燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計與實(shí)施

張 鵬 ，付闖闖 ，王明達(dá)

（1.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司，河北石家莊 050031；2.河北省電力勘測設(shè)計工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050031）

0 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信手段，主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間信息傳遞的問題[1]。現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)外流程工業(yè)、交通、石化、樓宇等行業(yè)的自動化系統(tǒng)中有成功的應(yīng)用，但在電力行業(yè)應(yīng)用較晚。

21世紀(jì)是數(shù)字化時代，隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的跨越式發(fā)展，電力企業(yè)充分意識到數(shù)字化、信息化對電廠監(jiān)控和管理的重要作用。電力企業(yè)生產(chǎn)信息化主要分為3層：上層為廠級管理監(jiān)控信息層，中層為生產(chǎn)級實(shí)時監(jiān)控層，下層為現(xiàn)場設(shè)備層。上層通過信息管理系統(tǒng)，中層通過分散控制系統(tǒng)和可編程控制系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控層的數(shù)字化[2]。但由于火電廠工藝系統(tǒng)的復(fù)雜性，各工藝單元間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，以及生產(chǎn)環(huán)境的多變性，造成現(xiàn)場設(shè)備層無法真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，導(dǎo)致火電廠數(shù)字化在數(shù)據(jù)采集的源頭存在短板。本文將通過現(xiàn)場總線技術(shù)在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的具體實(shí)施案例，從方案設(shè)計與實(shí)施角度，詳細(xì)介紹燃機(jī)電廠各工藝系統(tǒng)現(xiàn)場總線配置方案，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層的數(shù)字化，為構(gòu)建信息化、數(shù)字化電廠提供數(shù)據(jù)支撐。

1 現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)施案例分析

1.1 項目概況

某燃機(jī)電廠配置2×200 MW級燃?xì)?蒸汽雙軸聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組。機(jī)組采用1臺燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+1臺余熱鍋爐+1臺汽輪發(fā)電機(jī)組的多軸形式，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組不同軸布置。

1.2 現(xiàn)場總線的應(yīng)用范圍

主廠房和輔助車間控制采用1套設(shè)備層應(yīng)用現(xiàn)場總線的分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）完成控制。燃機(jī)控制系統(tǒng)、燃機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)、順序事件記錄等對機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，回路處理速度要求高，本工程對上述系統(tǒng)仍采用成熟的常規(guī)控制技術(shù)。此外，考慮到機(jī)組運(yùn)行安全，機(jī)組高壓電動機(jī)及重要電源開關(guān)的合/分閘指令信號、狀態(tài)反饋信號仍然采用常規(guī)的硬接線方式接入DCS系統(tǒng)，其他信號通過現(xiàn)場總線通信接口接入DCS系統(tǒng)。儀表及控制類設(shè)備，包括壓力、差壓、液位、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣動定位器、電磁閥閥島以及電氣類的380 V帶智能控制保護(hù)的斷路器、380 V框架斷路器、變頻器，采用現(xiàn)場總線設(shè)備，溫度、分析儀表仍采用常規(guī)儀表。為便于設(shè)備選型和提高現(xiàn)場總線網(wǎng)段中現(xiàn)場總線設(shè)備的響應(yīng)速度，本燃機(jī)電廠混合采用現(xiàn)場總線外圍設(shè)備Profibus DP（process fieldbus decentralized periphery）和基金會現(xiàn)場總線FF（foundation fieldbus）這兩種現(xiàn)場總線技術(shù)[3]，對于開關(guān)型和調(diào)節(jié)型閥門的電動控制裝置、電動機(jī)、閥島及變頻裝置等，采用Profibus DP冗余接口，掛接在Profibus DP總線網(wǎng)段上；對于變送器、氣動調(diào)節(jié)閥等設(shè)備采用FF H1接口類型。

1.2.1 主廠房余熱鍋爐和汽機(jī)部分

主廠房余熱鍋爐和汽機(jī)部分采用現(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)有余熱鍋爐高壓給水控制系統(tǒng)、余熱鍋爐低壓給水控制系統(tǒng)、余熱鍋爐除氧控制系統(tǒng)、余熱鍋爐疏排水控制系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、真空泵組系統(tǒng)、循環(huán)水及開式水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)等。其中，高壓汽包水位調(diào)節(jié)、低壓汽包水位調(diào)節(jié)、減溫水控制、煙道煙溫監(jiān)測、主蒸汽及旁路系統(tǒng)、凝汽器真空、汽輪機(jī)工業(yè)抽汽系統(tǒng)、汽水取樣、化學(xué)加藥等采用常規(guī)控制方式。主廠房余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)（不含燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)部分）總的監(jiān)視、控制點(diǎn)數(shù)約為3 200點(diǎn)。主廠房控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單如表1所示，主廠房控制系統(tǒng)總線設(shè)備清單如表2所示，主廠房控制系統(tǒng)FF總線配置清單如表3所示，主廠房控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單如表4所示。

表1 主廠房控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單點(diǎn)

表2 主廠房控制系統(tǒng)總線設(shè)備清單個

輔助車間及公用系統(tǒng)包括化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥、空壓機(jī)房、天然氣調(diào)壓站、循環(huán)水泵房、機(jī)力冷卻塔等，其中化學(xué)補(bǔ)給水及凈水處理系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。公用控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單如表5所示，公用控制系統(tǒng)總線設(shè)備清單如表6所示，公用控制系統(tǒng)FF總線配置清單如表7所示，公用控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單如表8所示。

表3 主廠房控制系統(tǒng)FF總線配置清單

表4 主廠房控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單

表5 公用控制系統(tǒng)常規(guī)IO清單點(diǎn)

表6 公用控制系統(tǒng)總線設(shè)備清單個

1.2.3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

網(wǎng)絡(luò)配置的硬件主要包括網(wǎng)絡(luò)柜、控制柜、IO通信柜、儀表接線盒以及總線電纜。對于FF現(xiàn)場總線和Profibus現(xiàn)場總線，上層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是相同的，區(qū)別僅僅在于控制柜內(nèi)的總線卡件、通信模塊和就地側(cè)的配置方案。網(wǎng)絡(luò)柜和控制柜布置在電子設(shè)備間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)柜中布置冗余核心交換機(jī)，控制柜中布置冗余電源模塊、冗余控制器FCP270、冗余通信模塊。

表7 公用控制系統(tǒng)FF總線配置清單

表8 公用控制系統(tǒng)Profibus總線配置清單

余熱鍋爐部分FF現(xiàn)場總線配置按照就近且靠近總線設(shè)備相對集中的原則布置，IO通信柜布置在現(xiàn)場，就地側(cè)冗余通信模塊FBM228通過冗余光纖實(shí)現(xiàn)與控制柜中控制器數(shù)據(jù)通信。FF總線接線盒通過樹形結(jié)構(gòu)點(diǎn)對點(diǎn)接入FF總線設(shè)備。

余熱鍋爐部分Profibus現(xiàn)場總線配置：IO通信柜仍然布置在現(xiàn)場，就地側(cè)冗余通信模塊FBM222通過冗余光纖實(shí)現(xiàn)與控制柜中控制器數(shù)據(jù)通信。Profibus DP設(shè)備通過總線電纜串行接入到總線通信模塊FBM222。

2 現(xiàn)場總線的設(shè)計和施工總結(jié)

2.1 現(xiàn)場總線設(shè)計總結(jié) [4-5]

a）系統(tǒng)冗余度考慮。對于重要的工藝系統(tǒng)或互為備用的工藝設(shè)備，網(wǎng)段劃分應(yīng)采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)（即A/B雙網(wǎng)段）。

b）充分考慮系統(tǒng)通信速率。保證控制器的掃描周期與現(xiàn)場總線的宏周期（對FF H1總線）或現(xiàn)場設(shè)備的輪詢刷新周期（對Profibus PA總線）之間的合理匹配。

c）合理規(guī)劃系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)段劃分。根據(jù)工藝流程，將全廠控制系統(tǒng)劃分為若干總線網(wǎng)段，同一控制系統(tǒng)或控制回路的儀表和控制對象應(yīng)接入同一總線網(wǎng)段內(nèi)，冗余配置的總線儀表或總線設(shè)備應(yīng)分別劃分到同一系統(tǒng)的A/B網(wǎng)段。

通過圖5、圖6可以看出，新型擴(kuò)孔鉆頭在鉆頭穩(wěn)定性上有較大的改進(jìn)：導(dǎo)向鉆井模式下鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)(定義為瞬時時刻鉆頭橫向力與軸向力比值)為0.085 6，如圖5所示；復(fù)合鉆井模式下鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)為0.093 1，如圖6所示。常規(guī)擴(kuò)孔鉆頭的平均橫向不平衡力系數(shù)大于0.2[2，6-7] ，該系數(shù)的降低說明新型擴(kuò)孔鉆頭的鉆進(jìn)穩(wěn)定性增強(qiáng)，且鉆頭領(lǐng)眼段切削齒的偏磨現(xiàn)象將大大減少，鉆頭使用壽命得到較大幅度的提高；同時，鉆頭橫向不平衡力系數(shù)的降低還有助于提高擴(kuò)孔井壁質(zhì)量。

d）按照通信速率的要求和現(xiàn)場距離要求，合理確定每個網(wǎng)段上掛接的總線設(shè)備數(shù)量。對于FF H1總線網(wǎng)段，用于控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不得超過6個；用于非控制目的時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不得超過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大數(shù)量12個。對于Profibus DP總線，每個網(wǎng)段現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不應(yīng)超過該網(wǎng)段上規(guī)定最大數(shù)量的30%～40%。

e）應(yīng)考慮電磁的干擾問題，對于距離較遠(yuǎn)的現(xiàn)場總線設(shè)備，應(yīng)考慮使用光纜或中繼器。

2.2 現(xiàn)場總線施工總結(jié)

現(xiàn)場總線技術(shù)對施工安裝要求比較高，施工單位除了按照GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》和DL 5190.4—2012《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范第4部分：熱工儀表及控制裝置》執(zhí)行外，還應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)廠家提供的安裝作業(yè)說明書。

a）總線電纜的敷設(shè)和接頭連接。電纜鋪設(shè)時不要繃得過緊，否則會引入應(yīng)力；確保電纜在電纜槽盒內(nèi)與動力電纜分離。

b）網(wǎng)段線路調(diào)試。建立總線設(shè)備與DCS側(cè)總線卡件的通信，通過現(xiàn)場總線監(jiān)視器掛接到總線網(wǎng)段上，逐次按壓現(xiàn)場總線監(jiān)視器上的“模式”進(jìn)行不同的檢測，現(xiàn)場總線監(jiān)視器將在顯示屏上顯示數(shù)值及測試結(jié)果正常或異常。

c）總線電纜在電纜豎井中敷設(shè)時，應(yīng)與其他動力電纜或控制電纜分隔開，避免產(chǎn)生電磁干擾。

d）總線電纜在現(xiàn)場敷設(shè)時，不應(yīng)與其他電纜共用電纜槽盒，應(yīng)單獨(dú)敷設(shè)在專用電纜槽盒內(nèi)，避免電磁干擾。

3 現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)施中存在的問題和建議

3.1 現(xiàn)場總線技術(shù)在實(shí)施中存在的問題 [6]

a）施工安裝和現(xiàn)場調(diào)試技術(shù)要求高。采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)，現(xiàn)場安裝和調(diào)試工作量降低，但對施工單位的技術(shù)要求明顯提高。如現(xiàn)場總線儀表接口接線、通信電纜的分支連接、總線電纜敷設(shè)、光纖的熔接等，有些需要使用專業(yè)設(shè)備和工具，有些需要進(jìn)行專門的培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)。

b）現(xiàn)場總線產(chǎn)品選型范圍少、國產(chǎn)化水平低。目前，現(xiàn)場總線儀表主要是進(jìn)口品牌，國產(chǎn)品牌較少，在技術(shù)水平和性能方面與國際水平差距較大。國產(chǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)總線設(shè)備和帶智能控制及保護(hù)的斷路器基本滿足了電廠的控制要求，從實(shí)施的效果看，總體性能不錯。

c）協(xié)調(diào)工作困難。工藝設(shè)備為成套配供控制裝置和儀表儀器，但由于廠家設(shè)計人員對現(xiàn)場總線技術(shù)認(rèn)識度較低，參與性不強(qiáng)，影響了整體設(shè)計水平，加之國內(nèi)工程進(jìn)度緊迫，增加了協(xié)調(diào)工作的困難，不利于全廠現(xiàn)場總線設(shè)備的規(guī)劃和使用。

3.2 現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)施的建議

a）開展多方位技術(shù)交流。設(shè)計院、業(yè)主、施工單位應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)交流和儲備，努力學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)的有關(guān)知識，增強(qiáng)現(xiàn)場總線的實(shí)際應(yīng)用能力，并及時總結(jié)現(xiàn)場發(fā)生的問題，改進(jìn)現(xiàn)場總線設(shè)計問題和施工安裝問題。

b）性能綜合評判。項目初期應(yīng)綜合分析和確定項目現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的原則和范圍，明確哪類儀表和設(shè)備采用現(xiàn)場總線技術(shù)，盡早明確項目現(xiàn)場總線實(shí)施方案，為項目的設(shè)計、設(shè)備采購和施工打好基礎(chǔ)。

c）加強(qiáng)與DCS廠家的交流和協(xié)調(diào)。設(shè)計方案應(yīng)綜合考慮網(wǎng)段劃分和現(xiàn)場實(shí)際布置位置，設(shè)計方、施工方和DCS廠家三方應(yīng)共同對現(xiàn)場總線配置方案進(jìn)行評審，緊密配合，相互協(xié)調(diào)。

d）嚴(yán)把設(shè)備質(zhì)量關(guān)，注重通信測試工作。采用現(xiàn)場總線的儀表和控制設(shè)備必須在設(shè)備供貨前由供貨商送至控制系統(tǒng)DCS廠家進(jìn)行測試，并出具測試報告，避免在現(xiàn)場施工調(diào)試過程中發(fā)生設(shè)備通信故障，使現(xiàn)場總線設(shè)備無法接入DCS系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本項目燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用現(xiàn)場總線技術(shù)，機(jī)組投運(yùn)后運(yùn)行安全、可靠。本案例的成功實(shí)施為同等類型的工程設(shè)計提供了一定的設(shè)計依據(jù)和參考，同時也為數(shù)字化電廠的應(yīng)用和實(shí)施提供了借鑒。項目各方只有充分認(rèn)識現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在項目實(shí)施過程中不斷完善和細(xì)化技術(shù)方案，才能保證現(xiàn)場總線技術(shù)的正確實(shí)施，真正發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的信息化、數(shù)字化優(yōu)勢，為數(shù)字化電廠的建設(shè)打好基礎(chǔ)。