分散控制系統在火力發電廠給水控制中的應用

胡卓飛，張文一，婁 偉，邱德來，邢寶剛，孫偉晉

（1.國能長源漢川發電有限公司，湖北 漢川 432300；2.煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引 言

火力發電廠本質上是通過煤的燃燒來產生能量，以滿足社會發展對于電力資源的基本需求。隨著科學技術水平的提升，現代化控制技術在火力發電廠中廣泛應用。分散控制系統（Distributed Control System，DCS）屬于一種較為經典的控制系統，已經在各大火力發電廠中得到了較為廣泛的應用，不僅可以提升發電廠的控制能力，還可以在后續工作開展進程中實現技術改進，確保了火力發電廠在給水控制階段具備更高的自動化程度。

1 DCS分散控制系統與給水控制

1.1 DCS分散控制系統

DCS分散控制系統是確保火力發電廠當中各類設備都能夠正常運轉的重要系統，主要通過數據通信技術和處理技術的應用，對生產階段中涉及到的各類操作和管理內容展開處理，能夠將數據信息通信、圖像展示等結合在一起。通常情況下，在DCS分散控制系統中應當在現場設置好I/O控制站，以實現對于整體系統I/O的穩定控制。DCS操作站就屬于對各類人機界面中與操作流程相關的網絡節點進行處理，在火力發電廠中通過DCS控制系統的應用，可以實現多樣化的操作功能，能夠有效替代傳統的手動操作模式和控制模式，通過增添遠程控制模式和高效的順序邏輯控制等多種方式，保證控制系統可以更好地實現智能化的遠程操控，提升工作現場各類工作的安全性。目前DCS分散控制系統已經在變電所、石油行業以及發電廠等多個專業領域得到廣泛應用。隨著科學技術的飛速發展，將DCS分散控制系統應用在火力發電廠中，能夠在根本上提高發電廠的整體分散式自動控制水平[1]。

1.2 給水過程的工作原理

我國300 MW等級的火力發電機中大多都會采用汽包鍋爐設備進行發電，并且在實際發電進程中沒有針對設備自身的平衡能力進行設置，在給水方面存在著動態變化、慣性大等特征。在給水控制系統設計過程中采用以往的單回路系統，會使得水位方面出現較為顯著的偏差。目前大多數發電廠在給水控制階段中所用的是串聯式方案，對于給水控制過程需要采取專業化控制系統，如DCS分散控制系統，這種控制方案不僅整體質量較為優異，還具備操作便捷等特征。在整體控制過程中，主回路中涉及到了主調節器、水位變送器等內容，而副回路中則由給水流量、執行器以及調節工作閥構成，在實際控制階段主調節器中所采用的是比列積分控制法，以此來展開針對性的控制操作，這樣就可以保證其中不會產生水位偏差問題，所輸出的各種信號能夠直接作用在調節器中，實現了對于給水流量的穩定調節，保證后續給水過程中的水流量可以處在一種相對平衡的狀態[2]。

2 DCS分散控制系統在火力發電廠給水控制中的應用分析

2.1 DCS分散控制系統的基本原則

（1）安全性原則與冗余設計原則。在DCS分散控制系統中應當采取更加成熟可靠的技術手段，以穩步降低整體系統所產生的風險，但在系統中所采用的各類設備及硬件，如服務器、控制站以及操作員站等，還有涉及到的軟件都應當遵循基本的冗余原則展開優化設計，以穩步提升整體系統的可用性。

（2）可維護性原則與端子設計原則。在整體系統中應當選擇那些具備統一化特征，得到優化處理的硬件平臺，避免出現采取專用系統或設備的情況，有利于降低維護成本與風險因素。由于施工現場到控制柜之間的電纜長度已經固定，在后續信號通道的分配過程中，要保證其能夠與原本信號的端子位置基本相同，避免產生線纜長度不夠等問題。

（3）人機界面設計原則。在人機界面的組態方面，要盡量保持與原系統一致，以大幅降低對于操作人員所產生的影響，還要保證通信方案、接口與原系統保持一致，這樣就不會出現第三方系統變更的情況。而對于那些較為重要的設備，要劃分成不同的控制站，來降低控制站故障對現場設備正常運轉產生的影響[3]。

2.2 明確控制系統的基本設計要求

在給水控制系統中應用DCS分散控制系統，必須在系統設計階段對系統功能提出更加明確的設計需求，主要涉及以下幾方面內容。

（1）控制系統應當更好地滿足火力發電廠對于給水控制過程中的全面監控和自動化控制，而內部建立起的DCS系統也要在確保不會影響到給水全自動控制的同時，滿足各方面的基本需求。對于除氧設備和過熱控制等多個分系統展開自動化啟停控制，可以在同一個系統中保證其能夠發揮出多方面功能。

（2）DCS分散控制系統要在充分結合鍋爐實際運轉情況的基礎上展開實時化監控，采取針對性的控制措施。

（3）DCS分散控制系統也應當與整體火力發電廠的控制中心之間展開兼容設計，以確保發電廠能夠針對給水控制系統展開總體控制[4]。

2.3 優化控制系統的整體設計方案

如圖1所示，在明確火力發電廠運轉狀態的基礎上，火力發電廠應當在明確設計需求的同時，針對整體系統展開優化設計。在控制系統結構中涉及到了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、水位變送器、顯示屏等內容，應當充分結合火力發電廠的基本需求來選擇對應的PLC控制器，利用前段水位變送器以及主副調節器來對水位進行信號檢測，實現對于各類數據信息的轉換計算，還可以通過RS485總線來針對數據信息展開傳輸通信，而檢測信號在傳送到PLC中后，也會對信號展開對應的分析計算，可以通過PLC中的AC/DC轉換器，將內部的數字信號逐步傳輸到工控機中，針對數據信息的分析結構展開必要的顯示與判斷。而在PLC控制器的軟件程序中，則要采用專業編程軟件來做好程序編寫，顯示界面內部要通過監視與控制通用系統（Monitor and Control Generalted System，MCGS）組態軟件來做好界面設計工作，使得DCS分散控制系統可以針對水位情況、鍋爐振動程度等多種因素加以監測。如果其中出現了故障問題，系統發出對應的聲光報警，并在顯示界面中直觀顯示出故障問題出現的主要原因和故障所處的具體位置等，工作人員通過報警提示信息采取針對性的應急處理措施，這樣就能大幅降低安全事故的發生幾率。除此之外，設計出的顯示界面也能夠采用流程圖的方式實現整體系統的界面顯示，其中涉及多個鍋爐的操作界面、參數顯示界面以及系統的調節畫面等。

圖1 火力發電廠的運轉狀態

2.4 DCS控制系統的關鍵配置

如圖2所示，在明確分散控制系統的基礎上，應當結合火力發電廠對于DCS分散控制系統所進行的整體設計，在火力發電廠目前給水控制系統特征的基礎上，通過對于DCS分散控制系統的配置來對系統的各大關鍵硬件展開匹配設計。在設計過程中結合相關參數選擇所需的PLC控制器，在PLC控制器中內置PID回路控制模塊以及I/O接口模塊，處在最大類別的I/O通道數量在4 000左右。而在DCS分散控制系統的工控機方面，也要結合實際需求展開優化設計，以此來滿足控制系統的基本運行需求。在完成了DCS分散控制系統基本設計后，為了明確系統的具體性能，就要展開必要的應用測試，其中需要重點關注的是蒸汽流量出現變化后，會使得鍋爐的負荷出現變化，要進一步明確這部分變化對于鍋爐水位所產生的影響。結合對應測試結果可以看出，DCS分散控制系統運轉正常，整體系統的穩定性比較高，可以有效實現對于鍋爐水位的穩定控制，并且DCS分散控制系統中存在的各種顯示功能和報警功能，也能夠針對鍋爐中水位的變化情況和設備后續的運轉情況展開實時化顯示，并進行對應的報警控制，繪制蒸汽流量與水位的變化曲線。由此可以看出，在DCS分散控制系統的控制作用下，蒸汽流量出現的大幅度擾動變化對于鍋爐中水位運行變化所產生的影響比較小，水位在波動性方面也符合相關規定，這表明DCS分散控制系統相對于傳統的給水控制系統來說，系統的安全性與穩定性比較高，控制系統具備較高的動態特性，這對于提高整體火力發電廠的工作效率和運行安全性起到了良好的促進作用[5]。

圖2 分散控制系統的基本結構

3 結 論

通過將較為先進的控制技術應用在火力發電廠的日常工作中，已經成為促進火力發電廠生產能力提升的關鍵所在。在分析DCS分散控制系統的基礎上，針對DCS控制系統進行優化設計，并將其應用在火力發電廠中的發電機組鍋爐中，對其具體應用效果展開全面測試。結果顯示，DCS分散控制系統在安全性與穩定性方面較為突出，此外較高的智能化程度能夠有效提升發電廠鍋爐的工作效率，實現對于工作環境的優化。