DCS在30MW高爐煤氣發(fā)電項目中的應用

楊鵬翔（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029 ）

DCS在30MW高爐煤氣發(fā)電項目中的應用

楊鵬翔（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029 ）

孫小青（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

王 暉（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，北京 100029 ）

針對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐煤氣利用現(xiàn)狀，重點介紹了上海新華第四代DCS產(chǎn)品TiSNet-XDC800在煤氣發(fā)電項目中的設(shè)計與應用情況，并結(jié)合河北某鋼廠30MW高爐煤氣發(fā)電項目的應用實例，從該類項目的DCS系統(tǒng)配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、主要控制功能、實現(xiàn)方法以及核心的控制策略等方面進行了詳細的分析和闡述。

DCS；高爐煤氣發(fā)電；控制策略

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中一直存在著高能耗、高排放等問題，隨著國家對能源的調(diào)整，如何利用企業(yè)富余熱能已成為各鋼企的當務之急。目前，鋼鐵企業(yè)的能源利用主要集中在富余煤氣、燒結(jié)煙氣及煉鋼飽和蒸汽上，其中高爐煤氣的產(chǎn)量較大，因而企業(yè)可建設(shè)以高爐煤氣為主燃料的自備型電廠。這樣不僅消耗大量的富余煤氣，充分解決了環(huán)境污染等問題，而且減少企業(yè)購電量，降低了生產(chǎn)成本。

本文結(jié)合近年來完成的該類EPC總承包項目，以河北某鋼廠30MW高爐煤氣發(fā)電工程為例，對上海新華第四代DCS產(chǎn)品XDC800在高爐煤氣發(fā)電工藝流程中的應用及控制策略等關(guān)鍵問題進行了探討。

1 工程概述

在本煤氣發(fā)電項目中，根據(jù)企業(yè)提供的煤氣平衡表可知，該廠的高爐煤氣剩余15.78×104 Nm3/h。本工程通過配備一套150t/h中溫中壓燃煤氣鍋爐及一套30MW汽輪發(fā)電機組，利用高爐煤氣進行發(fā)電，裝機方案如圖1所示。通過將煤氣以適當比例混合熱風送至鍋爐內(nèi)部燃燒產(chǎn)生大量的高溫煙氣，煙氣通過兩段省煤器與兩級過熱器與鍋爐給水進行換熱，最終產(chǎn)生過熱蒸汽進入汽輪發(fā)電機組膨脹做功并發(fā)出10.5kV的高壓接入到廠內(nèi)110kV變電站10kV母線上，從而完成能量轉(zhuǎn)換。

圖1 高爐煤氣發(fā)電項目裝機方案

從儀表自動化的角度來看，本工程可劃分為多個子系統(tǒng)，由于各個子系統(tǒng)功能相對獨立，所以就要求各系統(tǒng)能完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能。結(jié)合具體情況考慮，根據(jù)對國內(nèi)同類項目運行情況的調(diào)查，通過詳細比較多家DCS系統(tǒng)的軟硬件功能，最終決定選擇上海新華的TiSNet-XDC800系統(tǒng)用于本項目。

2 DCS系統(tǒng)配置及主要功能

針對上述各系統(tǒng)進行分析并結(jié)合實際情況設(shè)計DCS系統(tǒng)，依據(jù)高爐煤氣發(fā)電各個子工藝的特點，在電站主控室中設(shè)有控制柜與工程師站、操作員站等。其中，監(jiān)控主機包括液晶顯示器、鍵盤鼠標、UPS等，保證操作人員在控制室能夠監(jiān)控整個系統(tǒng)的工藝流程、實時數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)；對于重要的參數(shù)采用定值控制，進行自動控制；具有各種冗余措施，易于和計算機管理網(wǎng)絡(luò)相連，便于全廠優(yōu)化管理。

2.1 系統(tǒng)配置

新華TiSNet-XDC800系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)利用開放冗余的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線作為系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為控制層網(wǎng)絡(luò)XDCNET和現(xiàn)場層IO網(wǎng)絡(luò)，每層完成其特定的功能。在本煤氣發(fā)電項目中，DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.1.1 XDCNET網(wǎng)絡(luò)

由圖2可知，位于系統(tǒng)兩層結(jié)構(gòu)中的控制層網(wǎng)路XDCNET用于連接系統(tǒng)中的節(jié)點，實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。XDCNET分為實時數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET A、B和非實時數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET C。

XDCNET A、B采用冗余快速以太網(wǎng)，用于連接控制器XCU與人機接口站HMI，負責實時數(shù)據(jù)的廣播、報警、設(shè)備狀態(tài)通告、傳遞組態(tài)信息、控制指令，是系統(tǒng)的實時主干網(wǎng)。本發(fā)電項目采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，連接控制器XCU和HMI節(jié)點，將操作網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)合二為一，所有節(jié)點直接上網(wǎng)，無中間服務器等數(shù)據(jù)通訊瓶頸。

根據(jù)發(fā)電機組的實際大小，在后臺設(shè)計有6臺操作員站，兩臺工程師站和一臺打印機，各冗余控制器通過10M以太網(wǎng)與XCC（數(shù)據(jù)通訊模塊）相連。此外，根據(jù)現(xiàn)場實際的調(diào)試情況，組建了非實時數(shù)據(jù)網(wǎng)XDCNET C。

2.1.2 IONET網(wǎng)絡(luò)

IONET用于XCU與I/O模件之間的數(shù)據(jù)傳輸，冗余配置。在本工程中，設(shè)計6臺新華控制柜，即6個現(xiàn)場控制分站，各分站主控制器(XCU-net)采用主備雙模冗余配置，2個控制器進行熱備份，同時接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生故障，自動進行無擾切換；電源冗余(XPR150-24)，多個電源并聯(lián)使用，保證系統(tǒng)供電安全性；采用以太網(wǎng)交換機(XFES-1005DU)，用于100Mbps以太網(wǎng)及10Mbps 以太網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。xCC-net是應用于XDC800系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)形式的通訊模件，它位于XCU與各I/O模件之間。

2.2 主要控制功能

本工程分散控制系統(tǒng)（DCS）功能包括：數(shù)據(jù)采集處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）與熱工保護功能（包括鍋爐與汽機的聯(lián)鎖保護）。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集處理（DAS）

DAS是機組安全運行的主要監(jiān)視手段，具有高度的可靠性和實時響應能力。

（1）能夠連續(xù)監(jiān)視機組的運行參數(shù)，提供完整的報警信息。

（2）對所有輸入量進行必要的處理，如：標度、調(diào)制、檢驗、線性補償、數(shù)字化處理及工程單位轉(zhuǎn)換等。

（3）具有豐富的屏幕顯示功能，包括顯示各種參數(shù)、表格、曲線、棒狀圖、趨勢圖和模擬圖等畫面及操作指導。

（4）提供跳閘事件的順序記錄、指定參數(shù)的定時制表，趨勢記錄和事故追憶等。

（5）具有在線制表打印功能。

2.2.2 模擬量控制（MCS）

MCS系統(tǒng)確保系統(tǒng)快速和穩(wěn)定地滿足工況的變化，并保持穩(wěn)定的運行，主要自動調(diào)節(jié)項目包括：鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐燃料量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐爐膛壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；鍋爐過熱蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)；汽機凝汽器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除氧器壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除氧器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)；減溫減壓器壓力、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.2.3 順序控制（SCS）

順序控制系統(tǒng)的主要功能是滿足機組啟動、停止及正常運行工況的控制要求，并能實現(xiàn)機組在異常工況下的事故處理和緊急停機的控制操作，保證機組安全。

順序控制按驅(qū)動級、子組級水平進行設(shè)計，設(shè)計遵循保護、聯(lián)鎖操作優(yōu)先的原則。順序控制具體功能滿足以下要求：

（1）實現(xiàn)泵、風機、閥門、擋板的順序控制。

（2）在發(fā)生設(shè)備故障跳閘時，聯(lián)鎖啟動和停止相關(guān)的設(shè)備。

（3）實現(xiàn)狀態(tài)報警、保護及聯(lián)鎖。

2.2.4 熱工聯(lián)鎖保護

本工程設(shè)置的保護項目主要包括：鍋爐聯(lián)鎖保護，汽機緊急跳閘保護與各重要輔機的聯(lián)鎖保護(由SCS實現(xiàn))等。

其中，鍋爐聯(lián)鎖保護主要有：汽包水位保護、主蒸汽超壓保護、爐膛壓力保護和主燃料跳閘保護等。而汽機聯(lián)鎖保護（ETS）則主要包括如下項目：汽機轉(zhuǎn)速超速保護、推力軸承油溫超高保護、前后軸承油溫超高保護、汽機軸向位移保護、汽機潤滑油壓超低保護、主汽門關(guān)閉保護、緊急停機按鈕按下等。

3 主要控制方案說明

上文提到，本煤氣發(fā)電的DCS系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，并具有前饋特征，使整個發(fā)電系統(tǒng)能靈敏、安全、快速與穩(wěn)定的運行。因此在設(shè)計過程中，采用基本控制策略都能直接快速地響應代表負荷或能量指令的前饋信號，并通過閉環(huán)反饋控制和其它先進策略，對該信號進行靜態(tài)精確度和動態(tài)補償?shù)恼{(diào)整。以下就這幾個核心子系統(tǒng)的控制方案進行重點闡述。

3.1 鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

本工程中，鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）采用PLC完成，即設(shè)置了一套單獨的Siemens公司S7-300系列PLC作為系統(tǒng)的FSSS主控制器，F(xiàn)SSS系統(tǒng)主要由主控工作站、工控機、火焰檢測及冷卻風系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。該系統(tǒng)在鍋爐啟動運行時，為操作人員提供符合安全規(guī)范的點火模式；在鍋爐正常運行時，一方面，根據(jù)負荷變化的要求，操作人員可在FSSS操作站對燃燒器進行加減、負荷管理；另一方面，F(xiàn)SSS系統(tǒng)對爐膛火焰、爐膛壓力、送、引風機、水位、燃料供應等涉及鍋爐安全運行的工況信息進行嚴密監(jiān)測，操作人員可在FSSS操作站直觀的掌握鍋爐安全運行的工況信息，一旦這些工況信息發(fā)生異常，F(xiàn)SSS將及時地向操作人員發(fā)出警告，必要時發(fā)出MFT跳閘指令以切斷燃料，為鍋爐安全運行提供可靠的技術(shù)保障。

圖3 FSSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 爐膛負壓控制系統(tǒng)

爐膛壓力控制是煤氣發(fā)電燃燒控制系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)的目標即：通過控制引風機入口的風門檔板來控制引風量，保證鍋爐爐膛出口的壓力。為了提高該系統(tǒng)的可靠性，爐膛壓力測量采用了三臺變送器，取其中間值作為被調(diào)量。

送風量改變時，如果僅依靠爐膛壓力的變化來調(diào)節(jié)引風檔板，則在動態(tài)過程中爐膛壓力就會波動較大，對安全運行不利。因此，采用了送風檔板開度指令信號作為本系統(tǒng)前饋信號，以使引風量和送風量幾乎同時動作，這樣在送風量變化時，爐膛壓力波動不大，動態(tài)偏差很小。爐膛壓力控制器起校正作用，可以使爐膛壓力等于給定值。它的輸出作為該系統(tǒng)的輸出，去控制引風機檔板。爐膛負壓的控制原理SAMA如圖4所示。

圖4 爐膛負壓控制原理圖

3.3 鍋爐給水控制系統(tǒng)

該子系統(tǒng)的控制目標即：維護鍋爐汽包水位為定值。

汽包水位測量采用二臺差壓變送器，經(jīng)選擇器輸出并經(jīng)過汽包壓力修正形成鍋爐汽水位信號。主汽流量信號經(jīng)溫度和壓力補償后相加作為總主蒸汽流量。給水流量信號及減溫水流量信號經(jīng)溫度補償后作為總的給水流量。

鍋爐汽包水位自動控制回路采用“串級三沖量”控制方式，以汽包水位為主沖量，輔助沖量蒸汽流量為前饋量，輔助沖量給水流量為反饋量，以水位為給定值，輸出控制給水調(diào)節(jié)電動閥門。這樣，迅速消除由于蒸汽負荷擾動所產(chǎn)生的“虛假液位”現(xiàn)象，提高了控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)，鍋爐給水系統(tǒng)的控制原理如圖5所示。

3.4 汽輪機組控制

在本工程中，汽輪發(fā)電機組的汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）也采用了上海新華控制技術(shù)（集團）有限公司的XDC800控制系統(tǒng)。DEH是一個多輸入多回路的反饋控制系統(tǒng)，從功能上主要可劃分為：測量部分、給定部分、調(diào)節(jié)部分和伺服驅(qū)動四個部分，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，最為關(guān)鍵的部分即調(diào)節(jié)功能，由其完成汽輪發(fā)電組的轉(zhuǎn)速控制、閥位控制、主汽壓力控制、負荷控制、功率控制、一次調(diào)頻功能、閥位限制、首出判斷、啟動超速保護及試驗功能，從而保證30MW汽輪發(fā)電機組完成從啟機到并網(wǎng)的整個控制過程。

圖5 鍋爐汽包水位控制原理

圖6 DEH控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

充分利用企業(yè)剩余高爐煤氣資源，通過合理配置進行發(fā)電，能夠有效節(jié)約能源，降低鋼鐵企業(yè)用電所產(chǎn)生的高額費用，并為企業(yè)創(chuàng)造了良好的環(huán)境效益。某鋼鐵企業(yè)30MW高爐煤氣發(fā)電工程自2013年成功投運至今，DCS控制系統(tǒng)工作正常。實踐表明，XDC800作為新華第四代DCS系統(tǒng)，繼承了上一代DCS的優(yōu)點，不僅減少了控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、維護的成本，提高了生產(chǎn)的自動化水平，而且具有生產(chǎn)操作方便、直觀、組態(tài)修改靈活等優(yōu)點，取得了良好的控制效果，有效地保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量。同時，也為高性價比國產(chǎn)DCS在同類節(jié)能減排項目中的推廣與應用積累了寶貴的經(jīng)驗。

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楊鵬翔（1987-），河北邢臺人，助理工程師，工學碩士，現(xiàn)就職于北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司，主要從事能源環(huán)保項目電氣自動化系統(tǒng)設(shè)計及實施方面的研究。

圖4 用戶界面

5 結(jié)語

本文以滾球法為基礎(chǔ)，建立了用于計算單只接閃桿最小高度的數(shù)學模型，并以MATLAB/GUIDE為平臺，開發(fā)了計算程序。程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便調(diào)試，易于擴展和改進，并且具有友好的用戶界面，操作簡單。

通過程序?qū)娱W桿進行輔助設(shè)計，可以方便地計算得出接閃桿的最小高度，省去了繁瑣的計算過程。以最小高度為依據(jù)，確定接閃桿的設(shè)計高度，并再次通過程序?qū)沃唤娱W桿的保護半徑進行驗證，既保證了接閃桿對被保護物的有效保護，又避免接閃桿太高而造成浪費。

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[3] 于濤, 張泳, 高杰. 基于MATLAB的道路照明計算程序[J]. 自動化博覽, 2015.

作者簡介

于濤，男，助理工程師，從事電氣及自動化設(shè)計及研究工作。

來瑞鵬，男，高級工程師，從事電氣及自動化設(shè)計及研究工作。

肖亮，男，高級工程師，從事電氣及自動化設(shè)計及研究工作。

Application of DCS System in 30MW BF Gas Power Generation Project

Aiming at utilization status of the BF gas in iron and steel plant，this article introduces emphatically the design and application of Shanghai xinhua’s fourth generation DCS products TiSNet-XDC800 in gas power generation project. The DCS system configuration of this kind of power generation project, the network structure, the mainly control function and accomplished method, the nuclear control strategy are introduced and described detailedly in this paper, with the example of a steel plant 30 MW BF gas power project in Hebei．

DCS; BF gas power generation; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0096-04

TP273