DCS在30MW高爐煤氣發電項目中的應用

楊鵬翔（北京中冶設備研究設計總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設備研究設計總院有限公司，北京 100029 ）

DCS在30MW高爐煤氣發電項目中的應用

楊鵬翔（北京中冶設備研究設計總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設備研究設計總院有限公司，北京 100029 ）

針對國內鋼鐵企業高爐煤氣利用現狀，重點介紹了上海新華第四代DCS產品TiSNet-XDC800在煤氣發電項目中的設計與應用情況，并結合河北某鋼廠30MW高爐煤氣發電項目的應用實例，從該類項目的DCS系統配置、網絡結構、主要控制功能、實現方法以及核心的控制策略等方面進行了詳細的分析和闡述。

DCS；高爐煤氣發電；控制策略

鋼鐵企業生產過程中一直存在著高能耗、高排放等問題，隨著國家對能源的調整，如何利用企業富余熱能已成為各鋼企的當務之急。目前，鋼鐵企業的能源利用主要集中在富余煤氣、燒結煙氣及煉鋼飽和蒸汽上，其中高爐煤氣的產量較大，因而企業可建設以高爐煤氣為主燃料的自備型電廠。這樣不僅消耗大量的富余煤氣，充分解決了環境污染等問題，而且減少企業購電量，降低了生產成本。

本文結合近年來完成的該類EPC總承包項目，以河北某鋼廠30MW高爐煤氣發電工程為例，對上海新華第四代DCS產品XDC800在高爐煤氣發電工藝流程中的應用及控制策略等關鍵問題進行了探討。

1 工程概述

在本煤氣發電項目中，根據企業提供的煤氣平衡表可知，該廠的高爐煤氣剩余15.78×104 Nm3/h。本工程通過配備一套150t/h中溫中壓燃煤氣鍋爐及一套30MW汽輪發電機組，利用高爐煤氣進行發電，裝機方案如圖1所示。通過將煤氣以適當比例混合熱風送至鍋爐內部燃燒產生大量的高溫煙氣，煙氣通過兩段省煤器與兩級過熱器與鍋爐給水進行換熱，最終產生過熱蒸汽進入汽輪發電機組膨脹做功并發出10.5kV的高壓接入到廠內110kV變電站10kV母線上，從而完成能量轉換。

圖1 高爐煤氣發電項目裝機方案

從儀表自動化的角度來看，本工程可劃分為多個子系統，由于各個子系統功能相對獨立，所以就要求各系統能完成相對獨立的數據采集和設備控制功能。結合具體情況考慮，根據對國內同類項目運行情況的調查，通過詳細比較多家DCS系統的軟硬件功能，最終決定選擇上海新華的TiSNet-XDC800系統用于本項目。

2 DCS系統配置及主要功能

針對上述各系統進行分析并結合實際情況設計DCS系統，依據高爐煤氣發電各個子工藝的特點，在電站主控室中設有控制柜與工程師站、操作員站等。其中，監控主機包括液晶顯示器、鍵盤鼠標、UPS等，保證操作人員在控制室能夠監控整個系統的工藝流程、實時數據和運行狀態；對于重要的參數采用定值控制，進行自動控制；具有各種冗余措施，易于和計算機管理網絡相連，便于全廠優化管理。

2.1 系統配置

新華TiSNet-XDC800系統網絡利用開放冗余的工業以太網和現場總線作為系統的通訊網絡。網絡系統分為控制層網絡XDCNET和現場層IO網絡，每層完成其特定的功能。在本煤氣發電項目中，DCS系統的網絡結構設計如圖2所示。

圖2 DCS系統網絡拓撲圖

2.1.1 XDCNET網絡

由圖2可知，位于系統兩層結構中的控制層網路XDCNET用于連接系統中的節點，實現系統的網絡通訊。XDCNET分為實時數據網XDCNET A、B和非實時數據網XDCNET C。

XDCNET A、B采用冗余快速以太網，用于連接控制器XCU與人機接口站HMI，負責實時數據的廣播、報警、設備狀態通告、傳遞組態信息、控制指令，是系統的實時主干網。本發電項目采用環形網絡，連接控制器XCU和HMI節點，將操作網絡與控制網絡合二為一，所有節點直接上網，無中間服務器等數據通訊瓶頸。

根據發電機組的實際大小，在后臺設計有6臺操作員站，兩臺工程師站和一臺打印機，各冗余控制器通過10M以太網與XCC（數據通訊模塊）相連。此外，根據現場實際的調試情況，組建了非實時數據網XDCNET C。

2.1.2 IONET網絡

IONET用于XCU與I/O模件之間的數據傳輸，冗余配置。在本工程中，設計6臺新華控制柜，即6個現場控制分站，各分站主控制器(XCU-net)采用主備雙模冗余配置，2個控制器進行熱備份，同時接收網絡數據，一旦發生故障，自動進行無擾切換；電源冗余(XPR150-24)，多個電源并聯使用，保證系統供電安全性；采用以太網交換機(XFES-1005DU)，用于100Mbps以太網及10Mbps 以太網之間的網絡互聯。xCC-net是應用于XDC800系統中采用以太網形式的通訊模件，它位于XCU與各I/O模件之間。

2.2 主要控制功能

本工程分散控制系統（DCS）功能包括：數據采集處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）與熱工保護功能（包括鍋爐與汽機的聯鎖保護）。

2.2.1 數據采集處理（DAS）

DAS是機組安全運行的主要監視手段，具有高度的可靠性和實時響應能力。

（1）能夠連續監視機組的運行參數，提供完整的報警信息。

（2）對所有輸入量進行必要的處理，如：標度、調制、檢驗、線性補償、數字化處理及工程單位轉換等。

（3）具有豐富的屏幕顯示功能，包括顯示各種參數、表格、曲線、棒狀圖、趨勢圖和模擬圖等畫面及操作指導。

（4）提供跳閘事件的順序記錄、指定參數的定時制表，趨勢記錄和事故追憶等。

（5）具有在線制表打印功能。

2.2.2 模擬量控制（MCS）

MCS系統確保系統快速和穩定地滿足工況的變化，并保持穩定的運行，主要自動調節項目包括：鍋爐給水調節系統；鍋爐燃料量調節系統；鍋爐爐膛壓力調節系統；鍋爐過熱蒸汽調節系統；汽機凝汽器水位調節系統；除氧器壓力調節系統；除氧器水位調節系統；減溫減壓器壓力、溫度調節系統。

2.2.3 順序控制（SCS）

順序控制系統的主要功能是滿足機組啟動、停止及正常運行工況的控制要求，并能實現機組在異常工況下的事故處理和緊急停機的控制操作，保證機組安全。

順序控制按驅動級、子組級水平進行設計，設計遵循保護、聯鎖操作優先的原則。順序控制具體功能滿足以下要求：

（1）實現泵、風機、閥門、擋板的順序控制。

（2）在發生設備故障跳閘時，聯鎖啟動和停止相關的設備。

（3）實現狀態報警、保護及聯鎖。

2.2.4 熱工聯鎖保護

本工程設置的保護項目主要包括：鍋爐聯鎖保護，汽機緊急跳閘保護與各重要輔機的聯鎖保護(由SCS實現)等。

其中，鍋爐聯鎖保護主要有：汽包水位保護、主蒸汽超壓保護、爐膛壓力保護和主燃料跳閘保護等。而汽機聯鎖保護（ETS）則主要包括如下項目：汽機轉速超速保護、推力軸承油溫超高保護、前后軸承油溫超高保護、汽機軸向位移保護、汽機潤滑油壓超低保護、主汽門關閉保護、緊急停機按鈕按下等。

3 主要控制方案說明

上文提到，本煤氣發電的DCS系統由若干個子系統組成，這些子系統協調運行，并具有前饋特征，使整個發電系統能靈敏、安全、快速與穩定的運行。因此在設計過程中，采用基本控制策略都能直接快速地響應代表負荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環反饋控制和其它先進策略，對該信號進行靜態精確度和動態補償的調整。以下就這幾個核心子系統的控制方案進行重點闡述。

3.1 鍋爐爐膛安全監控系統

本工程中，鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）采用PLC完成，即設置了一套單獨的Siemens公司S7-300系列PLC作為系統的FSSS主控制器，FSSS系統主要由主控工作站、工控機、火焰檢測及冷卻風系統、點火系統等組成，系統的總體結構設計如圖3所示。該系統在鍋爐啟動運行時，為操作人員提供符合安全規范的點火模式；在鍋爐正常運行時，一方面，根據負荷變化的要求，操作人員可在FSSS操作站對燃燒器進行加減、負荷管理；另一方面，FSSS系統對爐膛火焰、爐膛壓力、送、引風機、水位、燃料供應等涉及鍋爐安全運行的工況信息進行嚴密監測，操作人員可在FSSS操作站直觀的掌握鍋爐安全運行的工況信息，一旦這些工況信息發生異常，FSSS將及時地向操作人員發出警告，必要時發出MFT跳閘指令以切斷燃料，為鍋爐安全運行提供可靠的技術保障。

圖3 FSSS系統結構示意圖

3.2 爐膛負壓控制系統

爐膛壓力控制是煤氣發電燃燒控制系統的重要組成部分，該系統的目標即：通過控制引風機入口的風門檔板來控制引風量，保證鍋爐爐膛出口的壓力。為了提高該系統的可靠性，爐膛壓力測量采用了三臺變送器，取其中間值作為被調量。

送風量改變時，如果僅依靠爐膛壓力的變化來調節引風檔板，則在動態過程中爐膛壓力就會波動較大，對安全運行不利。因此，采用了送風檔板開度指令信號作為本系統前饋信號，以使引風量和送風量幾乎同時動作，這樣在送風量變化時，爐膛壓力波動不大，動態偏差很小。爐膛壓力控制器起校正作用，可以使爐膛壓力等于給定值。它的輸出作為該系統的輸出，去控制引風機檔板。爐膛負壓的控制原理SAMA如圖4所示。

圖4 爐膛負壓控制原理圖

3.3 鍋爐給水控制系統

該子系統的控制目標即：維護鍋爐汽包水位為定值。

汽包水位測量采用二臺差壓變送器，經選擇器輸出并經過汽包壓力修正形成鍋爐汽水位信號。主汽流量信號經溫度和壓力補償后相加作為總主蒸汽流量。給水流量信號及減溫水流量信號經溫度補償后作為總的給水流量。

鍋爐汽包水位自動控制回路采用“串級三沖量”控制方式，以汽包水位為主沖量，輔助沖量蒸汽流量為前饋量，輔助沖量給水流量為反饋量，以水位為給定值，輸出控制給水調節電動閥門。這樣，迅速消除由于蒸汽負荷擾動所產生的“虛假液位”現象，提高了控制回路的調節品質，鍋爐給水系統的控制原理如圖5所示。

3.4 汽輪機組控制

在本工程中，汽輪發電機組的汽機調節系統（DEH）也采用了上海新華控制技術（集團）有限公司的XDC800控制系統。DEH是一個多輸入多回路的反饋控制系統，從功能上主要可劃分為：測量部分、給定部分、調節部分和伺服驅動四個部分，其結構如圖6所示。其中，最為關鍵的部分即調節功能，由其完成汽輪發電組的轉速控制、閥位控制、主汽壓力控制、負荷控制、功率控制、一次調頻功能、閥位限制、首出判斷、啟動超速保護及試驗功能，從而保證30MW汽輪發電機組完成從啟機到并網的整個控制過程。

圖5 鍋爐汽包水位控制原理

圖6 DEH控制系統結構圖

4 結語

充分利用企業剩余高爐煤氣資源，通過合理配置進行發電，能夠有效節約能源，降低鋼鐵企業用電所產生的高額費用，并為企業創造了良好的環境效益。某鋼鐵企業30MW高爐煤氣發電工程自2013年成功投運至今，DCS控制系統工作正常。實踐表明，XDC800作為新華第四代DCS系統，繼承了上一代DCS的優點，不僅減少了控制系統設計、安裝、維護的成本，提高了生產的自動化水平，而且具有生產操作方便、直觀、組態修改靈活等優點，取得了良好的控制效果，有效地保證了生產的穩定和產品的質量。同時，也為高性價比國產DCS在同類節能減排項目中的推廣與應用積累了寶貴的經驗。

[1] 陳霄峰. 印尼風港電廠爐膛負壓自動控制優化[J]. 華電技術，2009(11): 6 - 8.

[2] 徐鵬, 王雷. HOLLiAS - MACS型DCS在火力發電廠輔機系統中的應用[J]. 工業控制計算機，2012(4): 22 - 23.

[3] 聶小敏．蒸汽鍋爐汽包水位的自動控制[J]．能源與節能，2012(7): 56 - 57.

[4] 范建強．DCS執行周期和時序對成組機組負荷控制的影響及改進[J].電工技術，2013(11): 58 - 59.

楊鵬翔（1987-），河北邢臺人，助理工程師，工學碩士，現就職于北京中冶設備研究設計總院有限公司，主要從事能源環保項目電氣自動化系統設計及實施方面的研究。

圖4 用戶界面

5 結語

本文以滾球法為基礎，建立了用于計算單只接閃桿最小高度的數學模型，并以MATLAB/GUIDE為平臺，開發了計算程序。程序采用模塊化結構，方便調試，易于擴展和改進，并且具有友好的用戶界面，操作簡單。

通過程序對接閃桿進行輔助設計，可以方便地計算得出接閃桿的最小高度，省去了繁瑣的計算過程。以最小高度為依據，確定接閃桿的設計高度，并再次通過程序對單只接閃桿的保護半徑進行驗證，既保證了接閃桿對被保護物的有效保護，又避免接閃桿太高而造成浪費。

參考文獻

[1] 劉介才. 工廠供電[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[2] 中國機械工業聯合會. 建筑物防雷設計規范 (GB50057 - 2010) [S]. 北京：中國計劃出版社，2010.

[3] 于濤, 張泳, 高杰. 基于MATLAB的道路照明計算程序[J]. 自動化博覽, 2015.

作者簡介

于濤，男，助理工程師，從事電氣及自動化設計及研究工作。

來瑞鵬，男，高級工程師，從事電氣及自動化設計及研究工作。

肖亮，男，高級工程師，從事電氣及自動化設計及研究工作。

Application of DCS System in 30MW BF Gas Power Generation Project

Aiming at utilization status of the BF gas in iron and steel plant，this article introduces emphatically the design and application of Shanghai xinhua’s fourth generation DCS products TiSNet-XDC800 in gas power generation project. The DCS system configuration of this kind of power generation project, the network structure, the mainly control function and accomplished method, the nuclear control strategy are introduced and described detailedly in this paper, with the example of a steel plant 30 MW BF gas power project in Hebei．

DCS; BF gas power generation; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0096-04

TP273