新建火電工程熱工控制系統設計優化及應用

魏霞，劉波

(1.新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047;2.華電新疆發電有限公司烏魯木齊熱電廠，新疆 烏魯木齊 830065)

0 引言

隨著單元機組裝機容量的不斷擴大和國家對電源建設項目環保方面要求的不斷提高，火力發電廠熱工控制系統變得越來越復雜和龐大;同時，自動控制領域的技術日新月異，可供火電建設項目采用的新器件、新系統和新方法越來越多。在上述背景下，對火電建設項目熱工控制系統進行合理的前期規劃，建設過程中加強對技術規范書和施工圖紙的審核工作，積極推行典型化設計方法，有效控制設計變更，就能保證機組建設工作平穩有序地向前推進以及機組投產后的安全、穩定、經濟運行。

1 機組概況

華電新疆發電有限公司烏魯木齊熱電廠2×330 MW熱電聯產工程是新疆首臺330 MW等級供熱機組，其主要上煤方式為管帶機上煤，采用城市中水深度處理系統為循環水系統和鍋爐補給水系統提供用水，是全國首個火電廠煙氣脫硫特許經營的試點項目。單元機組(含脫硫部分)和公用設備控制系統采用國電南自公司的TCS－3000分布式控制系統DCS(Distributed Control System)，汽輪機控制系統采用艾默生公司的OVATION系統，水網、煤網和灰網控制系統采用羅克韋爾公司的ControlLogix系統(平臺)，其熱工控制系統的先進性、復雜性等指標在新疆火電行業均排在前列。

2 存在的問題及解決方法

2.1 系統(設備)運行控制方式決定熱工控制系統設計框架

系統(設備)運行控制方式是指運行人員操作設備的方式，其主要決定于運行人員的數量、素質，各系統單體建筑布局和控制系統等因素。

國內330 MW機組比較典型的熱工控制系統框架形式為主、輔機控制系統合并，在空間上和邏輯上實現高度集中。從網絡拓撲來看，該種控制方式具有整齊劃一、層次鮮明的特點，但結合實際情況來看，輔機系統(化學水處理系統、輸煤系統和灰渣系統)具有“設備多”、“操作多”和“缺陷多”等特點，如果把輔機系統控制操作也放在集控室，其日常操作會嚴重影響主機操作，特別是開、停爐期間，主、輔機均存在大量操作，必然會互相影響，降低工作效率和可靠性。

另外，高度集中的輔控網絡(水子網、灰子網和煤子網合并形成輔控網絡)在上層通信網絡出現異常后，運行人員須立即到就地水子網、煤子網和灰子網控制室進行就地控制操作，勢必延長故障處理時間。

考慮到上述因素，該項目熱工控制系統框架形式最終確定為主、輔機控制分離，將水子網、煤(含燃油)子網和灰(含電除塵)子網控制系統實現了物理上的集中，即將各子網中的1臺操作員站集中布置到輔機控制室，取消了邏輯上的集中方案——輔網控制系統。受篇幅限制，這里只列舉水子網具體的實現方式，如圖1所示。

2.2 系統測點數量、種類及控制功能設計應滿足系統全運行工況要求并采用典型設計方法

分析該工程熱工專業設計變更內容可以看出，涉及增補I/O通道、電纜和一次設備(壓力變送器、溫度取樣等)的變更最多，出現這種現象的主要原因有2方面:一是熱工設計人員一般只考慮系統正常運行工況，對系統投入初期或系統切換工況考慮較少或未考慮;二是設計院對發電廠典型設備、系統的控制方案未進行充分總結，未有效遵循典型設計方法，以往項目發生的問題會在下一個項目重新出現，成為設計通病。

圖1 水子網控制系統實現方式示意圖

這里要提出一個“典型設計”的概念，所謂的典型設計是指利用歸納的方法總結完成特定系統設計工作所應遵循的共性。發電廠熱工專業典型設計可歸納為以下幾種:

(1)各類電動機軸承、線圈溫度測點設置;

(2)高/低壓加熱器和除氧器等容器液位變送器、液位開關設置;

(3)大型轉機設備配套潤滑油站就地、遠程和聯鎖控制;

(4)2用1備或1用1備泵類設備就地、遠程和聯鎖控制;

(5)電動機變頻控制和變頻/工頻切換控制;

(6)330 MW等級機組汽輪機電液調節系統(DEH)、給水泵調節系統(MEH)、汽輪機危急跳閘系統(ETS)、給水泵汽輪機危急跳閘系統(METS)與分散控制系統(DCS)接口設計;

(7)各類設備就地控制柜與DCS之間的接口設計;

(8)控制系統冗余供電設計等。

設計工作遵循典型化、模塊化設計方法，該方法有3個優點:

(1)對系統(設備)有較為詳細的功能描述，避免在設備招標、交貨和安裝階段出現“扯皮”現象;

(2)大幅減少設計工作量，有效提高施工圖出圖效率;

(3)在施工圖階段避免遺漏測點、I/O通道及電纜，有效控制熱工專業設計變更。

2.3 設備選型宜保持一致

設備選型保持一致會給發電廠在人員培訓、備品備件購置等方面帶來諸多好處，究竟有哪些熱工設備選型宜保持一致?

(1)從現場級來講，主要有電動執行器、氣動閥門定位器、低壓元器件(包括指示燈、按鈕、空氣開關、接觸器、繼電器等)、液位計、物位計和各種過程開關。

(2)從控制級來講主要是水、煤和灰子網控制系統所用的PLC系統及人機界面軟件平臺［1］。該工程水、煤和灰子網控制系統選用的硬件平臺均為羅克韋爾公司的ControlLogix 5000平臺，軟件平臺均為GE公司的IFix4.5平臺，控制系統軟、硬件平臺的統一，極大減輕了熱工人員的培訓負擔，降低了不同系統之間的通信難度，減少了不同廠家之間協調的工作量，節約了寶貴的調試時間。

怎樣才能保證熱工設備選型保持一致?

(1)從招標規范書著手，對涉及現場級、控制級設備的廠家、類型做出明確的規定。為了避免設備指定后價格上漲，可以在招標規范書中列出3家以上的設備廠家，待簽訂技術協議書時再確定具體廠家。

(2)加強到貨驗收的力度，對于未按技術協議供貨的廠家堅決給予處罰，從源頭上遏制此類事情的發生。

表1為該項目水、煤和灰子網控制系統控制器配置情況。

表1 水、煤和灰子網控制系統控制器配置情況

2.4 系統之間的通信接口、全廠GPS應用需及早規劃

現代火力發電廠有諸多系統，為了達到數據共享、實時分析運行指標的目的，一般都會引入統一的數據平臺——廠級監控信息系統SIS(Supervisory Information System)［2］。建設SIS不可避免地會出現各種異構系統與SIS之間的通信問題，因此，需提前對兩者之間的通信物理介質(光纜、雙絞線等)和通信協議做出規劃并在設備(系統)招、投標過程中予以確定。

另外，因國家對環保監測要求不斷提高，為了加強對電廠脫硫系統和供熱系統正常投入的監管力度，要求將部分重要脫硫數據、熱網數據傳輸到環保局、電力公司等單位，因該項工作事關脫硫電價的落實和采暖期供熱機組的負荷率，亦需及早規劃。該項目SIS及各系統之間的通信規劃見表2(表中，NCS為電力網絡計算機監控系統)。

表2 SIS及各系統之間的通信規劃

最后，為了盡量做到全廠各系統時鐘同步，全廠GPS裝置的設置和使用也需及早規劃。從使用GPS功能的系統所處位置來看，主要分布在2個單體建筑內:一個是主廠房，主要有DCS，DEH系統和發電機變壓器組保護等繼電保護設備;另一個是110/220 kV升壓站，主要有線路保護、NCS和調度運動等系統。該工程在這2個單體建筑內各設置1套GPS裝置，各系統均從本地GPS裝置讀取時鐘數據，GPS接口的系統分布情況見表3。

表3 GPS裝置分布情況

2.5 優化熱工專業一次元件設備選型

熱工專業一次設備點多面廣，各類本體設備或多或少地含有各種熱工一次元件，究竟如何選定設備本體的測點數量和類型，以期達到既可滿足運行人員監視需求又能減少不必要測點的目的，這類問題在文中第2.2節進行了討論，此處單獨將此類問題提出是為了著重探討2類設備的選型原則。

(1)在不違反設計規程或其他強制性條文的原則下，將過程壓力開關、壓差開關盡量改為壓力變送器、壓差變送器，主要有以下3個原因:

1)隨著科學技術的進步，變送器設備可靠性極高，平均無故障時間已達到幾百萬小時且價格較低。

2)可以擴大運行人員的監視范圍，為事故分析提供直觀的過程歷史數據。

3)可大幅減少大、小修期間熱工開關儀表校驗工作量。但大、小機緊急跳閘系統(ETS)由于其過程開關為汽輪機制造廠的典型設計，必須將其保留。

(2)液位開關的使用應慎重，根據重要程度選擇測量準確的冗余模擬量測量方式并采用模擬量“多取中”邏輯來實現水位保護功能。

該項目選用的液位開關數量較多，但投入效果一般，特別是除氧器、凝汽器和高/低壓加熱器等容器上的液位開關在機組168 h試運期間曾發生數次誤動現象，如通過“優化選型”和“冗余設置”的方法提高模擬量水位測量的準確性并采用模擬量“多取中”方式來實現水位聯鎖保護，可達到降低造價、提高保護動作準確率且大大降低設備維護量之目的。

2.6 計量系統建設工作應在設計、安裝和調試全建設過程中統籌安排

計量系統主要作用是完成對水、煤、油和汽等工作介質損耗的統計計量。在火力發電廠基本建設期間，由于生產準備工作在計量系統建設方面介入較晚、工程建設人員重視不夠等原因，使全廠計量系統功能遠遠達不到機組投產后計量工作的要求。

新建火力發電廠在經過168 h試運后將正式進入試生產階段，在此階段，機組各種經濟運行指標將成為評價火電工程設計優劣、建設質量好壞的依據。而動態定量分析、計算機組各項運行指標又必須有工作介質損耗量等基本數據，因此，在設計、施工和調試全建設過程中應統籌安排全廠計量系統建設工作，為準確計算各項指標奠定堅實基礎。

在全廠計量系統建設方面，該工程有2點經驗值得借鑒:

(1)計量表計的設置在力求節約的基礎上應滿足子系統各類工作介質損耗的計算需要。

(2)計量表計的瞬時值、累積值宜通過通信的方式引入DCS或SIS，不宜采用模擬量采集、DCS積算的方式，避免因模擬量采集誤差造成DCS與就地計量表計示值不一致［3］。

3 結束語

本文總結了華電新疆發電有限公司烏魯木齊熱電廠2×330 MW熱電聯產工程熱工專業設計工作中的典型問題，有針對性地提出了解決辦法和注意事項。希望文中所述觀點能對后續火電建設項目熱工專業設計工作有所幫助。

［1］河南省電力公司.火電工程調試技術手冊:熱工卷［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］國家電力公司電力建設工程質量監督總站.電力建設工程施工質量監督－調整試驗工程［M］.北京:中國電力出版社，2002.

［3］DL/T 774—2004，火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程［S］.北京:中國電力出版社，2004.