煤氣綜合利用發電項目中DCS控制系統的應用

高 飛

（安徽馬鋼工程技術集團有限公司，安徽馬鞍山243000）

煤氣綜合利用發電項目中DCS控制系統的應用

高 飛

（安徽馬鋼工程技術集團有限公司，安徽馬鞍山243000）

近幾年節能環保、降低能耗越來越受到鋼鐵企業的重視，利用富裕煤氣發電項目也越來越多，其控制系統包含數據采集與處理系統，模擬量控制系統，輔機順序控制系統等，并需要滿足運行可靠、響應快速、人機操作友好，維護方便等要求。基于此普遍采用DCS系統，簡要介紹了NT6000系列DCS系統在長江鋼鐵煤氣發電項目中的應用。

煤氣鍋爐；余熱發電；應用；DCS

1 引言

在我國鋼鐵產能過剩，鋼鐵行業競爭日益加劇的背景下，節能環保、降低能耗越來越受到鋼鐵企業的重視。煤氣作為鋼鐵生產中的重要產品和燃料，怎樣才能發揮其最大效能更是受到各大鋼鐵企業關注。目前來看，利用富余煤氣發電這種既節能環保又能給企業帶來可觀經濟和社會效益的方式受到越來越多鋼鐵企業的歡迎。

為了有效解決轉爐煤氣的回收和高爐煤氣日常放散問題，安徽長江鋼鐵公司（簡稱長鋼）審時度勢決定新上一套煤氣綜合利用發電系統，使大量的富余煤氣得到吸納，減少煤氣放散，達到節約能源、保護環境的目的。

長鋼煤氣綜合利用發電工程，根據現有煤氣余量，主要配置2座130 t/h全燒煤氣鍋爐和2套35 MW汽輪發電機組及其配套設施，正常運行按照單元制運行，蒸汽母管采用切換制母管。

2 技術方案確定

電廠汽機、鍋爐的控制要求復雜，安全性要求高，燃料、水等相關輔助設施龐大，產生的電能受電網調度要求高等，造成用于電廠的自動控制系統應具有回路反饋控制、順序控制、混合控制等復雜控制功能，還要具有驅動多種執行機構的要求，完成復雜計算能力及先進控制功能。這就要求自動控制系統功能足夠強大，采用集散控制系統是最好的解決方案。

眾所周知在電力行業控制系統均采用DCS系統，這是由于其優越的性能決定的。相比PLC系統，DCS具有系統安全可靠性、操作簡便性、模擬量高運算性能等無法比擬的優勢。

長鋼煤氣發電工程工藝采用兩爐兩機，主蒸汽管道采用切換制母管，這種工藝配置要求自動控制系統既能滿足單元工作制的安全可靠運行，又要滿足母管制運行時的相互協調，并且還要考慮到后期在線檢修維護等諸多因素。

兩爐兩機等多爐對多機運行方式的DCS控制系統雖然在電廠中應用的比較廣泛，但各家DCS系統配置各不相同。首先確定整個系統的初步方案，然后基本確定大致的IO點數量和控制回路數量，在滿足工藝要求基礎上，對多家DCS廠家的產品進行了綜合比選后，最終選取南京科遠自動化公司的NT6000系列DCS產品。

NT6000系列產品具有可靠、易用、技術先進等特點，在電力行業有著驕人的業績，技術服務也是及時高效。

3 系統設計及實施

3.1 DCS系統設計

熱工儀表專業繪根據工藝委托制各個系統的流程圖。電氣專業將各個設備的IO信號整理，交由熱工儀表專業匯總。完成IO清冊初稿，與DCS系統集成商聯合進行系統設計。

整套系統總配置IO點數3512點，其中鍋爐系統1612點，汽機系統1256點，公用系統644點。

整套系統包括如下子系統，

DAS：數據采集與處理系統

MCS：模擬量控制系統

SCS：輔機順序控制系統

DEH：汽機數字電液控制系統

ETS：汽機緊急跳閘保護

TSI：汽機本體儀表

FSSS：鍋爐爐膛安全監視系統

其中DAS、MCS、SCS系統納入統一的分散控制系統（DCS）內。

DEH、TSI、ETS系統由汽機廠配套，汽機廠為每套汽輪發電機組提供一套DEH汽機數字式電液控制系統。DEH由計算機控制部分（也叫數字控制系統）和EH液壓執行機構組成。它能實現升速（手動或自動），配合電氣并網，負荷控制（閥位控制或功頻控制）及其他輔助控制，并與DCS通訊，控制參數在線調整和超速保護功能等。NT6000系統典型組態見圖1所示。

圖1 NT6000系統典型組態

以DCS系統HMI畫面作為主要監控手段，操作臺上僅安裝少量的機組緊急停運的操作按鈕開關。機組聯鎖保護回路的邏輯功能采用分散控制系統DCS來實現。

*DPU（控制單元）配置如下，

1#鍋爐系統：3對

1#汽機系統：2對

2#鍋爐系統：3對

2#汽機系統：3對

公用系統：2對

循環水系統：1對

*機柜配置如下，

1#鍋爐系統：3面

1#汽機系統：2面

2#鍋爐系統：3面

2#汽機系統：3面

公用系統：2面

循環水系統：1面

3.2 DCS系統供電設計

每臺機組儀控系統有三路總電源。第一路為交流220 V，來自UPS；第二路為交流380V（四線制），由電氣直接向儀控交流電源柜供電;第三路為直流220 V，來自電氣直流屏。循環水泵房DCS遠程柜的兩路儀控交流220 V電源，一路來自1#機組DCS電源柜UPS電源回路，另一路來自2#機組DCS電源柜UPS電源回路。

DCS電源系統配置如下：

UPS電源：2套，容量各15 kVA

1#機組儀控電源柜：2面

2#機組儀控電源柜：2面

1#機組DCS電源柜：1面

2#機組DCS電源柜：1面

3.3 DCS系統接地設計

接地對于DCS系統的可靠安全運行起著至關重要的作用，其要求如下，

各個機柜的PE為屏蔽接地銅排,各個機柜的TE為保護接地銅排；

機柜需要浮空，加橡膠墊，與槽鋼絕緣；

各個機柜之間接地銅排至電源柜的接地線截面積＞16 mm2；

接地線要求為多股軟芯；

每個機柜的TE銅排與DCS接地總母排之間的電阻小于2歐姆；

所有PE銅排接地線均應在大地真實阻抗的5歐姆范圍之內，相互間也應在2歐姆之內；

儀控接地采用單獨接地，接地電阻不大于4歐姆，若測試達不到要求需增打接地極，接地極布置與主接地系統相距不小于10 m，和獨立和防直擊雷接地體相距20 m以上。

接地干線、支線均采用絕緣導線，以期達到與其他接地系統電氣隔開。裸導體在固定處或穿墻處應有絕緣保護以防被腐蝕。接地極打入廠房室外地坪下0.8 m，與房屋距離大于3 m。

接地系統采用焊接連接或銅接線鼻螺栓連接。

3.4 電子設備間、機爐集中控制室布置

采用汽機集中控制方式，在機爐集控室內布置1#和2#機組的DCS、DEH的操作臺，在工程師室布置1#和2#機組的DCS、DEH-工程師站。

1#和2#汽機電子設備間布置在汽機主廠房內與電氣閥門控制室合用一個房所。電子設備間將布置DCS機柜（含DCS電源柜）、DEH/ETS機柜、儀控電源柜、UPS柜等,見圖2。

圖2 電子設備間、機爐集中控制室布置圖

3.5 機組控制系統可靠性措施

參與停機的保護信號將采用"三取二"邏輯,見圖3。

MCS、SCS系統均采用冗余的處理器模件。

DEH將采用獨立的處理器模件。

DCS所有輸入輸出模件能抗共模干擾電壓250 V，差模干擾電壓60 V；有120分貝的共模抑制比，有60分貝的差模抑制比。

手動緊急停機見圖4。

數據通訊系統的負載容量，在最繁忙的情況下，不超過40%；以太網在最繁忙的情況下，不超過20%；DCS將提供計算和考核的辦法供業主確認。

DCS對I/O模件、處理器模件、通訊模件和變送器等都將提供冗余的電源。

DCS所有輸入/輸出模件，應能滿足ANSI/ IEEE472"沖擊電壓承受能力試驗導則（SWC）"的規定，在誤加250 V直流電壓或交流電壓時，應不致損壞模件及系統。

圖3 轉速信號三取二

圖4 手動緊急停機（MFT）

DCS系統能在電子噪聲、射頻干擾及震動的現場環境中連續運行，且不降低系統的性能。DCS采用各種抗噪聲技術，包括光電隔離、高共模抑制比、合理的接地和屏蔽。DCS在距電子設備1.5 m以外發出的工作頻率400～900 MHz、功率輸出達5 W的電磁干擾和射頻干擾，應不影響系統正常工作。DCS系統應能在環境溫度0～40℃，相對濕度10%～95%的環境中連續運行。DCS電子裝置機柜的外殼防護等級室內為NEMA12，室外為NEMA4。DCS機柜門有導電門封墊條，以提高抗射頻干擾（RFI）能力。DCS對需散熱的電源裝置，應提供排氣風扇和內部循環風扇。

DCS提供下列備用余量：

每種類型I/O測點至少預留15%的備用量。

每個機柜內有10%的I/O模件插槽備用量。

控制器站的處理器能力應有60%的余量，操作員站的處理能力應有60%的余量。

50%處理器數據庫存儲器余量。

60%外存儲器余量。

50%電源余量。

以上余量都應是按系統聯調成功正式投運時的最終容量的百分比值。

4 取得的成效及體會

長江鋼鐵煤氣綜合利用工程2#鍋爐已于當年6月一次點火成功，2#汽輪發電機組于當年7月6日一次并網發電成功，2#機組也于9月順利投產。于此同時，DCS系統也順利投運，完全達到了設計要求。整個DCS系統穩定運行并通過了項目質量保證期，實踐證明此次在煤氣綜合利用發電工程中應用DCS系統的實踐是成功的。

回顧DCS系統配置方案研究、討論以及設計定稿整個過程，總結出幾點體會。

首先，DCS系統的優越性，決定了它在煤氣綜合利用發電工程中能夠很好的應用。

其次，在系統設計中，不能只考慮系統本身的優化配置，還應該為后續的在線檢修維護創造良好的條件，比如說在此次DCS系統設計時，聽取了馬鋼熱電總廠相關技術人員的意見，將公用系統也按1#、2#機組分開，雖然會增加一部分設備成本，但是這樣就可以實現一套機組在線運行時對另一套進行檢修維護。

此外要注意設計回訪，了解現場實際的使用情況，聽取業主意見，為今后的設計工作積累寶貴的經驗。

收修改稿日期：2015-02-05

Application of DCS Control System in the Power Generation Projects of Gas Comprehensive Utilization

Gao Fei
(Anhui Masteel Engineering and Technology Group Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

Energy saving,environmental protection and consumption reduction have been drawing more and more attention in the steel sector and there have been more and more power generation projects utilizing redundant gas in recent years.The control system of such gas power generation project consists of data collection and treatment system,analog control system and auxiliary control system and must meet the requirements of reliable operation, quick response,human-computer operative friendliness and easy maintenance,therefore the DCS system is widely used.The application of NT6000 DCS system in the gas power generation project of Changjiang Steel is briefly introduced.

gas boiler;waste heat power generation;application;DCS

TP27

B

1006-6764（2015）05-0059-04

高飛（1982-），男，2005年畢業于燕山大學電氣工程學院自動化系，本科學歷，工程師，現主要從事冶金自動化儀表設計工作。