福建省F 級(jí)燃?xì)怆姀S儀控總體設(shè)計(jì)研究

（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院 福建福州 350003）

隨著我國天然氣資源大規(guī)模開發(fā)利用，“西氣東輸”、近海天燃?xì)忾_發(fā)和液化天燃?xì)猓↙NG）工程的進(jìn)展，國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)入了實(shí)施階段。2005 年以來，國內(nèi)投運(yùn)了許多燃?xì)怆姀S，并積累許多工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。與燃煤電廠相比，燃?xì)怆姀S具有高能源利用率、低污染等特點(diǎn)。燃?xì)怆姀S的建設(shè)既能改善地區(qū)環(huán)境，也能優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)。福建省引進(jìn)的燃?xì)鈾C(jī)組均為F 級(jí)單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，采用“1+1+1+1”的配置型式。由于F級(jí)燃?xì)怆姀S的工藝及布置特點(diǎn)，其控制水平及控制方式與傳統(tǒng)燃煤電廠相比，有諸多不同之處，有必要對F 級(jí)燃?xì)怆姀S儀控的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入的研究。

1 集控室及電子設(shè)備間布置

福建省投運(yùn)的3 個(gè)燃?xì)怆姀S均為LNG 電廠，均按兩期建設(shè)，規(guī)劃總裝機(jī)臺(tái)數(shù)分別達(dá)2+2、4+2、4+4 臺(tái)之多。集控樓及電子設(shè)備間的布置要求滿足燃?xì)怆姀S定員少及實(shí)現(xiàn)減員增效的需要，為提高整體的全廠生產(chǎn)管理水平創(chuàng)造條件。

結(jié)合燃?xì)怆姀S的布置特點(diǎn)，三個(gè)燃?xì)怆姀S按集中控制方式設(shè)計(jì)。結(jié)合電廠總體規(guī)劃，集控室的布置考慮了2 種方案：方案1，按最終規(guī)劃的總機(jī)組數(shù)，全廠設(shè)一個(gè)集中控制室，在控制室內(nèi)預(yù)留二期擴(kuò)建機(jī)組的盤臺(tái)位置；方案2，全廠設(shè)二個(gè)集中控制室，一期先設(shè)一個(gè)集中控制室，二期擴(kuò)建的機(jī)組需再設(shè)置一個(gè)集中控制室。方案1 與方案2 相比，具有全廠控制集中、自動(dòng)化水平高、占地少和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是后續(xù)機(jī)組在施工時(shí)可能對已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行形成一定的干擾［1］。全廠多機(jī)一控的燃?xì)怆姀S在國外的實(shí)例已有很多，但集控室在廠房中的具體布置不好確定，需結(jié)合廠房布置、機(jī)組型式、總平面布置及運(yùn)行檢修等要求進(jìn)行優(yōu)化和落實(shí)。方案2 的施工相對比較靈活、方便，特別適合一、二期施工間隔較長的電廠。

電子設(shè)備間按單元機(jī)組電子間和公用電子間進(jìn)行布置。單元機(jī)組電子間按物理分散原則，根據(jù)機(jī)島布置特點(diǎn)，宜在每套機(jī)組機(jī)島附近設(shè)就地機(jī)組電子設(shè)備間。公用電子間為全廠共用，可以在集中控制室附近布置。各機(jī)組電子設(shè)備間、公用電子間與集控室的操作站、工程師站通過網(wǎng)絡(luò)線聯(lián)系。由于大部分的現(xiàn)場設(shè)備主要與機(jī)組電子設(shè)備間發(fā)生電纜聯(lián)系，這樣設(shè)計(jì)可以發(fā)揮DCS 的分散特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)通訊優(yōu)勢，大幅度減少機(jī)組的電纜數(shù)量，降低工程造價(jià)。

2 控制系統(tǒng)總體配置

燃?xì)怆姀S裝機(jī)臺(tái)數(shù)不同，其控制系統(tǒng)的總體配置方案也有所不同：

（1）對于一期2 臺(tái)機(jī)組的DCS 配置，可以參考燃煤電廠的模式：即每臺(tái)機(jī)組配一套DCS，公用系統(tǒng)設(shè)置公用DCS，2 臺(tái)機(jī)組DCS 都通過網(wǎng)橋與公用DCS 連接，保證公用系統(tǒng)可通過任一套機(jī)組DCS 操作員站監(jiān)控。

（2）對于一期4 臺(tái)DCS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置則考慮2 種方案：方案1，每臺(tái)機(jī)組配一套DCS，公用系統(tǒng)設(shè)置公用DCS，4 套機(jī)組DCS 都通過網(wǎng)橋與公用DCS 連接；方案2，每2 臺(tái)機(jī)組共設(shè)1 套機(jī)組DCS，公用系統(tǒng)設(shè)置公用DCS，2 套機(jī)組通過網(wǎng)橋與公用DCS 連接。從配置上看，2 種方案所需要的系統(tǒng)硬件、機(jī)柜及軟件等配置相差不多，方案1 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)比方案2 增加一點(diǎn)，投資上也會(huì)比方案2 多一點(diǎn)。但是從網(wǎng)絡(luò)的可靠性上看，方案1 要比方案2 更可靠靈活，方案1 的各機(jī)組DCS 能從網(wǎng)絡(luò)配置上實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)段隔離，各機(jī)組之間物理上相對分散獨(dú)立，系統(tǒng)耦合少，故障風(fēng)險(xiǎn)少，且任一套DCS 檢修及維護(hù)都不會(huì)影響其它機(jī)組的運(yùn)行。從控制水平上看，由于燃?xì)怆姀S的自動(dòng)化程度高，機(jī)組控制條件好，存在一個(gè)操作員監(jiān)管多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行的情況，方案2 的DCS 實(shí)現(xiàn)了兩機(jī)一控，比較方便實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作員監(jiān)管2 臺(tái)機(jī)組的功能。

考慮到燃?xì)怆姀S的安全可靠運(yùn)行，對于4 臺(tái)機(jī)組的DCS，設(shè)計(jì)采用了方案1，但考慮到今后一個(gè)操作員同時(shí)監(jiān)管多臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行，需在機(jī)組DCS 上加一級(jí)上層網(wǎng)，同時(shí)把操作員站移到上層網(wǎng)，這樣可以同時(shí)對四臺(tái)機(jī)組及公用系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

3 輔助車間自動(dòng)化

燃?xì)怆姀S的輔助車間（BOP）與常規(guī)燃煤的輔助車間比，由于少了“煤”和“灰”系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)也比較簡單。

燃?xì)怆姀S的輔助車間主要包括LNG 調(diào)壓站、循環(huán)水泵房、凈水站、鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)、雨水泵房等。根據(jù)GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》，輔助車間自動(dòng)化按無人職守及較高自動(dòng)化水平的設(shè)計(jì)原則考慮［1］，在相應(yīng)需要監(jiān)視的場所安裝閉路電視攝像頭。由于LNG 調(diào)壓站、循環(huán)水泵房與主廠房工藝系統(tǒng)關(guān)系密切，宜以遠(yuǎn)程I/O 柜方式進(jìn)行公用DCS 監(jiān)控。

其它輔助系統(tǒng)目前的設(shè)計(jì)主要有2 種方案選擇：方案1為各輔助系統(tǒng)采用PLC+LCD 控制方案，并通過以太通訊方式聯(lián)網(wǎng)形成輔助車間監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)接口與電廠廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)接口，集中監(jiān)控上位機(jī)設(shè)在機(jī)控室，就地主要的輔助車間可以保留調(diào)試及巡檢用的上位機(jī)；方案2 為各輔助系統(tǒng)采用PLC+LCD 控制方案，各系統(tǒng)分別與公用DCS 接口，通過MODBUS或其它接口型式實(shí)現(xiàn)雙向通訊，其上層集中監(jiān)控功能由主廠房DCS 完成。方案1 具有系統(tǒng)獨(dú)立性好，實(shí)現(xiàn)容易，且國內(nèi)這方面工程經(jīng)驗(yàn)很豐富，缺點(diǎn)是需增加輔助網(wǎng)絡(luò)的投資；方案2的特點(diǎn)是輔助系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)接口太多，實(shí)現(xiàn)起來很困難，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省投資，這種設(shè)計(jì)方法在國外前幾年的電廠設(shè)計(jì)中采用較多，但從工程的實(shí)施情況看，因?yàn)楦鹘涌谕ㄓ崊f(xié)議開發(fā)難，接口通訊不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)量通訊有限，投運(yùn)效果一般不好：所以從DCS 系統(tǒng)的穩(wěn)定來看，方案1 應(yīng)作為燃?xì)怆姀S優(yōu)先考慮的方案。

4 主設(shè)備的儀表和控制系統(tǒng)招標(biāo)原則

燃?xì)怆姀S的設(shè)計(jì)一般按“島”劃分，即機(jī)島、余熱鍋爐由主設(shè)備設(shè)計(jì)及供貨，熱力系統(tǒng)及BOP 由設(shè)計(jì)院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，其中，機(jī)島及余熱鍋爐中的的儀表及控制原則上隨主設(shè)備設(shè)計(jì)及供貨，主要招標(biāo)原則如下：

（1）機(jī)島范圍內(nèi)完整的現(xiàn)場儀表及控制系統(tǒng)均由供貨商設(shè)計(jì)及提供，包括單軸燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和附屬機(jī)械設(shè)備的一次元件、儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、箱、柜、閥門、執(zhí)行器等設(shè)備，以及儀表控制設(shè)備的安裝材料（包括儀表閥門、取樣導(dǎo)管、電纜和橋架等）。機(jī)島設(shè)備的監(jiān)控由專用的燃機(jī)-汽機(jī)控制系統(tǒng)（TCS）完成。TCS 與DCS 通過接口實(shí)現(xiàn)雙向通訊。重要信號(hào)采用硬接線通訊。

（2）余熱鍋爐范圍內(nèi)的現(xiàn)場儀表由供貨商設(shè)計(jì)及提供，包括余熱鍋爐和和附屬機(jī)械設(shè)備的一次元件、儀表、監(jiān)控系統(tǒng)、箱、柜、閥門、執(zhí)行器等設(shè)備，以及儀表控制設(shè)備的安裝材料（包括儀表閥門、取樣導(dǎo)管、電纜和橋架等）。余熱鍋爐的監(jiān)控由電廠的DCS 完成，余熱鍋爐供貨商負(fù)責(zé)提供I/O 測點(diǎn)及控制要求。

（3）根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，在與主設(shè)備供貨商的設(shè)備談判及設(shè)計(jì)配合中，特別要注意以下3 點(diǎn)：①機(jī)島及余熱鍋爐的儀表及控制設(shè)備（除特殊儀表外）應(yīng)盡量全廠一致，避免出現(xiàn)儀表設(shè)備品種混亂的局面，以方便電廠的備品備件和設(shè)備的日常維護(hù)管理。由于國內(nèi)DCS 工程商一般沒有F 級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的工程經(jīng)驗(yàn)，必須要求機(jī)島供貨商除了實(shí)現(xiàn)機(jī)島自身的控制策略外，還應(yīng)負(fù)責(zé)提供整個(gè)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的控制策略。因?yàn)樵谌紮C(jī)電廠的各主設(shè)備中，機(jī)島設(shè)備占主導(dǎo)地位，且機(jī)島供貨商一般在國外都有相應(yīng)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的工程經(jīng)驗(yàn)。②真空系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、凝汽器系統(tǒng)等與整個(gè)機(jī)島的工藝密切相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)控制的完整性，把這三個(gè)系統(tǒng)納入TCS 控制更合理，這樣可以避免大量的信號(hào)在不同的控制系統(tǒng)間頻繁交換，減少通訊資源的占用，并且信號(hào)可靠、響應(yīng)速度快。③仔細(xì)核對機(jī)島及余熱鍋爐的電源及氣源的品質(zhì)及容量要求，避免出現(xiàn)配合失誤，減少不必要的設(shè)計(jì)返工。

5 問題與討論

5.1 集控室操作員站的數(shù)量

每套TCS 配置兩個(gè)操作員站、1 個(gè)工程師站及在就地電子設(shè)備間提供1 個(gè)操作員站，每套DCS 配3 個(gè)操作員站及1 個(gè)工程師站，另外網(wǎng)控一般有2 個(gè)操作員站。如果集控室采用了“八機(jī)一控”“六機(jī)一控”或“四機(jī)一控”的布置，其操作員站的數(shù)量將達(dá)到42 臺(tái)、32 臺(tái)或22 臺(tái)，需占用很大的面積。同時(shí)由于每臺(tái)機(jī)組的操作員站數(shù)量多，將造成監(jiān)控分散，不利于運(yùn)行人員的集中監(jiān)控?？紤]到目前TCS 自動(dòng)化高，已達(dá)到“一鍵啟動(dòng)”的水平，機(jī)組起停及運(yùn)行很少需要人工干預(yù)；此外，TCS 和DCS 設(shè)有通訊，通過DCS 可以實(shí)現(xiàn)對TCS 的雙向監(jiān)控，所以TCS 的操作員站可以不布置于控制室的主環(huán)，而采用后臺(tái)布置，合理減少操作員站的數(shù)量，縮短主環(huán)的長度，為今后一人同時(shí)監(jiān)控多臺(tái)機(jī)組創(chuàng)造條件。

5.2 公用系統(tǒng)的UPS 供電

由于DCS 采用多臺(tái)機(jī)組共用一套公用DCS 的方案，公用DCS 的UPS 供電需要很可靠的供電，并且不能受單臺(tái)機(jī)組供電的影響。目前煤電的作法一般是兩機(jī)設(shè)置一套公用DCS。公用DCS 一般由每臺(tái)機(jī)組提供一路UPS，兩路電源切換后再給公用DCS 供電。如果2 臺(tái)機(jī)組供電方式應(yīng)用到多臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)中，則公用DCS 的電源需要多次復(fù)雜切換，供電可靠性將降低。筆者認(rèn)為，比較好的解決方案是全廠單獨(dú)設(shè)一套公用UPS電源，公用DCS 改由公用UPS 供電，這樣切換回路將變得十分簡單可靠。

5.3 廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)SIS 的建設(shè)

SIS 應(yīng)用已有10 多年，新投運(yùn)的電廠都設(shè)計(jì)了SIS 系統(tǒng)，應(yīng)用范圍及效果都不相同。SIS 的建設(shè)一般是建立SIS 的應(yīng)用平臺(tái)，如SIS 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)操作軟件等，SIS 的投資收益水平主要取決于在SIS 數(shù)據(jù)平臺(tái)上進(jìn)行的二次開發(fā)程度，特別是運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用水平的高低。從目前實(shí)施SIS 的工程來看，SIS 的應(yīng)用還不夠成熟，經(jīng)濟(jì)效果無法驗(yàn)證。同時(shí)由于缺乏SIS 應(yīng)用軟件的開發(fā)，多個(gè)工程的應(yīng)用軟件局限在生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)視、機(jī)組性能計(jì)算上。基于SIS 的應(yīng)用關(guān)鍵是應(yīng)用軟件，筆者認(rèn)為燃?xì)怆姀SSIS 系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)結(jié)合各個(gè)工程的實(shí)際需求及特點(diǎn)，SIS 平臺(tái)的建立方式不拘泥于某種設(shè)計(jì)模式，可以考慮多種形式，根據(jù)大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范的建議，SIS 網(wǎng)絡(luò)和MIS 網(wǎng)絡(luò)宜合并設(shè)置［1］，并參考國外的設(shè)計(jì)把SIS 功能融入MIS。SIS 應(yīng)用軟件應(yīng)是針對燃?xì)怆姀S的成熟軟件。

5.4 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電廠控制系統(tǒng)的數(shù)字通訊延伸到現(xiàn)場，具有比傳統(tǒng)DCS、PLC 更先進(jìn)、更優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)。基于當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展，福建省燃?xì)怆姀S沒有采用現(xiàn)場總線技術(shù)。近幾年來，現(xiàn)場總線技術(shù)在全國火電廠的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，并取得了一定的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)階段燃?xì)怆姀S的設(shè)計(jì)可以借鑒這些電廠的成熟經(jīng)驗(yàn)，在輔控系統(tǒng)上可以結(jié)合工藝特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案大范圍采用；主控系統(tǒng)上，除了燃機(jī)控制系統(tǒng)及汽機(jī)控制系統(tǒng)外，主廠房熱力系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)都可以在監(jiān)控底層采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

5.5 大屏幕的采用

大屏幕顯示對機(jī)組運(yùn)行有一定輔助作用，福建省有兩個(gè)電廠集控室采用多個(gè)背投大屏幕進(jìn)行顯示，有一個(gè)電廠采用多個(gè)大尺寸液晶顯示器進(jìn)行顯示。目前燃?xì)怆姀S集控室大屏幕設(shè)計(jì)主流是采用一組矩陣布置的拼接屏作為全廠顯示中心，配置一套多屏拼接系統(tǒng)（EOS），可同時(shí)接收DCS、余熱鍋爐汽包水位及全廠閉路工業(yè)電視等視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多分屏顯示，相應(yīng)取消了傳統(tǒng)輔盤上布置的電視監(jiān)視器，極大地美化了集控室。

6 結(jié)語

以上是筆者在參加福建省3 個(gè)燃?xì)怆姀S設(shè)計(jì)中的一些工作體會(huì)。隨著“云、大、物、移”和智能化技術(shù)在燃?xì)怆姀S的應(yīng)用不斷成熟，以及全面智能感知及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，智慧電廠將成為我國未來燃?xì)怆姀S的設(shè)計(jì)主流。