DCS 在國能惠民生物質電廠中的應用

杜之正，呂麗霞，范巧云，張 嵩，周 青

(1.華北電力大學自動化系，河北保定071003;2.山東電力研究院魯能控制公司，山東濟南250002)

0 引言

生物質發電主要是以農業、林業和工業廢棄物為原料，采取直接燃燒或氣化的發電方式，具有資源分布廣、可持續利用等特點。我國是一個農業大國，生物質資源十分豐富，各種農作物每年產生秸稈6億多噸，其中可以作為能源使用的約4億噸。秸稈熱值約為15000kJ/kg，相當于標準煤的50%。如果加以有效利用，開發潛力將十分巨大。

國能惠民生物質電廠30MW機組，采用振動爐排方式燃燒秸稈、額定功率為130t/h高溫高壓參數的電站鍋爐和額定容量為30MW的單級抽氣凝汽式高溫高壓參數的汽輪發電機組。其DCS采用山東電力研究院魯能控制公司的LN2000分散控制系統。本項目每年可燃燒秸稈30余萬噸，在節約能源保護環境的同時，增加了當地農業收入，促進了經濟的發展。

1 工藝介紹和系統需求

國能惠民生物質發電項目中以30MW的凝汽式汽輪發電機組和130t/h的高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工段，同時包括上料、爐前料倉、化水、電氣等輔助工段。該工程按照示范電站設計指導思想設計，其設計目標是使電廠具有較高的機組自動化水平，較少的人員編制，以降低電廠的發電運營成本。系統的DCS的I/O測點為2916個。該生物質燃料鍋爐工藝流程如圖1所示，主要由汽包、爐膛、過熱器、省煤器等鍋爐本體和給料機、送風機、引風機、二次風機、空氣預熱器等輔助設備組成。

圖1 生物質燃料鍋爐工藝流程圖

該生物質電廠的系統需求為:需要提供過程控制站、現場總線和I/O總線冗余;設置GPS校時和SOE事件順序記錄;鍋爐、汽輪機主控可自定義功能設計;具備第三方設備通訊功能;具備自診斷能力，包括過程控制站和I/O自診斷功能。對于以上系統需求，LN2000 DCS以其快速的功能響應和良好的控制性能，成功地為整個電廠的主控、輔控一體化提供了控制方案，并在具體實施中取得了良好的效果。

2 LN2000 DCS硬件配置方案

LN2000分散控制系統由上位計算機系統和過程站控制系統組成。上位計算機系統是由工控機構成的功能強大的檢測和控制系統，通過工控機上安裝的LN2000 DCS軟件，經過合理的系統設計組態實現對整個生物質電廠的動態監測和控制。該系統包括5臺操作員站、1臺工程師站、1臺值長站、7對冗余過程控制站，采用過程控制站、現場總線和I/O總線冗余的網絡結構，所提供的數據采集監控和現場級控制工藝設計完全符合了生物質電廠生產要求。該系統的鍋爐部分、FSSS部分、汽輪機部分、電氣部分、化水部分和吹灰部分各配置一對冗余DPU。該系統的硬件配置方案如圖2所示。

過程控制站能接受工程師站下裝的組態信息，采集I/O模塊數據，執行控制策略，并通過I/O模塊控制遠方設備。DPU上的兩個CAN網絡控制器采用主從方式與I/O模塊通信，實現冗余能力，從而保證對遠程設備的正?？刂?。上位計算機系統和過程控制站之間，采用冗余的以太網傳輸網絡，構成一個完整的系統，使操作人員能夠通過整個系統實現對現場設備的監測和控制。該系統I/O模塊分布如表1所示。

圖2 系統硬件配置方案

表1 系統I/O配置表

3 系統的操作監控

3.1 控制方式

LN2000 DCS所有設備控制閥的控制方式均采用遠程、就地相結合，并能互相切換。遠程控制時，操作員在操作員站上對設備控制閥等進行狀態監視和動作控制是通過LN2000 DCS中的SAMA圖邏輯組態軟件和操作員站監控軟件來實現的。下面以爐膛負壓控制為例進行說明，主要以SAMA圖進行控制邏輯組態，操作員以監控畫面進行操作控制。爐膛負壓控制的SAMA圖如圖3所示。

爐膛壓力調節器取正作用，當發生風系統擾動使爐膛壓力下降時，調節器的輸入偏差Δ＜0，由于調節器取正作用，故調節器輸出減小，要求減小引風量以維持爐膛壓力。

圖3 爐膛負壓控制SAMA圖

當出現下列情況之一時，爐膛壓力控制切至手動狀態:1)三個爐膛壓力測量信號中兩個發生故障、爐膛壓力調節器測量值與給定值偏差大于規定值、爐膛壓力超出規定值、引風機控制均處于手動狀態。2)當引風機控制指令與閥位信號的偏差大于規定值或引風機停運及啟動過程中，對應的引風機控制切至手動狀態。

爐膛負壓控制系統的原理如圖4所示。

圖4 爐膛負壓控制原理圖

它是以爐膛壓力為給定值的單回路控制系統，被調量是爐膛壓力，調節變量為引風量，通過控制引風機的風量使爐膛壓力維持在規定的范圍內;擾動來自鍋爐的送、引風系統和爐內燃燒的穩定程度。當爐膛壓力超過許可值時，將引起鍋爐MFT保護動作。由于爐膛壓力控制系統的重要性，故爐膛壓力信號采用三取二的方式，以提高系統的可靠性。

3.2 主要控制系統

生物質發電廠應該具備的主要控制系統有數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、爐膛安全監控系統(FSSS)、電氣監控系統(ECS)、燃料輸送系統、化學水程控系統等。這些控制系統的功能是通過LN2000 DCS組態及編程軟件的基礎上，根據系統的控制邏輯組態后實現的。

DAS采集、處理與電廠機組有關的重要測點信號和設備狀態信號，使操作人員能得到及時的運行信息，從而保證了機組安全、經濟運行。同時，DAS還具備了屏幕顯示、參數越限報警、事件序列、事故追憶、性能與效率計算和經濟分析、打印制表、歷史數據存儲等功能。

MCS完成單元機組及輔機系統的模擬量自動調節控制。該系統將鍋爐部分、汽輪機部分、電氣部分作為一個整體進行協調控制，從而使鍋爐部分和汽機部分同時響應負荷要求，這樣就保證了機組快速適應負荷變化，保持穩定運行。該生物質電廠的模擬量控制系統主要包括機組協調主控、送風控制、爐膛壓力控制、燃料控制和給水控制等系統。該項目的單參數回路的自動調節任務也是由MCS來實現的。

SCS對機組主要設備組或子組進行順序啟停控制是按照各設備的啟停運行要求及運行狀態并且經邏輯判斷發出操作指令來實現的。同時根據該生物質電廠的工藝要求實施聯鎖與保護。該工程的主要順控系統包括送風機系統、引風機系統、空預器系統、秸稈燃燒系統及秸稈輸送系統等。

FSSS可以在鍋爐出現異常工況時發出報警，并且發出使相關輔機啟、停的指令;是通過連續監視鍋爐在各種工況下的運行狀態，隨時進行邏輯判斷來實現的。可見，它按照預定的邏輯順序對有關設備進行控制是通過一系列的聯鎖條件來實現。主要控制功能包括爐膛吹掃、火焰檢測和滅火保護、爐膛壓力保護、主燃料跳閘及停爐后吹掃等。

ECS對所有的電氣設備實現安全可靠的軟手操，同時提供必要的順序控制及閉鎖功能。監控系統主要是對該生物質電廠的發電機變壓器組、發電機勵磁系統、高壓廠用電源、低壓廠用電源、不停電電源系統、直流系統及380V廠用電系統等進行監控。

燃料輸送系統是由卸料系統、儲料系統、上料系統組成。輸料系統采用DCS控制和就地控制2種控制方式。帶式輸送機與分配帶聯鎖控制，系統內設備均設聯鎖保護。

化學水處理控制系統作為DCS的一個子站與DCS相連，該系統留有與汽水取樣系統的冗余以太網通訊接口。加藥系統配有獨立的控制柜，為實現全自動運行，留有冗余的以太網接口。采用程控、遙控及就地操作相結合的控制方式，并能相互切換。

4 結束語

LN2000 DCS在國能惠民生物質發電廠30MW機組的成功應用，充分體現了LN2000 DCS對生物質電廠的復雜工藝過程的整體控制和適應能力。系統運行穩定可靠，既減少了操作人員的誤操作次數，降低了運行人員的勞動強度，提高了工作效率，取得了良好的效果，也為相似工程提供了參考。

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