水泥廠余熱電站DCS系統方案的技術經濟比較與分析

閻素玲，祝強

水泥廠余熱電站DCS系統方案的技術經濟比較與分析

閻素玲，祝強

本文以我公司承接的某余熱電站總包項目為例，對電站DCS系統是否設余熱鍋爐遠程站、是否采用現場總線等4個方案進行了技術、經濟的比較與分析，分析結果表明：在窯頭和窯尾余熱鍋爐分別設置DCS遠程I/O站，技術成熟可靠，維護方便，同時由于減少了大量的電纜，也減少了電纜的安裝費用，從而大大降低了工程建設成本，因此在余熱鍋爐設置DCS遠程站是一個可靠、合理、經濟的方案?，F場總線具有技術先進性，但是由于現階段現場總線技術存在的問題，會對系統的可靠性造成嚴重影響。采用現場總線技術，雖然可降低DCS系統的費用，減少電纜的數量，但由于現場總線設備費用增加，導致整個電站控制系統的總體費用較常規DCS系統會有所增加，因此現階段余熱發電項目不宜采用現場總線技術方案。

余熱發電；遠程I/O站；現場總線；智能低壓電機保護器

1 前言

某余熱電站項目利用一條4500t/d的新型干法水泥回轉窯生產線窯尾預熱器及窯頭熟料冷卻機廢氣余熱，建設一座7.5MW純低溫余熱電站，電站采用兩爐一機方案。其裝機方案為：1臺7.5MW凝汽式汽輪機+1臺7.5MW發電機+1臺窯頭余熱鍋爐（單壓）+1臺窯尾余熱鍋爐（單壓）。

窯尾余熱鍋爐至電站主廠房電纜敷設距離約為270m，窯頭余熱鍋爐至電站主廠房電纜敷設距離約為380m，窯尾余熱鍋爐至窯頭余熱鍋爐電纜敷設距離約為150m。

本文以該余熱電站項目為樣本，對四種不同的DCS配置方案進行了技術比較與成本核算。

2 DCS技術方案描述

2.1 A方案

該方案在電站中控室集中設置現場控制站，余熱鍋爐系統未設遠程控制站。

這是一種常規的DCS系統配置方案，是我公司絕大多數余熱發電項目設計所采用的方案。在位于汽輪機房運轉層的電站中央控制室內設置I/O模件機柜，集中采集所有來自現場的開關量和模擬量信號，并輸出驅動信號。

圖1 A方案DCS配置系統圖

圖2 B方案DCS配置系統圖

該方案MCC柜和DCS控制柜分別集中安裝在汽輪發電機房內的高低壓配電室和電站中控室。整個電站系統（除化學水處理之外）的所有電動機、電動閥的饋電動力電纜、控制電纜及熱工檢測的信號屏蔽電纜均分別引自MCC柜和I/O模塊柜。

A方案的優點：DCS系統的所有設備均安裝在中控室內，環境條件好，便于維護和管理；I/O模塊集中安裝，節省了I/O柜的數量。

A方案的缺點：窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐距離電站中控室約300多米，導致外線電纜和電纜橋架數量及相關施工安裝費用增加。

2.2 B方案

該方案在電站中控室設置現場控制站，同時在窯尾余熱鍋爐設置遠程控制站。

該方案是在A方案的基礎上，為了減少電纜用量，除了在電站中央控制室內設置I/O模件機柜外，同時在窯尾余熱鍋爐側搭建電力室，將窯頭、窯尾余熱鍋爐遠程I/O柜和MCC柜一起安裝在窯尾余熱鍋爐電力室內。

由遠程I/O擴展機架和模件組成的窯尾余熱鍋爐遠程I/O子站將通過Profibus-DP總線與放置在電站中控室的冗余控制器進行通訊，通訊信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉換接口分別與兩側I/O柜內Profi?bus-DP總線相連接。

該方案的優點：減少了余熱鍋爐外線電纜和電纜橋架數量及相關的施工安裝費用。

該方案的缺點：由于設置了窯尾余熱鍋爐電力室，增加了土建費用及空調、照明等費用；增加了MCC柜和I/O模塊柜的數量，增加了DCS系統的硬件設備及通訊設備費用。

2.3 C方案

該方案在電站中控室設置現場控制站，同時在窯頭、窯尾余熱鍋爐分別設置遠程控制站。

該方案是在B方案的基礎上，為了進一步減少電纜用量，除了在窯尾余熱鍋爐設置遠程I/O站，同時在窯頭余熱鍋爐側搭建電力室，將窯頭余熱鍋爐遠程I/O柜和MCC柜一起安裝在窯頭余熱鍋爐電力室內，形成窯頭余熱鍋爐與窯尾余熱鍋爐分別設置各自電力室及遠程I/O站。

該系統配置一對冗余控制器。冗余控制器均通過現場總線Profi?bus-DP帶一定數量的I/O擴展機架及I/O模件。由遠程I/O擴展機架和模件組成的窯頭、窯尾余熱鍋爐遠程I/O子站將分別通過Profibus-DP總線與放置在電站中控室的冗余控制器進行通訊，通訊信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉換接口分別與兩側的I/O柜內Profibus-DP總線相連接。

圖3 C方案DCS配置系統圖

C方案的優點：進一步減少了余熱鍋爐外線電纜和電纜橋架數量及相關的施工安裝費用。

C方案的缺點：由于增設窯頭、窯尾余熱鍋爐電力室，增加了土建費用及空調、照明費用，增加了MCC柜和I/O模塊柜的數量，增加了DCS系統的硬件設備及通訊設備費用。

2.4 D方案

該方案在電站中控室集中設置現場控制站，電站系統采用現場總線技術。

該方案是在C方案的基礎上采用了現場總線技術。嚴格地講，該系統為局部采用現場總線技術（FCS）的DCS系統，是一種向FCS過渡性的控制系統。它既保留了DCS系統中功能很強的控制器及I/O模件，同時在通信網絡又遵循現場總線協議。

該系統配置一對冗余控制器。冗余控制器通過現場總線Profibus-DP帶一定數量的I/O擴展機架及I/O模件。由于余熱鍋爐還有一些信號需要I/O模件采集，因此仍需要在窯尾余熱鍋爐電力室設置由遠程I/O擴展機架和模件組成的遠程I/O站。為此要求余熱電站各系統均需采用數字智能現場裝置，如帶PA通訊的變送器（壓力、差壓、液位、溫度等）、帶Profibus-DP通訊的智能低壓電機保護器、電動執行器及變頻裝置。實現使用一根通信電纜，將所有具有統一的通信協議和規約的現場設備連接起來，這樣，在設備層傳遞的不再是模擬量信號，而是基于現場總線的數字化信號，進而構成數字化通信網絡控制系統。

遠程I/O柜、現場總線設備及化學水車間PLC系統，通過Profibus-DP總線與安裝在電站中控室的冗余控制器進行通訊。要求通訊距離在100m以內的信號采用雙絞線傳輸，通訊距離在100m以上的信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉換接口與遠程I/O柜內Profibus-DP總線相連接。

采用現場總線技術的主要優勢：

（1）相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護；

（2）全數字化，免去了D/A與A/ D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%；

（3）可以將PID閉環控制功能裝入變送器或執行器中，縮短了控制周期，從而改善調節性能；

（4）采用了雙向數字通信現場總線信號制，因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態，現場設備的免維護量提高，工作效率提高；

（5）可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用；

（6）可以省去相當數量的隔離器、中間繼電器、端子、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節省了I/O裝置的空間與占地面積。

（7）MCC抽屜柜中采用智能低壓電機保護器替代傳統的熱繼電器，使其檢測、保護功能更加完善，還可以減少電機的維修費用，減少停工停產的損失；在控制系統中，可以通過現場總線技術對其進行組態、調試、運行和診斷。

采用現場總線技術的缺點：

（1）由于總線系統的通信故障90%是安裝不規范造成的，因此現場總線技術的采用對連接其設備之間的通訊電纜、接頭等安裝要求非常高，線路抗干擾能力差，造成施工難度的增加；

（2）裝置校驗和故障查找需要新的裝備和技術，對相關人員要進行業務培訓提高技能；

（3）DCS系統軟件對現場總線設備診斷數據采集不夠完善；

圖4 D方案DCS配置系統圖

（4）對要求的數字智能現場儀表品種單一，特種儀表品種空白；

（5）采用帶總線接口的就地設備、就地儀表要比常規設備、儀表的價格略高，造成總體成本并未節省；

（6）采用智能低壓電機保護器替代熱繼電器，增加了MCC柜的費用。國產智能低壓電機保護器價格在幾百到幾千不等，進口品牌價格在萬元以上。

3DCS系統方案經濟性比較

以某余熱電站項目為例，進行DCS系統方案經濟性比較。

3.1 A方案與C方案的比較與分析

通過對A、C方案系統配置及價格的比較可以看出，由于C方案在窯頭、窯尾分別設置遠程I/O站，造成設備費、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內容：

增設就地電力室的土建、空調及照明：增加約8.3萬元；

窯頭、窯尾余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）：增加約2.32萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝：增加約2.76萬元；

DCS系統通訊設備及材料：增加約2.2萬元。

共增加費用：約15.58萬元。

（2）減少費用內容：

中控室UPS電源容量由原15kVA變為10kVA：減少約4.2萬元；

窯頭、窯尾余熱鍋爐雜動力箱：減少約1.37萬元；

動力電纜、控制電纜及電纜的敷設安裝費：減少約47.09萬元；

共減少費用：約52.66萬元。

經過統計核算，C方案（即在窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐分別設遠程I/O站）比A方案（不設遠程站）共節省費用約37.1萬元。

由于金屬銅材料價格不斷上漲，再加上勞動力成本不斷增加，電纜及其施工、安裝費用占電氣、自動化總體費用的比例越來越大。從以上核算結果可以看出，在窯頭、窯尾余熱鍋爐距離主廠房比較遠的情況下，設遠程I/O站可以減少大量電纜，同時也可減少電纜的敷設安裝費用，這是節省工程費用的很有效的途徑。

經過實際核算，當余熱鍋爐至電站主廠房的電纜敷設距離大于100m時，可以考慮設余熱鍋爐遠程I/O站。因為設I/O遠程站減少的電纜及其敷設安裝費用，已經大于所增加的土建及設備費用。

3.2 B方案與C方案的比較與分析

通過對B、C方案系統配置及價格的比較可以看出，由于C方案比B方案在窯頭余熱鍋爐多增設遠程I/O站，造成設備、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內容：

在窯頭增設就地電力室的土建、空調及照明：增加4.15萬元；

窯頭余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）及安裝：增加0.91萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝:增加2.14萬元；

DCS系統通訊設備及材料:增加0.58萬元；

共增加費用：約7.78萬元。

（2）減少費用內容：

窯頭余熱鍋爐雜動力箱：減少0.69萬元；

動力電纜、控制電纜及電纜的敷設安裝費：減少9.69萬元；

共減少費用：約10.38萬元。

經過統計核算，C方案比B方案，共節省費用約2.6萬元。

從以上核算結果可以看出，比較只在窯尾余熱鍋爐設站的B方案，C方案在窯頭余熱鍋爐增設遠程I/O站，進一步減少了電纜的數量和電纜的安裝費用，降低了電氣自動化的綜合成本。如果余熱鍋爐為雙壓系統，與單壓系統比較，電纜數量及電纜敷設安裝費用幾乎成倍增加，因此C方案比B方案在節省投資方面更具有優勢。

3.3 D方案與C方案的比較與分析

通過對D、C方案系統配置及價格的比較可以看出，由于D方案采用現場總線技術，造成設備、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內容：

MCC柜:增加約4.05萬元；

智能低壓電機保護器（國產）:增加約6.75萬元；

窯頭余熱鍋爐雜動力箱：增加約0.885萬元；

現場總線網絡通訊設備：增加約8.63萬元；

現場總線網絡通訊電纜及電纜安裝：增加約4.64萬元；

現場儀表加配PA通訊接口：增加約0.96萬元；

汽機房帶PA通訊接口溫度變送器：增加約8.35萬元；

變頻裝置加配DP通訊模塊：增加約3.63萬元；

電動執行器加配DP通訊模塊：增加約2.16萬元；

共增加費用：約40.06萬元。

（2）減少費用內容：

窯頭余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）：減少約1.16萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝：減少約15.49萬元；

信號隔離器、中間繼電器：減少約0.25萬元；

控制電纜及電纜的安裝：減少約7.51萬元；

共減少費用：約19.42萬元。

經過統計核算，D方案比C方案共增加費用約20.64萬元。

從以上核算結果可以看出，采用現場總線技術，增加了現場總線網絡通訊設備和通訊電纜，同時現場總線儀表、智能低壓電機保護器、電動執行器及變頻裝置增配通訊接口和模塊，這兩項費用比較高，大大超出減少的I/O模塊和控制電纜等的費用。但是，上述分析并未計及由于電纜的減少，使得施工單位節省了接線工程量，縮短了工期，而且從長期效益來看，應用現場總線技術將帶來電站管控數字化和全生命周期的設計、安裝、調試、運行維護成本節約等有利因素。如果單從節省投資的角度來看，采用現場總線的D方案是不合適的。

4 結語

（1）從技術的可靠性和控制成本的角度出發，DCS系統應該首選在窯頭、窯尾均設遠程I/O站的方案，該方案性價比最高。

（2）現場總線技術雖然具有很強的技術先進性，是未來DCS系統發展的趨勢，但是現階段現場總線技術存在很多問題，比如國際標準不統一、配套現場總線設備價格高、品種單一、供貨商不能提供有效的技術支持，以及施工難度增加等，這些因素都會對系統的可靠性造成不利影響。

影響現場總線方案成本的主要因素是智能低壓電機保護器以及現場總線設備的費用較高，尤其是智能低壓電機保護器的費用。進口品牌智能低壓電機保護器的費用是國產品牌的4～5倍。

因此，無論從技術的可靠性還是從成本控制的經濟性考慮，一般不建議在現階段采用現場總線方案。

根據上述對DCS系統各種方案的技術經濟分析，該余熱發電項目采用了技術可靠、投資相對較少的C方案，即分別在電站中控室、窯頭電氣室及窯尾電氣室設現場I/O控制站。目前電站已投入運行，而且運轉狀況良好?！?/p>

Comparison and Analysis for Economic and Technology of DCS system in Cement WHR Project

YAN Su-ling,ZHU Qiang
（Sinoma Energy Conservation Ltd.Tianjin 300400）

By taking an EPC WHR Project as an example,this article compares and analyzes the economy and technology of whether the DCS system sets up remote station for HRSG,whether to adopt the Fieldbus and the other 2 programs.The results show that it is mature and reliable to set the DCS remote I/O station in the kiln inlet and outlet.It is not only easy to maintain,but also reduces the amount of cable and cost of cable installation.Thus construction cost was greatly reduced,so it is a reliable,reasonable and economical solution to set the DCS remote station in HRSG.Fieldbus technology is advanced,but at this stage problems for fieldbus technology will have a serious impact on the reliability of the system.Although costs for DCS systems and the number of cables can be reduced by using Eieldbus technology,the overall cost of power plant control system will increase and be higher than the conventional DCS system due to the increase of cost for fieldbus devices. Thus,it is not acceptable to use fieldbus technology for WHR Project at this stage.

WHR;remote I/O station;fieldbus;intelligent low-voltage motor protection

TQ172.625.9

A

1001-6171（2014）05-0083-05

中材節能股份有限公司，天津300400；

2014-01-29；編輯：呂光