燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組天然氣調(diào)壓站DCS遠程IO設計與實現(xiàn)

張 鵬，焦道順

（1．河北省電力勘測設計研究院，石家莊050031； 2．華能金陵燃機有限公司，南京210034）

天然氣調(diào)壓站是燃氣輪機（簡稱燃機）聯(lián)合循環(huán)電廠的重要組成部分之一，是天然氣的主要處理系統(tǒng)，直接影響到燃機聯(lián)合循環(huán)機組的運行可靠性和經(jīng)濟性。根據(jù)已運行機組的實際情況及經(jīng)驗，新建機組合理優(yōu)化配置天然氣調(diào)壓站的控制系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)設備穩(wěn)定和安全可靠運行的前提下，可以提高機組運行的經(jīng)濟性、降低造價并減少能耗。

筆者對已投運的華能金陵燃機電廠天然氣調(diào)壓站控制系統(tǒng)進行介紹，提出了天然氣調(diào)壓站DCS遠程IO設計方案，有助于實現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化，真正做到數(shù)字化電廠。

1 項目概況

華能金陵燃機電廠目前已經(jīng)建成2臺390MW級燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，并將擴建2臺200MW燃機聯(lián)合循環(huán)機組，提供該地區(qū)部分動力用電及生活用汽，改善地區(qū)能源結構與環(huán)境狀況。

擴建工程采用PG9171E型燃機，采用E級分軸、單燃料、干式低NOx、重型燃機和單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸抽汽凝汽式供熱汽輪機組。

2 調(diào)壓站工藝系統(tǒng)

2臺E級聯(lián)合循環(huán)機組配置一套天然氣調(diào)壓站設備，其用途是將來自上游供氣管道的天然氣降壓和穩(wěn)壓，使天然氣在所要求的壓力和流量下連續(xù)穩(wěn)定地輸入到下游燃機天然氣前置模塊中。該天然氣調(diào)壓站工藝系統(tǒng)示意圖見圖1［1－2］。

圖1 天然氣調(diào)壓站工藝系統(tǒng)示意圖

2．1 入口單元

來自上游供氣管道的天然氣首先進入入口單元，在入口處安裝有絕緣接頭，實現(xiàn)輸氣管線與天然氣場站的電絕緣，確保場站安全。絕緣接頭后配置緊急切斷閥，該閥為氣動閥，通過電磁閥實現(xiàn)遠程控制，在發(fā)生泄漏、火警或其他危險事件時快速切斷氣源，保證電廠安全。

2．2 旋風分離單元

天然氣經(jīng)過入口單元進入旋風分離單元，該單元設計有一臺分離器，同時還配置了旁路。分離器配置有進出口隔斷閥、安全放散閥、手動放散閥、液位計、連鎖控制的自動排污閥和手動排污旁路以及必要的儀表等附件。經(jīng)過分離器后，天然氣中較大的雜質(zhì)顆粒及液滴在進入到計量單元前被分離出來。

2．3 計量單元

計量單元設計為2臺100%流量，即一用一備，流量為86 000m3／h。

計量系統(tǒng)中配有壓力補償變送器、溫度補償熱電阻、超聲波流量計。壓力補償變送器用于檢測天然氣工況下絕對壓力，溫度補償熱電阻用于檢測天然氣工況下溫度，超聲波流量計用于檢測天然氣工況流量。壓力溫度直接接入流量計算機，同時流量計算機與超聲波流量計進行通信，將采集的工況流量與補償?shù)慕^對壓力值、溫度值進行計算，計算出標準狀況下體積流量、累積流量等值，經(jīng)通信（RS485）送給DCS，以便在DCS監(jiān)測各種流量數(shù)值，同時瞬時質(zhì)量流量、標準狀況體積流量、工況體積流量、熱值4個參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成4～20mA信號，并傳送至DCS。

此部分的計量是用來計量調(diào)壓站消耗的天然氣總用量。

2．4 過濾單元

天然氣經(jīng)過計量單元進入過濾單元，主要清除天然氣中的固體顆粒、灰塵和液滴，以保證管道系統(tǒng)的清潔度，給燃機提供清潔的天然氣。過濾系統(tǒng)設計成一用一備。

2．5 加熱單元

天然氣經(jīng)過過濾單元進入加熱單元，主要目的是提高天然氣的溫度，滿足燃機對天然氣的要求，并保證調(diào)壓站內(nèi)所有管道、儀表等設施在各種運行工況下不產(chǎn)生結露現(xiàn)象（主要是在冬季的低溫情況下）。加熱單元配置一臺蒸汽復熱式加熱器，并配置球閥旁路。該部分的入口天然氣溫度為0～20℃，要求的出口溫度為27．5℃。

2．6 調(diào)壓單元

調(diào)壓單元配置2臺50%調(diào)壓路，每臺燃機配置兩路（一用一備），每條調(diào)壓路串連配置1臺超壓緊急切斷閥、1臺監(jiān)控調(diào)壓器及1臺工作調(diào)壓器，進出口隔斷球閥以及必要的溫度壓力儀表等，保證天然氣調(diào)壓、穩(wěn)壓、連續(xù)輸出。

2．7 冷凝儲罐單元

從旋風分離器和過濾器分離出來的水和碳氫化合物經(jīng)排污系統(tǒng)流入冷凝儲罐存儲，然后在以后的適當時候?qū)⑴盼垡簭默F(xiàn)場移走。

冷凝罐單元配置1臺1m3的冷凝液儲罐及烴泵、液位計和必要的隔斷閥門。

2．8 充氮保護單元

由于天然氣具有很高的易燃性，因此在機組啟動、停機檢修及長期停機時，調(diào)壓站系統(tǒng)都必須進行氮氣置換，目的是為了防止在系統(tǒng)中形成爆炸性可燃氣體。

當停車檢修時，需首先將天然氣泄壓，然后用氮氣將天然氣置換出去。

當電廠長期停車時，應將天然氣安全地隔離開，然后將系統(tǒng)中的天然氣用氮氣將其置換出去，并用氮氣保壓。所有通大氣的接口要保持關閉狀態(tài)，防止空氣進入。

2．9 集中放散單元

集中放散單元主要是排放設備和管道中滲漏和殘留的天然氣；同時，充氮過程中氮氣也必須通過放散單元進行放散，確保整個調(diào)壓站系統(tǒng)的安全。

3 控制系統(tǒng)DCS遠程IO配置

考慮到全廠控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，對調(diào)壓站常規(guī)PLC控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，采用了DCS遠程IO站的控制方案。

3．1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)由一臺上位計算機和一面DCS遠程IO機柜構成。上位計算機系統(tǒng)采用工業(yè)級計算機構成功能強大的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，通過合理的系統(tǒng)設計和系統(tǒng)組態(tài)，實現(xiàn)對整個天然氣調(diào)壓站工藝流程的動態(tài)監(jiān)視和控制［3］。

天然氣調(diào)壓站控制系統(tǒng)的DPU控制器布置在公用DCS機柜內(nèi)，就地調(diào)壓站控制室內(nèi)僅布置一面DCS遠程IO機柜。DCS遠程IO機柜內(nèi)僅布置系統(tǒng)IO卡件和通信模塊，現(xiàn)場需要監(jiān)測與控制的點通過硬接線方式接入系統(tǒng)IO模塊，通過冗余的光纖接入到全廠公用DCS網(wǎng)絡。主控制熱備系統(tǒng)和遠程I／O控制站之間采用高性能的工業(yè)以太網(wǎng)總線傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)信息的可靠、安全、穩(wěn)定地傳輸。

上位計算機系統(tǒng)與DCS控制單元之間采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡。以太網(wǎng)屬國際標準，工業(yè)以太網(wǎng)已達到高傳輸安全性和可靠性要求，現(xiàn)已廣泛用于程序維護、向MIS～RMES系統(tǒng)傳遞工廠數(shù)據(jù)、監(jiān)控、連接人機界面、記錄事件和報警。通過以太網(wǎng)絡將上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)測與控制點緊密地結合為一個整體，構成一個完整的系統(tǒng)。在這樣高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡上，可以很方便地利用DCS系統(tǒng)所特有的功能，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的計算機在線遠程診斷功能。

3．2 控制策略

系統(tǒng)采用集中控制方式，通過DCS控制系統(tǒng)，運行人員可在集中控制室內(nèi)實現(xiàn)對整個調(diào)壓站工藝系統(tǒng)進行啟／停控制，正常運行監(jiān)視及異常工況的處理，也可通過鍵盤實現(xiàn)遠方軟手操。程控邏輯設計要符合控制系統(tǒng)的控制和連鎖要求，完成電機啟停、閥門開關、液位調(diào)整和流量調(diào)整，并根據(jù)實際需要監(jiān)視流量、壓力、溫度和閥門狀態(tài)等參數(shù)，所有參數(shù)做好報警記錄，完成報警功能。

調(diào)壓站天然氣系統(tǒng)調(diào)壓采用全自動方式，也可遠方軟手操控制，運行人員根據(jù)實際情況進行控制方式的選擇，完成各系統(tǒng)的投運、停運、自動、手動以及就地操作。

3．3 DCS遠程IO控制方案的優(yōu)點

近幾年隨著DCS系統(tǒng)的發(fā)展，燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)已經(jīng)逐漸采用DCS系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的PLC方案，構成全廠輔助車間DCS控制網(wǎng)絡。對于聯(lián)合循環(huán)燃機電廠，主要的輔助車間系統(tǒng)已經(jīng)采用DCS控制系統(tǒng)，組成完整的DCS控制網(wǎng)絡，但對于天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)，由于通常作為一個獨立的小系統(tǒng)，廠家提供工藝設備和獨立的PLC控制系統(tǒng)，通過通信接口接入到全廠的DCS網(wǎng)絡中，造成全廠控制系統(tǒng)的不完整；另外由于PLC與全廠控制系統(tǒng)存在控制協(xié)議的差異，常常會造成調(diào)壓站PLC系統(tǒng)通信中斷，嚴重影響了天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的安全運行。

調(diào)壓站采用DCS遠程IO控制方案，解決了全廠控制系統(tǒng)的不完整，避免了控制系統(tǒng)之間的兼容問題，保證了信息的實時性，大大提高控制的安全可靠性，歸納起來有以下幾個優(yōu)點：

（1）避免了車間輔助控制系統(tǒng)與全廠主控制系統(tǒng)的不一致，解決了控制孤島的問題，充分考慮了資源的共享。

（2）避免了控制系統(tǒng)設備選型多種多樣，給生產(chǎn)維護管理帶來便利，降低了運行費用，減少了備品備件的數(shù)量。

（3）控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，客觀上就避免了不同系統(tǒng)間的兼容問題，包括協(xié)議的兼容和網(wǎng)絡接口的兼容，簡化了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，提高了整個控制系統(tǒng)的安全性。

（4）從運行人員的組態(tài)、編程方面考慮，使全廠主、輔控制平臺和人機畫面環(huán)境得到統(tǒng)一，降低了工作和培訓的強度和費用。

總之，調(diào)壓站采用DCS遠程IO控制方案，使全廠控制系統(tǒng)的完整性和可靠性得到大幅提高，大大增加了天然氣系統(tǒng)運行的安全性，同時降低了電廠設備及人員成本，為電廠高效、安全、經(jīng)濟運行創(chuàng)造條件。

3．4 DCS控制系統(tǒng)畫面

對于調(diào)壓站工藝系統(tǒng)流程（見圖2），DCS上位機不僅可以實現(xiàn)遠程實時監(jiān)視，而且可以遠程控制各工藝系統(tǒng)流程，達到全自動運行方式。

圖2 調(diào)壓站DCS控制畫面簡圖

3．5 DCS遠程IO站設計

DCS遠程IO站設計過程如下：

（1）根據(jù)工藝系統(tǒng)的控制要求，設計系統(tǒng)圖和IO清單。調(diào)壓站系統(tǒng)的IO清單見表1。

表1 調(diào)壓站系統(tǒng)IO清單

（2）根據(jù)IO清單，合理配置DCS系統(tǒng)卡件數(shù)量。調(diào)壓站系統(tǒng)的IO卡件數(shù)量見表2。

表2 IO卡件清單

（3）就地控制室為集裝方式，需要將DCS機柜和操作員站合理地布置在控制室內(nèi)，同時考慮廠區(qū)的場地條件，確定就地控制室的面積。就地控制室布置見圖3。

圖3 就地控制室布置圖

（4）考慮到系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)機柜和操作員站電源都取自公用DCS電源柜。

（5）采用TCP／IP通信協(xié)議，通過光纖方式，接入全廠公用DCS網(wǎng)絡。

（6）為了保證事故狀態(tài)下調(diào)壓站系統(tǒng)的安全性，需要對緊急切斷閥（ESD）和放散閥進行操作，因此3個ESD電磁閥和2個放散電磁閥均在就地設置硬手操（配操作面板、指示燈、就地按鈕等），布置在計量柜面板上。

（7）設置了6臺可燃氣體探測器，同時輸出4～20mA和開關量信號，模擬量信號用于DCS系統(tǒng)監(jiān)視；開關量信號用于消防報警，為高限報警。

（8）由于整個天然氣調(diào)壓系統(tǒng)設計兩套獨立的調(diào)壓系統(tǒng)，分別為兩臺燃氣機組供氣，因此在DCS系統(tǒng)組態(tài)、IO點配置時應考慮遠程柜控制卡件故障對機組控制產(chǎn)生的影響，確保不因單個卡件故障對兩臺機組造成安全隱患。

4 結語

華能金陵燃機電廠4號機組于2013年4月6日順利投運，標志上述天然氣調(diào)壓站DCS遠程IO站方案是可行的，也是成功的，可為以后同等類型工程設計提供借鑒。

［1］呂小蘭 ．燃機電廠天然氣調(diào)壓站配置探討［J］．燃氣輪機技術，2007，20（3）：6－9．

［2］馬國喜 ．燃氣輪機電廠天然氣調(diào)壓站裝置與功能分析［J］．燃氣輪機技術，2011，24（4）：12－16．

［3］吳志剛．PLC在天然氣調(diào)壓站自動控制系統(tǒng)中的應用研究［J］．機電一體化，2010，16（9）：48－50．