總線閥島在火力發電廠除灰系統中的應用

田小兵，柯尊光，趙新成

(1.西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.神華神東電力重慶萬州港電有限責任公司，重慶 404027)

1 總線閥島的特點

現場總線的重要特點之一，就是設備的智能化，它可以將現場設備的狀態和診斷信息傳輸至控制室，實現從傳統的“設備故障檢修”到“設備狀態維護”的轉變，大量現場實時信息為管理決策也提供了基礎和依據。現場總線智能閥島產品，通過非周期性循環數據交換可以提供十分豐富的設備診斷信息，主要包括：①總線通訊狀態；②閥島的供氣或供電故障；③信號的短路、開路檢測；④模塊故障信息等等。這些信息，不論是傳統的單點連接方式還是多針閥島，都是無法獲取的。

此外，閥島可配置各種模塊化的輸入輸出模塊，比如模擬量、數字量輸入輸出模塊等，這些模塊能接收的信號類型與DCS/PLC中使用的I/O模件沒有差別，因此像檢測氣缸活塞位置的行程開關、或者是現場零散的硬接線儀表信號都可以直接連接到就近布置的閥島輸入輸出模塊上，這樣可以有效縮短現場一次元件與執行設備到控制系統DCS/PLC的信號電纜長度。一般單個閥島最大可支持32個電磁閥線圈以及16個I/O模件。

2 總線閥島在火力發電廠中的應用

2.1 使用場合

火力發電廠的水處理(化學制水、廢水處理等)車間、除灰系統分布著數量眾多的氣動閥，氣動閥的驅動氣源通過電磁閥來控制，傳統方案是將電磁閥分組集中安裝于就地電磁閥箱內，閥行程位置信號也接入電磁閥箱內端子排，在電磁閥箱內匯總位置反饋和電磁閥驅動信號后再送DCS/PLC機柜，這些系統適合采用現場總線閥島。主廠房區域除大量集中布置的二位式動作氣動閥(如鍋爐燃燒器冷卻系統氣動閥)外，其余氣動閥物理位置及系統歸屬都比較分散，采用現場總線閥島并不經濟，不建議采用現場總線閥島。下文擬以某1000 MW機組除灰系統中采用現場總線閥島為例，對其展開論述。

2.2 總線協議選擇

火力發電廠現場總線協議基本采用FF或(和)Profibus兩種，其中Profibus－PA和FF是專為過程自動化設計的協議，一般用于現場儀表。而設備級控制系統和分散I/O之間的通信連接一般采用Profibus－DP協議，總線閥島一般采用Profibus－DP總線協議，通過總線轉接模塊將單DP網段接入冗余的DP控制主站。

現場總線閥島支持的Profibus－DP協議主要包括DP V0及DP V1，即除了支持周期性循環數據交換的基本通信功能外(一般是設備描述文件GSD)，還支持非周期性循環數據交換功能(一般是設備類型管理文件DTM或電氣設備描述文件EDD)。

Profibus－DP速率可從9.6 kbps最高到12 Mbps，火力發電廠中一般選擇保證傳輸速率不低于500 kbps速率即可滿足DP設備的實時性要求。當通訊波特率采用500 kbps、連接電纜采用A類Profibus專用屏蔽雙絞線電纜時，通信距離為400 m，即每個DP網段從總線通訊箱內光電轉換器到最后的終端電阻(一般在通訊箱內)的單路總長度為400 m。

2.3 控制系統選擇

常見的分散控制系統DCS或可編程邏輯控制器PLC都支持現場總線，兩者在工程中的使用方法是類似的。該1000 MW機組采用了ABB的S+分散控制系統，支持Profibus總線。在工程實施時，將總線閥島的樣品送至DCS總線測試平臺進行了通訊測試，現場設備采用測試通過的通訊及協議版本配置文件，以保證現場通訊兼容性。除灰系統單元部分配置兩對控制器，公用部分配置一對控制器。

3 除灰系統總線閥島工程設計

3.1 除灰系統主要工藝描述

除灰系統分為電除塵灰斗排灰和省煤器灰斗排灰兩部分，采用正壓濃相氣力輸送方式。

(1)一、二電場除灰系統

一、二電場由24臺MD泵組成，每6臺一組。兩個電場A(B)側6臺MD泵各合用一根輸灰管，并通過管路出口閥最終合用成一根輸灰管道，每次輸送一個電場，兩個電場MD泵交替運行。

系統運行時，MD泵入口閥打開，飛灰靠重力落入倉泵中，同時倉泵排氣閥打開排氣。當任一倉泵內物料充滿時，關閉入口閥和排氣閥，當所有入口閥和排氣閥都已關閉并密封后，空氣閥打開將灰輸送到灰庫。當輸送壓力下降到設定值時關閉空氣閥，輸送完成。

(2)三、四、五電場除灰系統

三、四、五電場輸灰系統分別由12臺AV泵組成，每6臺一組。三個電場A(B)側輸灰管道分別通過3臺管路出口閥合用一根輸灰管至灰庫。運行方式與一二電場類似。

(3)省煤器灰斗除灰系統

省煤器灰斗輸灰由16臺AV 泵組成，每8臺一組，兩組輸灰管道通過2臺管路出口閥合用一根輸灰管道輸送至省煤器灰庫。

(4)庫頂管路切換系統

設置2個原灰庫及1個細灰庫，運行過程中通過管路切換閥切換各輸灰管路，將飛灰輸送到不同的灰庫中。

3.2 除灰系統閥島設計

按照工藝設備位置以及系統風險分散的原則，將一、二電場24臺MD泵分成8組，每組配置1臺閥島，完成該組所有電磁閥控制以及料位開關信號、閥門位置信號采集。每臺閥島配一個電磁閥箱，即每三臺MD 泵配一個電磁閥箱。因此一、二電場一共設計8臺閥組、8個電磁閥箱。

三、四、五電場36臺AV泵可分成6組，每組配置1臺閥島，一共設計6臺閥組、6個電磁閥箱；省煤器灰斗輸灰系統16臺AV 泵組成可分成4組，每組配置1臺閥島，一共設計4臺閥組、4個電磁閥箱；灰庫分成2組，每組配置1臺閥島，一共設計2臺閥組、2個電磁閥箱。因此共設計12臺閥組、12個電磁閥箱。

同時每個電磁閥箱根據需要配置I/O模塊，用于料位開關、閥門位置信號的采集。電磁閥的型式根據閥門氣缸型式選擇，考慮到除灰系統閥門的響應速度，電磁閥流量一般按照不小于2200 l/min選擇，其它應用中流量選擇1200 l/min左右即可滿足使用。

系統中的壓力變送器采用Profibus－PA協議，組成PA網段。電動執行器采用Profibus－DP總線協議，組成冗余DP網段。

詳細設計方案見表1(以一電場A側為例，其余類似)：

表1 一電場A側電磁閥箱和閥島配置

3.3 總線網段設計

除灰系統總線設備主要分布在單元機組的各電場、省煤器區域以及公用的灰庫區域，可按上述區域設置現場總線通訊箱以及分配總線網段，共設置5面通訊箱、劃分為15個網段。各通訊箱兩路交流電源進線，內部配置電源模塊、光電轉換器、有源終端電阻、DP/PA耦合器模塊、RLM轉換模塊以及專用連接端子等，通訊箱布置在現場。根據工藝系統及布置位置統計的除灰系統總線設備數量見表2，以1號機組電場區域總線通訊箱為例，其網段拓撲結構見圖1。

表2 除灰系統總線設備網段劃分

圖1 1號機組電場區域總線通訊箱網段拓撲結構

3.4 總線網段通訊質量測試

為了保證現場總線設備通信穩定，調試及試運期階段需要對每條現場總線網段進行通信質量檢測，通過物理、通信報文、通信電壓及通信波形檢測等方式逐一驗證網段設計和現場施工的合理性和準確性。圖2是除灰系統某一閥島網段的電壓和波形圖，可見設備的通信電壓均接近正常5V電壓范圍，波形為正常方波，故驗證了該網段設計和通信正常。

圖2 總線閥島網段通信質量測試(電壓、波形圖)

4 結語

現場總線閥島，兼具閥島和總線技術之長，其技術特點決定了它非常適合在水處理、除灰等車間推廣應用，其安裝調試簡便，經濟效益可觀，有望成為未來火力發電廠的主流選擇。本文提及的百萬機組應用上述總線方案后控制系統、現場管路、電纜均得到了簡化，通過比較，工程節省常規電纜約55%、橋架約40%、安裝工程量減少約1/3。工程自投產以來，該系統運行良好，為電廠管控人員帶來新技術便利的同時，也驗證了設計方案的合理性。