基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統

王海軍， 王振武， 楊 鑫， 李 銳

(1. 國家電力投資集團有限公司湖北分公司，武漢 430062； 2. 北京恩耐特分布能源技術有限公司，北京 100176)

在我國以煤為主的能源結構下，燃煤發電造成了更多的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物排放及更嚴重的粉塵污染，因此以清潔能源天然氣為主要一次能源的分布式能源系統得到了廣泛的推廣和應用。特別是在2020年，我國提出力爭二氧化碳排放于2030年前達到峰值，于2060年前實現碳中和，因此天然氣分布式能源將迎來更大的發展空間。

天然氣分布式能源系統作為用戶端供能系統，提高了能源綜合利用率，降低了污染物排放量；但是，該系統包含更多的主機和輔機設備，對各工藝設備間運行的耦合性要求更強，并且系統中同時存在冷、熱、電三個控制對象，需要根據用戶端負荷變化甚至經濟性要求實時調整供能系統出力。因此，需要構建一種可以與天然氣分布式能源系統工藝特性相契合的電控系統，以充分發揮天然氣分布式能源系統高效、節能、環保的特點。常見的電控系統有分布式控制系統(DCS)和基于可編程邏輯控制器(PLC)的單站控制系統。傳統DCS在大型燃煤發電廠應用較多，基于PLC的單站控制系統多用于工業過程控制領域。

筆者針對天然氣分布式能源系統的工藝特點和運行要求，采用DCS架構的天然氣分布式能源站電控系統，并通過實踐證明其應用效果良好。

1 天然氣分布式能源系統

天然氣分布式能源系統是以燃燒天然氣驅動燃氣輪機或內燃機做功，帶動發電機產生電力，同時發動機排出的高溫煙氣及熱水通過余熱利用設備，如煙氣熱水型溴化鋰機組或余熱鍋爐等設備，向用戶提供冷、熱、電的綜合能源供應系統[1]。圖1為天然氣分布式能源系統流程。

圖1 天然氣分布式能源系統流程

天然氣分布式能源技術是一種以能量梯級利用為核心的分布式供能技術，具備更高的供能效率、更低的供能成本、更少的污染物排放等優點，并且其對電力和燃氣供應有雙重削峰填谷的作用。因此，天然氣分布式能源技術在世界范圍內得到迅速發展[2]。

天然氣分布式能源系統與常規的電制冷+燃氣鍋爐供能系統相比，增加了發電機組及余熱利用機組，工藝系統更加復雜；并且其輔助系統增加了高溫循環水系統、低溫循環水系統及潤滑油系統等。天然氣分布式能源系統與大型燃煤電廠也有較大的不同。對于大型燃煤電廠，全廠輔機設備均為發電機組服務，一般距離終端用戶較遠，主要目的是在調度指揮下按計劃向外提供電能；而天然氣分布式能源系統在向用戶提供電能的同時，還要提供冷/熱能源，同時由于靠近用戶端，所以應與用戶的終端負荷變化相適應。

從設計和運行角度看，天然氣分布式能源系統比常規電制冷+燃氣鍋爐系統復雜，又比大型燃煤電廠的外供能源類型多樣，因此其控制要求更加精細、復雜。

2 基于DCS的電控系統

隨著計算機技術、通信技術的發展和創新，互聯網和傳統產業產生深度融合，建設方對天然氣分布式能源站電控系統的設計提出了創新思維和構架優化的需求。在傳統的現場設備參數監控和順序控制等基本功能基礎上，對能源站運行數據進行整理分析并進一步提出優化運行策略，成為目前天然氣分布式能源站智能控制系統的基本要求。

火電及石化行業所采用的DCS從結構上分為過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能主要的實施部分；操作級包括工程師站和操作員站，用于完成系統的操作和組態；管理級主要是工廠管理信息系統，作為DCS更高層次的應用[3]。

從天然氣分布式能源站電控系統所體現的特點來看，其與DCS構架有較高的重合度。采用DCS構架的天然氣分布式能源站控制系統既可以滿足天然氣分布式能源系統分散控制、集中操作的要求，又可以有效且便捷地協調系統內各主機設備，在提高天然氣分布式能源系統整體性的同時，提升了系統效率。根據DCS構架和天然氣分布式能源站電控系統的發展特點，按照分散控制、集中管理的原則搭建基于DCS的具有分層、分布系統形式的天然氣分布式能源站電控系統。分層是指能源站監控系統權限和職責分別歸屬于對應層次；分布是指能源站監控系統按被控對象功能關聯性分散設置現地控制單元(LCU)。通常LCU層按被控對象功能關聯性配置1套電氣LCU(除機組配套的保護、控制外)實現對機組及電氣設備的監控，同時配置1套或多套工藝設備LCU實現對工藝設備的監控。各LCU和中控室上位計算機系統(操作員工作站)、通信工作站、工程師工作站之間通過以太網連接。具體劃分為：

(1) 第一層為現地被控對象設備的狀態信號、執行器信號、現場總線儀表和微機綜合保護裝置等的監控，實現對能源站內底層設備的監控。

(2) 第二層為LCU，實現能源站內單元設備的監控，大多數由設備廠家集成，通過通信網絡與上位機及其他子系統進行數據交換，并接收來自上位機系統的指令。

(3) 第三層為中控室上位機系統、工程師站等，實現能源站內所屬設備的全面監控和數據存儲。根據采集到的運行數據生成各類圖表，既可以一覽站內所有設備的健康信息，對設備及時進行維護，又可以對數據進行對比分析，監測節能減排效果；同時，根據歷史數據提出對應的優化運行策略，或者人工根據生成的圖表分析找出節能空間，不斷優化系統運行，提高效率。

(4)第四層為信息管理層，主要是云端通信工作站，實現項目遠程集中監視，或通過手機客戶端進行信息推送，實現隨時隨地監測。

3 具體應用分析

3.1 項目概況

某項目的建筑面積約為18萬m2，原采用市政供熱和燃氣真空鍋爐結合供熱，采用電制冷機組供冷，每年供冷、供熱費用約為1 050萬元，建設了天然氣分布式能源站后，每年可節省約400萬元的運行費用。

該項目由1臺2 MW燃氣發電機組、1臺2 326 kW帶補燃的余熱溴化鋰機組和2臺4 t/h調峰用的燃氣真空鍋爐組成，其控制系統主要控制對象為：

(1) 2 MW燃氣發電機組及2 326 kW余熱溴化鋰機組和各自的輔助設備。

(2) 2臺4 t/h燃氣真空鍋爐及其輔助設備。

(3) 儲能設備及其輔助設備。

(4) 10 kV開關設備、站用變壓器、低壓配電系統。

(5) 全廠公用設備(能源站化水、補水、水泵等)。

(6) 工作照明及事故照明系統。

(7) 燃氣報警系統、消防接口信號。

該能源站采用了基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統，具體見圖2。

圖2 基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統

3.2 上位機系統功能

能源站控制級配置2臺操作員工作站負責能源站的運行操作。2臺操作員工作站結構完全相同，互為熱備用，1臺監控發電機組及電氣系統，1臺監控工藝系統。

操作員工作站承擔實時采集能源站主要設備的運行狀態、參數，對各控制點和監視點實現自動安全監測、事故報警、運行日志記錄等功能；同時，操作員工作站還承擔運行管理、數據采集和處理、與各LCU通信、能源站發電機組控制、供冷供熱工藝設備控制等任務，進而完成全站的電氣系統監控和工藝系統監控。

工程師工作站負責計算機監控系統的日常維護和數據分析工作，該項目中實現了對系統及各主設備的實時能效的統計和分析計算，并建立數據庫存儲相關運行參數，其主要功能為：對實時系統運行能耗及費用進行分析以協助業主及時了解運行成本變化；對相關物理量進行趨勢圖分析以直觀反映關鍵參數變化；對相關數據的分析可作為優化運行的依據。

3.3 發電機組LCU

能源站設有1套發電機組LCU，除機組配套的保護及控制裝置外，還可實現多同期點并網，以及能源站高低壓配電柜等設備的監控調節及數據采集處理，并完成與上位機及其他LCU的數據通信。當發電機組LCU與能源站級系統失去聯系時，由發電機組LCU獨立完成對所屬設備的監控，包括在現地由操作員進行手動控制和LCU對所屬設備的自動控制。

3.3.1 同期并網系統

能源站并網的同期方式分為手動準同期及自動準同期。該能源站內，發電機出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯絡路斷路器均作為同期點，其中10 kV(或0.4 kV)出線斷路器作為常用同期點。

能源站設置1套微機型自動準同期裝置，作為發電機出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯絡路斷路器自動準同期用。能源站設置1套手動準同期裝置，作為發電機出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯絡路斷路器同期合閘的備用方式。

3.3.2 發電機組調節

發電機調速和勵磁系統均由發電機廠家配套供給，具有并網前自動跟蹤系統頻率、穩定運行功能，并網后接收能源站計算機監控系統有功(或無功)調節命令的功能，同時配有通信接口，可以與能源站計算機監控系統交換信息。

3.3.3 低周低壓減載

能源站內設置低周低壓減載模塊，可以與能源站計算機監控系統交換信息，實現系統事故斷電時及時減載，增強解列后暫態過程及孤網運行的穩定性。

3.3.4 逆功率限制

該能源站設計的運行方式為“并網不上網”、“自發自用”。能源站和電力系統連接的線路出口斷路器均設逆功率限制裝置，當能源站使用電網功率小于設定值時發出預警并減少發電機出力，當能源站使用電網功率小于限值時發出跳閘和電網解列運行指令。

3.4 公用設備LCU

該能源站設置1套監控工藝設備的公用設備LCU，完成能源站工藝主設備及附屬設備、公用設備的運行狀況監測，以及按照工藝邏輯控制各主輔設備的啟停及數據采集和處理，并完成與上位機系統的數據通信，上傳被控對象的正常運行工況和事故工況的數據，執行上位機下達的指令。公用設備LCU負責實現系統基本的順序控制，保證系統的正常運行；同時，在此基礎上實現優化控制，保證系統高效運行。公用設備LCU可實現各主機系統啟停的順序控制，包括發電機組、余熱溴化鋰機組、燃氣真空鍋爐等主機設備及其外圍相關設備(如水泵、冷卻塔、閥門等設備)的順序啟停控制，以及機房風機、補水系統、電氣接入系統、燃氣接入系統、燃氣報警系統等的監控。聯鎖控制主要包括主機啟停與相應水泵啟停的順序聯鎖、余熱溴化鋰機組啟停與缸套水三通閥的聯鎖、缸套水和中冷水溫度與相應閥門和風機的聯鎖、余熱溴化鋰機組啟停與煙氣旁通閥的聯鎖等。

以發電機和余熱溴化鋰機組順序的啟停為例，可以設計發電機-余熱溴化鋰機組整套系統的一鍵啟動程序。發電機和余熱溴化鋰機組的啟停順序分別見表1和表2。

表1 發電機的啟停順序

表2 余熱溴化鋰機組的啟停順序

首先，操作人員在上位機的人機界面單擊“發電機-余熱溴化鋰機組一鍵啟動”按鈕后，由DCS判斷當機組處于遠程控制狀態時，下發啟機指令至發電機和余熱溴化鋰機組的主機LCU；然后，由主機LCU完成自檢工作并向DCS反饋檢查狀態，輔機設備狀態正常后，DCS確認執行發電機啟機指令，發電機正常啟動運行并將運行狀態反饋至DCS；最后，由DCS確認向余熱溴化鋰機組下達啟機指令，待收到余熱溴化鋰機組反饋的正常運行信號后，人機界面顯示完成發電機-余熱溴化鋰機組整套順序啟動程序。

3.5 電力綜保LCU

天然氣分布式能源站涉及到與市電的并網運行，對于電控系統電源可靠性的要求很高，該能源站設置1套電力綜保LCU負責控制和協調電氣系統微機綜合保護裝置的運行。

該能源站設置1套直流系統對微機保護裝置、控制屏等設備、直流動力負荷和直流事故照明負荷供電。直流系統的電壓采用220 V，充電/浮充電裝置采用(n+1)高頻開關電源，蓄電池采用閥控鉛酸免維護蓄電池。

3.6 系統功能的實現及優化

3.6.1 系統聯鎖及安全保護功能的實現

上位機系統、發電機組LCU、公用設備LCU、電力綜保LCU等通過工業以太網實現數據通信，上位機系統實時接收并存儲運行數據。一方面，當某些參數到達預設限值時，安全聯鎖保護系統動作，按照預先設計好的邏輯程序執行相應動作，通過調整參數或啟/停設備使系統恢復到正常狀態，同時在人機界面彈出相應的提示信息，提醒運行人員及時進行檢查；另一方面，操作人員通過上位機系統下發順序控制指令，協調各LCU完成順序控制。

3.6.2 系統功能的優化

該能源站所采用的基于DCS的天然氣分布式能源電控系統，可以實現能源站內多個主機設備的分散控制和集中管理，具體表現為：

(1) 在系統擴展方面，基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統可以為分期建設的項目提供較為便利的擴展接口，并且擴展時不影響原系統的運行。

(2) 在操作運行方面，將原本分散的多個主機設備的現地控制系統進行集中監控，便于運行人員的操作及故障信息的接收和處理，通過設備臺賬等信息可以按期維護保養設備及更換元件。

(3) 在經濟指標優化方面，集成能源管理子系統，對采集的運行數據進行分析處理，計算出各類指標，如耗氣量和污染物減排量，以及制冷、供暖及熱水系統的能耗指標；此外，可以計算并顯示相關的能源費用；通過各項能耗指標及能源費用的收支分析提出相應的運行策略建議，或根據生成的曲線人工進行分析比對，找出節能空間，提升系統的利用效率及經濟性。

4 結語

根據天然氣分布式能源系統的工藝特點，提出了基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統，從控制對象、上位機系統、同期并網單元、發電機組調節系統、逆功率限制等方面說明了該能源站中各LCU的具體功能。經實踐證明采用DCS架構的天然氣分布式能源站電控系統對能源站高效協調和安全運行起到了較好的作用，對后續天然氣分布式能源站電控系統的設計及建設具有一定的參考意義。