1000MW火電機組電除塵控制系統一體化改造分析

鄭衛東，李海洋，熊志成，杜 璞

（華能國際電力股份有限公司玉環電廠，浙江 臺州 317604）

0 引言

《浙江省人民政府關于印發大氣污染物防治行動計劃（2013—2017）的通知》（浙政發[2013]59號）要求[1]，浙江省區域電廠粉塵排放質量濃度（以下簡稱“濃度”）不大于 5 mg/m3（標準狀態，下同），要實現該目標，電除塵改造是電廠環保改造的重點之一。某發電廠4×1000MW超超臨界燃煤火力發電機組建成于2007年，每臺機組原配套2臺3室4電場電除塵器，1—4電場工頻電源，2012年將1、2電場改造為高頻電源，設計保證除塵效率為99.7%。

電除塵提效改造中，對電除塵入口氣力分布均流進行改造，灰斗電加熱器改造為蒸汽加熱器；電場進行分區改造，左右布置，最終將24個電場改造為36個電場（12個大電場、24個小電場）；電除塵器全部電場電源更換為高頻電源。采用低低溫電除塵器并配合電源改造后，保證除塵效率不低于99.925%，出口粉塵濃度不大于15 mg/m3；電除塵器本體阻力不大于200 Pa，電除塵本體漏風率不大于2%。

1 電除塵控制系統改造的必要性

1.1 電除塵控制系統概況

電廠主機及脫硫采用DCS（分散控制系統）控制，系統選用艾默生過程控制公司的Ovation系統。化水、灰渣、電除塵及輸煤系統采用PLC（可編程邏輯控制器）系統，其中化水、灰渣、電除塵通過輔網進行集成，實行集中控制，如圖1所示。

電除塵控制系統大致可以分為兩部分，即電除塵高壓部分（電源部分）和低壓部分（振打、加熱、熱風吹掃、灰斗等）。其中，高壓部分3、4電場的工頻電源控制器為單片機，1、2電場的高頻電源控制器為西門子S7-200PLC。高壓部分由就地控制器控制，同時與電除塵PLC通信，實現PLC遠方控制和就地操作，低壓部分直接由PLC控制[2]。電除塵控制系統網絡結構如圖2所示。

1.2 電除塵控制系統存在的問題

圖1 輔網網絡結構

圖2 電除塵控制系統網絡結構

電除塵控制系統并入輔網，存在以下幾個方面問題：一是操作員站響應速度慢；二是網絡不穩定[3]，每年均發生網絡中斷故障，其中2013—2014年發生網絡中斷故障6次。

輔網采用PLC控制，IFIX服務器上共配置超過36 000個通信點，根據IFIX性能設計，超出20 000個通信點將造成整個通信輪詢過程的緩慢。由于數據庫大導致丟包現象集中發生在輔網內各子系統。而且輔網網絡結構復雜，PLC型號不統一，最終導致操作員站響應緩慢，一般需要5 s左右方可收到反饋。

輔網IP地址的分配缺乏統一性，由于輔網各子系統的改造和擴容，備用IP地址資源不足，一方面增加了系統使用和維護的難度，另一方面也導致一些系統改造后難以接入輔網，例如本次電除塵高頻電源改造項目，最少需要增加3個IP地址，輔網已經沒有合適網段。

另外，PLC控制系統組成的輔網相對孤立，歷史數據的存儲、曲線調取、時鐘統一等也不同程度存在問題。

1.3 電除塵控制系統一體化改造優勢

電除塵進行提效改造后，增加12個高頻電源，如果采用PLC控制系統并入原有的輔網系統，每個高頻電源大約增加20個模擬量通信點，輔網的負荷將進一步加重，控制系統不同步進行改造，必將成為薄弱環節。為了提高電除塵控制系統可靠性，在電除塵改造中配套實施了電除塵PLC控制系統與主機DCS一體化改造[4]。

首先將雙極性 DVB/CAR/PDMS（50/30 μm）固相微萃取頭置于GC-MS儀進樣口進行老化處理，老化溫度250 ℃，老化時間為30 min，載氣流速為1.3 mL/min，載氣為氦氣。

通過電除塵控制系統一體化改造[5-6]，可以有效解決存在的系統老化問題，提高系統可靠性。

2 電除塵PLC改DCS控制的要點

2.1 改造后的電除塵控制系統結構

改造后電除塵DCS基本結構與主機DCS保持一致，考慮到主機版本較低，電除塵系統采用最新版本系統，待主機升級后進行合并。

以2號機組為例，將電除塵PLC控制系統改造為Ovation 3.5 Windows版本系統。電除塵DCS配置包含1套服務器、2套歷史站、2套操作員站、1套工程師站。時鐘接入電廠GPS（全球定位系統）中心，配置2臺控制站，分別控制1-3室（A側）及4-6室（B側）電場，2對控制器實現A側與B側電場分散控制。控制器定義為DROP35/36，方便與主機DCS合并。電除塵低壓部分（原PLC控制）直接進入DCS控制，高壓部分保留原有控制器，通過通信方式進入DCS，DCS電源取自主機UPS（不間斷電源）。在不改變電除塵控制策略基礎上，結合目前DCS的設計理念，重新設計電除塵畫面，重新進行電除塵組態和系統調試。改造后的電除塵控制系統結構如圖3所示。

2.2 電除塵控制系統改造施工

圖3 改造后的電除塵控制系統結構

硬件方面：由發電廠技術人員負責核對原有I/O（輸入/輸出）清冊的正確性，確保正確后作為DCS設計的基礎。原有PLC控制根據模擬量和開關量劃分，分別放置不同控制柜，DCS設計時，根據A側、B側分散設計。使用原有舊電纜，為防止電纜長度不足，控制柜沿著電纜來向移動1 m后布置。為保證擴展性，以便后期將除渣、輸灰系統并入電除塵系統，電源柜、網絡柜、控制柜分開布置，保留約20%的I/O端口裕量。控制柜、網絡柜、電源柜如圖4所示。改造淘汰的PLC作為化水系統的備件。

圖4 網絡柜、控制柜、電源柜

施工前，核對圖紙及資料，做好開工前準備工作，確認無誤。施工步驟如下：

（1）系統備份，確認無誤后停電。

（2）核對控制站所有接線，做好標識。

（3）拆除原有的控制器、相關硬件及電纜。

（4）安裝DCS機柜及必要硬件。

（5）核對電纜并接線。

（6）網線敷設及系統連接，檢查無誤，系統上電。

（7）電除塵DCS邏輯組態，軟件下裝。

（8）系統聯調，整體調試。

軟件方面：電除塵DCS搭建、邏輯組態、歷史數據轉換等由DCS廠家技術人員現場完成。原電除塵廠家人員負責提供PLC控制邏輯及控制說明，DCS廠家人員根據原控制圖紙及控制說明進行轉換，編寫改造邏輯控制說明，發電廠相關人員進行審核，確保與原有控制方案一致后開始組態。流程圖畫面、控制邏輯的組態由DCS廠家人員提供模板，發電廠人員選擇組態風格后實施。

2.3 電除塵控制系統改造的難點

DCS操作與高頻電源控制器就地控制切換如何實現，是電除塵控制系統改造的一個難點。在原有的PLC控制模式下，通過電除塵PLC對高頻電源就地控制器（S7-200PLC）內部地址進行讀寫操作，PLC指令執行一次，需要就地操作時，就地控制面板直接寫入控制器內部地址，容易實現遠方就地控制。但DCS與控制器通信時，DCS每個掃描周期內都會輸出當前數，導致就地控制器內部地址不斷被寫入指令，就地操作面板無法有效寫入。

為了使高壓部分實現就地、遠程控制，改設DCS通信卡（ELC 卡）中“EXCEPTION”功能， 即設置為更改優先，可實現上位機與就地并列操作。模擬量指令時，利用通信讀取就地控制器寄存器實際數值，實現跟蹤。當需要DCS輸入設定值時，通過確認按鈕將操作員指令寫入，確認之后指令保持當前值，如圖5所示。開關量控制中，高頻部分也存在同樣問題，可以讀取就地控制器指令，復位DCS指令，實現就地、遠程更改優先，如圖6所示。

圖5 模擬量指令DCS邏輯

圖6 開關量指令DCS邏輯

高頻部分通信的可靠性是首要問題，也是另一個難點。整臺機組的2個除塵器，每個3通道（室），每通道6個電場，共6個高頻電源，設置1個JHNet-Ⅲ型RS485/TCP通信適配器，即A側3室18個電場高頻電源控制器通信并聯后進入3個適配器，轉換成以太網進入控制系統，適配器的IP地址獨立，接至通信箱的交換機上，適配器通信箱如圖7所示，2個除塵器共6個適配器。通信箱交換機與DCS柜交換機之間采用光纖連接，為保證通信響應速度，每個適配器對應1只ELC卡，分別和DCS的6只通信卡進行通信。

2.4 調試中遇到的問題

電除塵的操作、顯示、報警功能在DCS中實現。工程師站設置在電控樓，1臺操作員站設在主控DCS，由集控值班員監盤，電除塵并入單元機組控制模式。操作員站可以設置每臺高頻電源工作電壓、電流等。另外，設計了除塵器粉塵閉環控制功能[7]，即每個通道根據粉塵濃度，選擇電壓、電流大小，在滿足排放要求前提下，降低能耗。由于粉塵控制滯后等原因，沒有投運該功能。

圖7 適配器通信箱

調試中遇到了就地控制器與DCS通信的問題。雖然通信正常，但指令執行到反饋到達的時間較長，一般6 s左右。由于涉及就地控制器、通信及DCS幾個環節，經過反復排查和試驗，將DCS組態及通信點移入控制器三區，掃描周期修改為250 ms，通信速率提高明顯，指令發出到反饋到達的時間小于2 s，可以滿足日常控制需求。

3 改造后的效果

改造后電除塵DCS的CPU（中央處理器）負荷率小于5.6%，I/O端口裕量大于20%，電源裕量大于70%，通信總線負荷率小于5%，各性能指標均優良。

系統改造后的優勢包括：

（1）對輔網通信有利。4臺機組進行電除塵改造后，輔網數據庫減少超過9 000點。輔網通信負荷降低，有效降低了系統通信傳輸延時。

（2）提高了環保數據可靠性，降低了環保風險。改造后電除塵歷史站雙冗余配置，其中1臺歷史服務器故障不影響數據存儲，數據可存儲4年以上。歷史數據與標準時間同步，消除了因輔網沒有GPS授時導致的歷史數據時間不同步的現象。

（3）提高了機組熱工自動化水平，機組整體協調性提高[8]。一體化改造后，主機與電除塵作為一個整體進行控制，電除塵運行情況可第一時間在主機報警，提高了電除塵故障預警及應急能力。

（4）人機界面友好。PLC控制輔網集成時，畫面不友好，歷史曲線調取不便，改造后可以方便地進行電除塵相關數據查閱，為電除塵運行狀況的分析提供了便利，運行人員反映良好。

改造前后性能對比見表1。

表1 改造前后性能對比

4 結語

電除塵PLC控制系統改造為DCS控制可以在大型火電機組上實施，實現一體化控制后，可以實現電除塵單元制方式，減少輔網運行人員，提高電除塵控制系統可靠性。電除塵實現DCS控制，可以為電廠實現全廠一體化控制、消除信息孤島奠定基礎。高壓部分通過通信進入DCS實現遠程控制，低壓部分直接進入DCS控制，可以在減少投資的情況下取得較好的可靠性。本案例可為同類型電廠電除塵控制系統改造工程提供借鑒。