現場總線技術在1 000 MW二次再熱機組的應用研究

徐 龍

（廣東大唐國際雷州發電有限責任公司， 廣東 雷州 524255）

引言

按照國際電工委員會IEC61158的定義，現場總線（fieldbus）是：“安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點通信的數據總線稱為現場總線”；由現場總線和現場智能設備組成的控制系統稱為現場總線控制系統，通稱為 FCS（Fieldbus Control System）[1]。適用于發電廠過程控制的現場總線型式，目前的主流產品有三種：FF型現場總線、Profibus型現場總線、WorldFIP現場總線（相應的總線設備尚未開發）。目前較普遍應用的是FF型現場總線、Profibus型現場總線。

1 現場總線技術在電廠的應用概況

現場總線技術經過了從電廠輔助車間逐步過渡到主車間的應用過程。從輔助廠房的個別系統試用到輔助廠房的全面應用，再到主機系統的應用，已廣泛應用于整個電廠。目前，國內一些電廠也開始廣泛使用現場總線技術。如：九臺電廠和金陵電廠，在主機系統及輔控系統全范圍使用了現場總線技術，涉及全廠各系統的多類設備，如電動執行機構、電動馬達保護器、變送器和電磁閥箱等。

華能南京金陵電廠2×1 030 MW超超臨界燃煤機組1號機于2009年12月23日通過168試運行。該項目在主輔系統全面采用Profibus現場總線，是我國第一個超超臨界機組總線應用示范項目。該項目的主系統控制器配置26+2對控制器、35個總線通訊柜、51個冗余DP網段、11個單總線DP網段、124個PA網段、358個DP總線設備、628個PA總線設備，涵蓋25個系統和流程，采用了13種類型的總線設備，基本包括主機的所有典型設備。輔控系統包括鍋爐補給水處理、凝結水精處理、凈水、廢水處理、脫硫采用現場總線控制系統。

2 雷州發電公司的現場總線工程

2.1 雷州發電公司工程概述

廣東大唐國際雷州發電有限責任公司（以下簡稱“雷州發電公司”）一期工程建設2臺1 000 MW國產燃煤超超臨界汽輪發電機組。鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠生產的超超臨界、二次再熱、變壓直流π型爐，型號為HG-2764/33.5/605/623/623-YM2。汽輪機采用上海電氣生產的超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、十級回熱抽汽、雙背壓凝汽式汽輪機，型號為N1000-31/600/620/620。發電機采用上海電氣生產的THDF125/67型號發電機。投產后，實現供電煤耗265.55 g/kWh、煙塵排放質量濃度≤10 mg/m3、SO2排放質量濃度≤35 mg/m3、NOx排放濃度≤50 mg/m3。

2.2 本工程現場總線實施范圍

雷州發電公司采用國電智深的EDPF-NT Plus控制系統，在全廠范圍使用Profibus現場總線技術，目前是國內使用總線設備數量最多的大型火電廠，主機系統總線設備超過1 800臺。本工程現場總線的主要應用范圍如下：

1）廣泛采用總線型變送器。除接入專用系統（如DEH）或用于爐壓保護外，所有智能變送器均采用現場總線接入分散控制系統（DCS）。

2）除涉及機組安全的電（氣）動門外均考慮采用現場總線控制。重要的電（氣）動門保留硬接線緊急操作指令接口或配置緊急操作電磁閥等附件，例如磨煤機出口門增加硬接線緊急關閉接口，凝汽器真空破壞門增加硬接線緊急打開接口。

3）380VAC低壓電動機采用現場總線控制，重要的低壓電動馬達保留硬接線控制回路（如火檢冷卻風機、汽機潤滑油泵、發電機定子冷卻水泵及密封油泵等）。

4）集中式電磁閥閥島采用現場總線控制（如水處理和除灰系統氣動閥門電磁閥）。與機組啟停聯鎖的氣動閥不采用現場總線控制（如汽機疏水閥等）。

5）開關量測點不采用現場總線(如液位、溫度、壓力開關等）。

6）溫度信號不采用現場總線，集中分布的溫度測點采用DCS遠程IO接入控制系統。

7）影響機組安全運行的系統不采用現場總線（如 FSSS、MFT、DEH/ETS、TSI、MTSI、SOE 等）。

2.3 網絡結構及網段劃分原則

1）網段劃分原則。按照工藝系統劃分調節回路控制策略和設備控制邏輯，并在各DCS控制器中實現。現場總線也按照工藝系統來劃分網段，屬于同一個工藝系統且空間位置臨近的設備可劃分在一個網段上。把控制系統中關聯的檢測儀表和執行機構劃分在同一網段中，可以提高運算速度。冗余配置的同類設備，配置在不同網段中。

2）網絡結構。PROFIBUS DP現場總線網段主干網采用光纖和DP總線電纜連接。PROFIBUS PA現場總線網段采用PA電纜，形成樹形、總線形和兩者的復合結構。現場總線網段設計應盡量降低單點故障率，連接和斷開總線上的設備不應影響有關的現場總線網段工作。雷州發電公司現場總線控制系統的總體結構如圖1所示。

圖1 國電智深現場總線控制系統的總體結構

2.4 保證系統安全的措施

1）有要求連鎖保護的重要執行機構，例如危急疏水門、減溫器噴水門等調節型閥門應設置快速動作電磁閥。

2）緊急情況下需操作的電動門，如真空破壞電動門，應預留緊急操作接口。

3）對于支持雙口冗余的設備，均采用雙網雙卡的冗余結構。

4）所有接口卡均按冗余設置。

5）每塊接口卡占用的接口不超過2個。

6）為提高抗干擾能力，由DCS機柜到現場通訊箱的總線主干電纜均采用光纖連接。

7）PROFIBUS DP總線的每個網段上掛接的現場總線設備數量不超過12臺；對于PA總線網段，每個網段接入的PA設備數量最多6個，且同一網段上接入的執行機構數量最多2個。

2.5 現場總線工程實施中應注意的問題

1）各類現場總線設備接入FCS前應先進行相關的測試。

2）由于新建電廠輔助車間系統，如化學制水系統、加藥系統、精處理系統和除灰渣系統等一般采用分島招標形式。輔助車間的現場總線系統應采取統招分簽的方式，有利于系統的功能完整和質量把控。

3）總線電纜應盡量采用獨立槽盒敷設，如不能采用獨立槽盒，應在槽盒中增加金屬隔板。

4）在安裝、調試前，應由廠家或者總線咨詢單位對相關人員進行培訓，特別是電纜敷設、屏蔽線的處理和連接、接地線的處理，良好的安裝質量可以為后續的設備調試打下基礎，大大節省設備的調試工期。

3 采用現場總線技術的意義

現場總線并非只是把眾多儀表掛接在一根總線上，節省電纜不是真正目的，因為采用DCS系統的遠程I/O也可達到節省電纜的效果。它真正意義在于現場總線采用數字式智能通訊，可以從現場設備采集豐富的數據信息[2]。現場總線設備可以開發多種故障自診斷功能，并通過數字網絡將故障診斷信息送至控制器，管理人員可以在通過資產管理系統（AMS）查詢已連接的總線儀表設備的參數、故障信息。通過增加相應的診斷模塊，還可以二次開發狀態檢修系統，根據狀態檢修系統的指導意見，可以縮短停機維修時間，節約檢修費用，降低生命周期成本。現場總線系統不僅提供高級別的控制、管理功能，且系統在發電廠的全生命周期中的投資遠低于常規DCS。從電廠的長期綜合經濟性和效益來看，現場總線的價格優勢就會非常明顯。

4 結語

雷州發電公司在基建和運維期間采用三維建模、物聯網、大數據分析等先進技術來建設智慧型電廠，而現場總線系統的應用是實現智慧電廠的數據基礎。通過對大數據的深度挖掘，可提高電力生產過程中的可控性，減少人工干預。通過智慧決策，優化系統運行方式，必將大幅提高系統的經濟性和安全性。