右），操作復雜，監視儀表落後，保護不完善等缺陷，為提高機組安全經濟運行水平，滿足電網要求，在機組投運後對該機組調速系統進行了DEH電調改造。針對汽輪機調節系統工作原理復雜，專業性強，重要性高的特點，在改造中選用專門的DEH系統是合理的，但目前存在的主要問題在於DCS 與DEH系統之間的通訊未很好建立，信息不能共享，測點重復。協調控制目前暫不能投入。
通過對嘉陵機組DCS系統一體化在工程實踐上的分析，筆者認為將單元機組鍋爐、汽輪機、發電機視作一個整體，把參數檢測、自動調節、連鎖保護、順序控制、顯示、報警、報表設置、監控管理融為一體，包括DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH和電氣控制等各大系統，機、爐、電不再分開，數據共享的功能一體化的DCS系統方案較DCS系統僅包括鍋爐和汽機部分的MCS、 DAS、SCS、SOE，而 FSSS、TSI、ETS、風粉在線監視等系統相對獨立，DEH自成系統，電氣系統保留常規方式不進入DCS范圍的非一體化DCS系統方案能更充分發揮DCS數據共享的優點，減少機組測點數目，簡化控制系統，節約投資。並且由於系統更簡潔，也更方便運行人員監盤操作。
3 華能成都電廠200MW機組DCS改造的功能一體化設計
3.1.改造的目標及水平
由於華能#21機組未採用DCS控制，無DEH控制，自動化水平較差，雖然近年來，我們對200MW機組的熱控系統進行了一些局部的改造，但缺乏長遠的規劃，也沒有一個固定的模式，使得該機組總體熱控水平沒有一個明顯的飛躍，為滿足機組調峰和電網自動調度的需求，提高機組的經濟效益，對＃21機進行DCS 改造是必要的。並且在進行＃21機組DCS改造中應該充分吸取DCS在各火電廠的成功運用經驗，特別是成廠嘉陵機組DCS運用的實際經驗，總體規劃，合理設計，以實用、先進、可靠、經濟為原則，採用一體化的DCS系統設計。經過改造後應能實現協調控制、電網調度自動化、主要動力設備的啟停，熱控保護聯鎖SCS控制和電氣控制,並具備與廠級實時數據系統SIS（Supervisory Information System）和廠MIS（Management Information System）系統方便聯接的功能，使機組總體熱控自動化程度接近國產300MW機組水平。並且通過熱控自動化改造這個「龍頭」，帶動對主輔機可控性和熱控一次檢測執行設備的全面治理，促進設備的可靠性提高。
3.2一體化改造的主體方案
改造的華能成都電廠200MW機組DCS系統將單元機組鍋爐、汽輪機、發電機視作一個整體，把參數檢測、自動調節、連鎖保護、順序控制、顯示、報警、報表設置，監控管理融為一體，包括DCS、MCS、SCS、FSSS、DEH和電氣ECS等各大系統。取消BTG盤，運行人員在操作員站的CRT上通過逼真的系統圖示監盤、運行。集控室採用超大屏幕顯示，大屏幕與操作員站實時顯示，互為冗餘，使常規表計降低到最低限度，只安裝必要的事故停機按鈕和火焰、水位工業電視。一體化DCS改造的具體方案如下：
（1） 汽機電調系統DEH：取消現在使用的液壓調節系統，只保留同步器的掛閘功能和全部保安系統，改用高壓抗燃油，取消凸輪配汽機構，使高壓油動機直接與調門閥桿同軸相連，改用高壓純電調型DEH，由計算機輸出的閥位指令經伺服卡使電液伺服閥直接控制油動機調門開度。改造後能實現如下功能：
① 各調門由計算機指令分別控制，風險分散，大大提高了電調的可靠性和安全性。
② 高壓油動機動作迅速，閥位閉環控制精度高，有利於調節品質的改善。
③ 汽輪機進汽更加合理，增加了單閥全周進汽，以減少轉子應力。
對於汽輪機數字電液控制系統（DEH）的一體化，則需根據DCS廠家是否有DEH控制的成熟經驗及成熟產品（專用演算法、專用介面設備）而定，假如DCS系統採用類似美國西屋或國內新華這樣的公司，由於這些公司本身就是做汽機控制發展起來的，在DEH方面有成熟的經驗和成功的業績，所以可考慮DEH和DCS一體化，如選擇的DCS廠商沒有相關的成熟經驗及產品，建議DEH系統相對獨立，採用監視處通過標准通信介面與DCS通信，控制、聯鎖、SOE信號通過硬接線方式與DCS介面，這樣，在DCS上既可監視這些系統的運行參數，也可控制這些系統的運行。
（2） 模擬量控制系統MCS：包括以下主要控制子系統：負荷協調控制CCS，燃燒控制（送風、引鳳、煙氣含氧量、給粉調節），汽溫控制（過熱汽溫度、再熱汽溫調節），水位控制（汽包水位、除氧器水位，凝汽器水位、高加水位、低加水位、汽封加熱器水位調節），壓力控制（主汽壓力調節，高、低壓軸封壓力調節）等，所有自動調節系統的SAMA圖（包括調節圖、邏輯圖）重新設計。
為適應協調控制要求，鍋爐給煤機改為變頻調速控制。給粉機的層操，單操均應在DCS上實現，取消操作盤上的給粉控制器。對於制粉系統控制，可採用技術較成熟的磨煤機最優控制策略，利用DCS系統強大的組態功能實現；並且DCS中應加入更多的保護聯鎖功能，防止因各種故障導致就地設備的誤動作。
（3） 順序控制系統SCS：對於機爐電系統中的電動門、主要電機等設備，全部改為CRT畫面軟手操，少量重要設備可設置後備手操，以確保安全停爐。增加更為完善的機爐聯鎖保護邏輯設計，確保機組安全運行。
在SCS的一體化設計時，在考慮可靠性不降低的基礎上，充分發揮DCS上信息共享和變送器可靠性優於邏輯開關的優點，將所需的開關量信號用變送器引入DCS，在DCS中通過高選，低選獲取所需的開關量信號，用於順序控制系統SCS，如汽包水位控制、高、低加水位控制、主汽溫度高、低保護等。這樣可以大大減少開關量輸入信號，節約投資，簡化系統，提高可靠性。
（4） 數據採集系統DAS：數據採集系統可將整台機組所有運行參數，輸入輸出狀態，操作信息、報警信息等以實時方式提供給運行操作人員。畫面能顯示資料庫中任一測點的實時狀態和趨勢曲線， DAS系統還包括操作指導和事件順序記錄功能（SOE）。
在DAS系統的一體化設計時，應盡可能的將需要監控的信息送至DCS，可減少不必要的非DCS的CRT。如鍋爐風粉在線系統，應將計算、顯示在DCS上實現，使運行人員在DCS的CRT上能夠監視鍋爐風壓、風速、風粉濃度等信號。TSI系統、FSSS系統都應與DCS系統有機相連，使運行人員在DCS的CRT上能夠完成汽機安全監視，鍋爐點火操作，鍋爐爐膛火焰監視等功能。
（5） 常規儀表：所有標准電信號儀表全部由DCS系統替換，重要的非標准信號（風壓、電流、轉速等）經變送器轉換成標准電信號進人DCS系統，溫度等緩變信號利用原893智能前端網採集，並接入DCS（取消溫度巡測）。
（6）後備手操：以DCS發生故障時能安全停機為原則，盡可能地減少後備手操，在一體化的DCS改造中，根據嘉陵成廠DCS系統的運行中所保留自動調節後備手操從未使用，和其它電廠取消所有後備手操的試點情況，認為自動調節的全部後備手操可取消，並可基本取消後備顯示表計，ER記錄表計，僅保留緊急停機按鈕、緊急停爐按鈕、斷給粉饋線電源按鈕、安全門保護等重要按鈕，其餘部分不設後備手操。
（7）電氣控制系統（ECS）：取消機組現有的強電控制盤台，以DCS的CRT/KB為機組的監控中心，同時將發電機，變壓器以及廠用電系統中電氣系統監控納入DCS，電氣與熱控合用一套分散控制系統DCS，實現集中管理、分散控制，爐、機、電一體化控制對於電氣的專用自動裝置如發電機的AVR，自動准同期裝置，廠用電源快切裝置，繼電保護系統等仍採用專用裝置來實現。這些裝置可用通信方式或硬接線方式與DCS介面，另外設置必要的緊急跳閘按鈕。
（8）一次執行檢測部分：影響協調投用的關鍵性設備將予以更換，如給水調節系統的給水調門、漏流量大的減溫水調節閥和減溫水電動門、送風控制系統的煙氣含氧量測量裝置和引風執行機構籌。
（9）電纜：能否良好地接地和信號屏蔽是電廠DCS控制系統能否穩定運行的重要因素。按規范要求信號線與電源線應分開敷設，而且信號線應採用總屏蔽並帶分屏蔽的電纜。因此：為保證成廠華能200MW火電機組的DCS改造後DCS控制系統的可靠性，在資金許可的條件下，最好所有進入DCS系統的信號線（如熱電偶、熱電阻、變送器）電纜和所有電動門、執行器電纜都更換為屏蔽電纜。如資金不許可，則所有進入DCS系統的信號線（如熱電偶、熱電阻、變送器）電纜都應更換為總屏蔽並帶分屏蔽的電纜，而其它電動門、執行器電纜可保留。
（10）與廠級監控信息系統SIS及MIS聯結。在一體化的DCS改造時，充分考慮全廠信息化建設的需要，預留與SIS及MIS連接的介面。
4 成都金堂2×600MW機組DCS系統和SIS系統的設計構想
目前成都金堂2×600MW機組正處於初設階段，機組DCS系統及SIS系統的整體設計對今後的運行十分重要，因此在設計階段就應將MIS、SIS及DCS系統統一規劃，一體設計，避免因設計和建設階段未予考慮造成MIS、SIS系統後續開發和建設的困難。
金堂2×600MW機組每台機組應各設置一套分散控制系統（DCS）。DCS系統的主要功能包括DAS,MCS,SCS,FSSS,汽機旁路控制及發電機－變壓器組及廠用電的監控等。DEH及MEH應要求廠商提供與DCS相同的硬體，以實現一體化的監控。輔助車間按水，煤，灰系統，採用PLC+上位機組成區域網，設置三個輔助車間（系統）的相對集中控制點，對於是否在三個區域網的基礎上進而組成全廠輔助車間網路，並在單元控制室設置監控點的問題，筆者認為目前技術上是可行的，但由於三個輔助車間（系統）地域分散，需巡視設備點較多，專業差異大，在單元控制室監控的效果尚待考驗的具體情況，建議本期暫不考慮。
SIS系統一方面提供從電廠控制系統取得的實時數據及其處理後的信息，為生產過程的實時監控和管理服務；另一方面通過計算和分析，提取出生產過程綜合信息作為管理和操作的依據和指導，使管理者能科學的決策。SIS的基本功能有：1.全廠生產過程監控信息共享；2.全廠機組間負荷經濟分配及調度；3.廠級性能計算和分析；4.主機故障診斷；5.機組壽命計算和分析；6.主要設備狀態（泄漏、磨損等）檢測和計算分析。由於目前國內SIS系統的建設和使用經驗還不成熟，因此建議金堂2×600MW機組SIS系統功能的配置應根據需要及技術發展的可行性總體規劃後分步實施，現階段暫按1、2、3項功能考慮。
5 關於火電機組DCS一體化中幾個方面問題的研討
5.1 關於電氣控制進入DCS的討論
將爐、機、電作為一個整體，更有利於實現整個發電機組的綜合自動化和提高管理水平，且單元機組可真正達到完全集控運行，方便實現AGC（Automation Generator Control）功能。
電氣系統監控過去很長一個時期內，都採用強電「一對一」硬手操控制，發電廠電氣設備的控制絕大部分為作用於斷路的簡單的跳、合、邏輯控制，其操作開關布置在電氣控制屏台上，電氣常規控制的最大問題是所有斷路器需要運行人員一對一手動操作，而且因控制室屏面的限制，大量廠用電系統的開關只能就地操作，這種控制模式對當前發電廠的「減人增效」不利，也使電廠自動化水平的提高受到制約。隨著計算機技術的不斷發展和用於工業過程式控制制DCS設備製造質量的完善提高，發電機，變壓器以及廠用電系統中電氣系統已成功的納入了DCS監控，對於電氣的專用自動裝置如發電機的AVR，自動准同期裝置，廠用電源快切裝置，繼電保護系統等仍採用專用裝置來實現。這些裝置可用通信方式或硬接線方式與DCS介面，另外設置必要的緊急跳閘按鈕，實現爐、機、電一體化控制功能。
電氣控制系統進入DCS後，對於電氣和熱控兩個專業調試工作的分式、配合也有新的問題，原則上熱控人員應負責DCS系統維護工作，而所有電氣信息的處理，電氣控制，連鎖保護邏輯功能應由電氣人員負責，全部電氣控制功能應由電氣人員負責試驗。
5.2.關於DCS一體化程度問題的研討
一體化的DCS方案可有2種，方案1是在工程條件具備時，採用設備型號統一的DCS一體化方案，方案2並不強調控制設備型號統一，但力求運行監控運行維護及信息共享的一體化。筆者認為目前在推行一體化的過程中，應著重強調運行監控運行維護及信息共享的一體化，盡量整合，但不必強求設備型號的統一，對於一些與主設備配合密切，控制方式相對獨立的控制系統，如FSSS熄火保護系統，汽輪機數字電液控制系統（DEH）及旁路系統等，則需根據DCS廠家是否有這些控制的成熟經驗及成熟產品（專用演算法、專用介面設備）而定，不應一味強求在不具備條件的情況下堅持用某一設備完成全部功能，而最終造成方案失敗。因此目前要實現這種功能上的一體化，重要的是要實現不同系統間的信息（包括控制信息）共享，這樣，在DCS上即可監視這些系統的運行參數，也可控制這些系統的運行。
5.3.關於一體化的DCS中信息共享問題的研討
80年代初，引進美國熱控設計的主導思想是CAMP概念，C為Control控制，A為Alarm報警，M為Monitor監視，而P代表Protect保護，CAMP是指控制、報警、監視和保護需互相獨立，組成各自的系統。其中包括變送器，邏輯開關等一次測量裝置在各系統也要獨立配置，因此，設計的系統較復雜，變關器，邏輯開關等測量裝置也特別多，給運行、維護帶來不便。但經過近20年DCS在電廠的成熟應用，各大系統的區分以不再明顯，且能相互兼容，特別是隨著DCS可靠性提高，使變送器的兼容更能實現，比如自動調節迴路也有超弛保護，越限報警等保護功能。從2001年國家電力公司「關於電站鍋爐汽包水位監控系統的配置、安裝、運行的若干規定（試行）的通知」中：用單室平衡容器經補償後的變送器水位信號作為汽包水位保護信號的要求，以及目前在採用DCS控制的機組的熱控專業劃分上，很多電廠已不在源用以前的自動、保護、溫度、流壓、電動頭的劃分方式，而改用機控、爐控劃分方式的情況。也正體現了這一改變，因此在一體化的DCS設計時，在考慮可靠性不降低的基礎上，可充分發揮DCS上信息共享和變送器可靠性優於邏輯開關的優點，將所需的開關量信號用變送器引入DCS，在DCS中獲取所需的開關量信號，如汽包水位控制、高、低加水位保護、主汽溫度高、低保護等。
6 結束語
隨著計算機技術、通訊技術和控制技術的不斷發展，為滿足電網需要,火電機組必須具備更高的調節適應能力，採用廠級監控信息系統（SIS）、一體化的分散控制系統（DCS）及輔助車間控制系統組成信息共享，功能強大的生產自動化網路的方案，技術先進，方案合理，切實可行，它可以進一步提高機組的經濟效益和安全效益，使機組的運行管理水平上一個新的台階。
參考資料：
1.陳利方《電氣系統監控納入DCS改造的設計與實踐》電力系統自動化2002.4
2.唐之寧《300MW燃煤示範電廠的儀表與控制系統設計方案》中國電力2001.12
② 發電廠常用的自動化裝置
發電廠常用的自動化裝置：發電機自動勵磁裝置，自動准同期並列裝置，自動回重合閘裝置，汽輪機自答動調速裝置，除氧器水位自動裝置，凝器水位自動裝置，高加水位自動裝置，鍋爐汽壓汽溫自動裝置，汽包水位自動裝置，鍋爐燃燒自動裝置，等等。
③ 火力發電熱力系統包括哪些設備
火電廠熱力系統主要有蒸汽中間再熱系統、給水回熱系統、對外供熱系統、廢熱利用系統、蒸發器系統、旁路系統和疏水系統。
1.蒸汽中間再熱系統
將蒸汽從汽輪機的中間級引出，到鍋爐再熱器中重新加熱，然後送回汽輪機的下一級繼續作功的系統。其目的是在提高初壓力的情況下，使汽輪機尾部蒸汽的濕度不致過大，保證汽輪機長期安全工作。根據壓力提高的程度，可裝設一次或二次中間再熱系統。近代火電廠為提高熱經濟性，鍋爐汽輪機組多為超高壓（～13兆帕）以上壓力，故多採用蒸汽中間再熱系統。
2.給水回熱系統
由汽輪機不同壓力的中間級處抽出部分蒸汽用於加熱凝結水和給水的系統。這部分回熱用抽汽作的功沒有冷源損失，是提高火電廠熱經濟性的主要措施之一。近代火電廠通常採用7～8級(甚至 9級)回熱加熱系統。
3.對外供熱系統
用汽輪機作過功的蒸汽對外界供熱的系統，多用於熱電廠。
4.廢熱利用系統
回收電廠中排汽、排水熱量的系統。其目的是減少工質和熱量損失。主要包括汽輪機軸封冷卻器、自然循環汽包爐的連續排污擴容器和排污水冷卻器。
5.蒸發器系統
採用蒸發器以生產電廠鍋爐補給水的系統。高壓汽包鍋爐和直流鍋爐要求高度純凈的補給水，以往，一般採用蒸發器的蒸餾水。即用汽輪機的中間抽汽加熱軟化水並使之蒸發，生成的二次蒸汽在回熱系統中冷卻凝結成水作為補給水。因為此系統增加熱力系統的復雜性和設備投資，降低熱經濟性，現已逐漸被化學水處理技術所取代。
6.旁路系統
使鍋爐產生的蒸汽全部或部分繞過汽輪機或過熱器，經減溫減壓後直接排入凝汽器或大氣的系統。其功能是在機組啟、停及發生事故時，協調鍋爐產汽量和汽機用汽量的不均衡，保護汽輪機和再熱器，改進機組啟動和負載特性，它具有啟動調節、安全保護和回收工質的三重作用。旁路系統通常有過熱器旁路、汽輪機旁路和三用閥旁路等類型。
7.疏水系統
用於排除蒸汽設備及管道中的凝結水和水容器的溢流水的系統。它可保證各該設備的正常工況和減少熱力系統中的工質損失。有起動疏水和經常疏水兩種。