SUPMAX2000集散控制系統在熱電聯產項目中的應用

向國進，徐煒勇

上海自動化儀表有限公司 上海 200072

1 項目簡介

新疆天山電力奇臺熱電聯產一期工程安裝了 2×350MW 超臨界空冷供熱式汽輪發電機組，配 2×1178t/h 超臨界一次中間再熱煤粉鍋爐，同步建設脫硫、脫硝設施。

該機組采用單元制機組控制，且為機、爐、電集中控制。每套機組配置了一套由上海自動化儀表有限公司自主研發的SUPMAX2000型集散控制系統(DCS)，具有控制站雙冗余、控制網絡冗余等特點，單獨模塊故障時能夠實現無擾切換。系統支持Profibus DP/PA現場總線、Modbus協議等通信技術，可擴展性強[1]。

2 控制系統構成

2.1 控制器分配

控制系統整體被劃分為三個域：1號單元機組、2號單元機組，以及輔助控制系統與公用系統，輔助控制系統與公用系統同在一個域中[2]。單元機組DCS控制范圍如下：① 鍋爐及其輔助設備，包括鍋爐汽水系統、鍋爐啟動系統、過熱器及再熱器系統、制粉系統、風煙系統、等離子點火系統、吹灰系統、除渣系統、脫硝系統、磨煤機油站、風機油站等；② 汽輪機、發電機及其輔助設備，包括主蒸汽系統、再熱汽系統、汽輪機抽汽系統、輔助蒸汽系統、汽輪機軸封系統、凝結水系統、給水系統、汽輪機疏水系統、抽真空系統、高低壓加熱器疏水放氣系統、開閉式循環冷卻水系統、汽輪機潤滑油系統、汽輪機調速油系統、發電機水冷系統、給水泵汽輪機油汽系統、循環水泵房等。以1號機組為例，單元機組輸入輸出測點共計約 6800 點，詳見表1。

公用系統包括熱網、脫硝設備，電氣控制系統包括發電機-變壓器組、高壓廠用電源系統、低壓廠用電源系統，輔助控制系統控制范圍包括化水系統、氣力除灰系統、凝結水精處理系統等。公用系統輸入輸出測點共計約5000點，詳見表2。

表1 1號機組輸入輸出測點分類統計

表2 公用系統輸入輸出測點分類統計

為提高機組的安全性、可靠性和可用率，在DCS配置時，充分考慮了各工藝子系統的獨立性和關聯性，以減少系統內控制信號的交叉。生產設備的重要保護信號，如鍋爐跳閘保護系統的處理器及模件信號均單獨冗余設置[3]。過程控制器配置信息見表3、表4。

2.2 SUPMAX2000輸入輸出模件

SUPMAX2000 DCS輸入輸出模件采用先進的模塊化結構，導軌基板式安裝符合德國標準化學會(DIN)標準。安裝基板為通用模塊，每塊基板可安裝一個輸入輸出模件，并配有相應的接線端子。基板上有撥碼開關，根據模塊類型進行配置，防止安裝時誤插。安裝基板上還有地址撥碼，同類型卡件可以在任意基板上安裝，便于使用和維護。SUPMAX2000 DCS的模塊類型齊全，基本滿足了工程現場的所有使用要求，常用的各類型信號都有對應的輸入輸出模塊進行采集和處理，SUPMAX2000通用模塊類型見表5。

2.3 系統網絡

主系統網絡結構由冗余的以太網交換機組成，通過網線連接，通信速率可達1000Mbit/s。遠程控制柜包括空冷系統遠程柜、輔機循環水系統遠程柜等，通過多模光纖連接交換機。

表3 1號機組過程控制器配置

系統網絡是一個高魯棒性、冗余配置的以太網，實現了雙機熱備及無擾切換，保證任何單個網絡設備故障都不影響系統的正常運行，具有非常良好的可靠性。在常規配置中，采用冗余配置，不僅配置了冗余的交換機或其它網絡設備，而且所有工作站和遠程控制單元都冗余地連接到交換機上。通過冗余的數據鏈路和剔除單點失效，保證了系統網絡配置高度可靠，降低了網絡復雜性、成本和維護要求，實用性非常高[4]。

表4 公用系統過程控制器配置

3 系統特點

3.1 軟件介紹

SUPMAX2000 DCS上位機軟件是整個DCS的人機接口，不同的工作站提供了不同的功能，幫助工程師和用戶使用、維護DCS。SUPMAX2000 DCS的工作站由4種類型的上位機組成。

(1) 工程師站。完成系統的組態，對系統進行維護和調試。

(2) 歷史服務器。提供實時數據、趨勢、報警、報表等服務。

表5 SUPMAX2000通用模塊類型

(3) 操作員站。提供系統人機界面，完成監控功能。

(4) 數據接口站。提供DCS對外通信接口，同外部系統進行數據交換。

3.2 操作平臺

實際采用視窗7操作系統。

SUPMAX2000系統軟件支持視窗XP SP3、視窗7等常用的操作系統。相較于UNIX、LINUX等其它操作系統，視窗系統更為成熟，具有兼容性好、操作簡單等特點。

4 總體設計

4.1 控制需求

機組運行時可能存在的工況包括帶基本負荷運行、根據自動發電量控制指令自動調節機組負荷運行、輔機故障減負荷運行等，控制系統需協調鍋爐及其輔機，以及汽輪機的運行，以便快速、準確和穩定地響應自動調度系統或電廠運行人員的負荷指令，進行有效生產。同時，系統還應考慮包括輔機故障或設備異常等在內的運行限制條件，以高度適應的方式，使負荷性能達到最佳狀態，滿足連續、安全運行的要求。

4.2 控制回路設計

DCS完成各種數據采集、控制和保護功能，以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全、高效地運行[5]。整個系統從功能上分為數據采集系統、爐膛安全監控系統、順序控制系統和模擬量控制系統[6]。

數據采集系統是整個控制系統中最基礎的部分，通過DCS設備實時采集機組運行中的溫度、壓力、流量、液位等過程參數，為實現自動控制功能提供數據信息，主要功能包括數據采集、處理、顯示、記錄，以及機組性能計算[7]。

爐膛安全監控系統控制鍋爐燃燒系統中各設備按規定的操作順序和條件安全啟、停，并能在危急工況下迅速切斷進入鍋爐爐膛的全部燃料(包括點火燃料)，防止爆燃、爆炸等破壞性事故的發生，以保證爐膛安全，具體包括鍋爐主燃料跳閘、鍋爐油燃料跳閘、爐膛吹掃、燃燒器控制等[8]。

順序控制系統主要用于機組的煙、風、水、汽等各大系統的各類輔機驅動和閥門開關機控制，以及完成機組重要輔機閥門的聯鎖保護及功能組級的順序控制。通過這一系統設備級、組級、廠級程控的使用，可以順利完成機組的啟停控制和安全保護。順序控制系統主要控制對象有鍋爐風煙系統功能子組、給水泵功能子組、汽輪機油系統子組、凝結水子組、凝汽器真空系統子組、汽輪機軸封系統子組、低壓加熱器子組、高壓加熱器子組、發電機定子冷卻水系統、發電機密封油系統、汽輪機抽汽系統、閉式冷卻水系統、循環水系統、蒸汽管道疏水系統，以及鍋爐排污、疏水、放汽功能子組[9]。

模擬量控制系統將鍋爐、汽輪機視為一個整體，使整個機組的實際發電功率能迅速跟蹤給定功率的變化，同時又能維持鍋爐輸出蒸汽量與汽輪機輸入蒸汽量的平衡，以便迅速、準確和穩定地響應負荷指令。同時，模擬量控制系統還擔負生產過程中各子控制系統的自動控制任務。模擬量控制系統主要有鍋爐-汽輪機協調控制、爐膛壓力控制、一次風壓控制、主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度控制、分離器貯水箱水位控制、除氧器水位壓力控制等功能[10]。

電廠采用爐、機、電統一的單元集中控制，兩臺單元機組的控制分別由兩套DCS實現。采用公用網對兩臺機組中納入DCS控制的輔助控制系統和公用系統進行監視和控制。公用網分別與兩臺機組相應的DCS通信，在兩臺機組DCS中均可對接入公用網的系統進行監視和控制，同時具有相互閉鎖功能，即在任何時候只能由一臺機組的DCS進行控制。接入DCS公用網的系統包括熱網、脫硝設備、發電機-變壓器組、高壓廠用電源、低壓廠用電源等。

5 結束語

天山電力奇臺熱電聯產一期2×350MW工程兩臺機組分別于2015年12月底和2016年1月底完成試運行。包括1號機組、2號機組、公用系統、輔助控制系統在內的DCS全部投入正常運行。目前機組運行穩定、可靠，自動投入情況良好，實現了100%自動投入、100%保護投入，未發生保護誤動作、拒動作事故。

[1] 梁榮,山陳琦,姜世玲.SUPMAX800分散控制系統在線下載設計[J].工業控制計算機,2014,27(11)：32- 33.

[2] 劉志強,劉世雄,白愛平.DCS主輔機一體化控制在火電廠的應用[J].熱力發電,2010,39(12)：76-78.

[3] 孫克忠.DCS在火電廠的應用[J].輕金屬,2005(10)：76-78.

[4] 徐煒勇.基于SUPMAX800的330MW發電機組控制系統設計與實現[D].上海：華東理工大學,2014.

[5] 楊海云,喬澤慧.電廠DCS系統應用分析[J].中國新技術新產品,2011，27(18)：112.

[6] 李仁杰,駱濤.電廠熱工控制DCS系統設計與運用探討[J].華東科技：學術版，2014(2)：203-204.

[7] 許志高.DCS系統順序控制和實時數據采集技術研究[D].合肥：合肥工業大學,2007.

[8] 葉曉燕.鍋爐爐膛安全監控系統FSSS的應用[J].科技傳播,2012(3)：105，96.

[9] 竇勝.DCS系統在發電廠的應用[D].南京：南京工業大學,2014.

[10] 姚彬.350MW超臨界機組協調控制系統的優化設計與應用研究[D].福州：福州大學,2011.