福建省F 級燃氣電廠儀控總體設計研究

（福建省電力勘測設計院 福建福州 350003）

隨著我國天然氣資源大規模開發利用，“西氣東輸”、近海天燃氣開發和液化天燃氣（LNG）工程的進展，國家能源結構調整進入了實施階段。2005 年以來，國內投運了許多燃氣電廠，并積累許多工程設計經驗。與燃煤電廠相比，燃氣電廠具有高能源利用率、低污染等特點。燃氣電廠的建設既能改善地區環境，也能優化電源結構。福建省引進的燃氣機組均為F 級單軸燃氣蒸汽聯合循環機組，采用“1+1+1+1”的配置型式。由于F級燃氣電廠的工藝及布置特點，其控制水平及控制方式與傳統燃煤電廠相比，有諸多不同之處，有必要對F 級燃氣電廠儀控的總體設計方案進行深入的研究。

1 集控室及電子設備間布置

福建省投運的3 個燃氣電廠均為LNG 電廠，均按兩期建設，規劃總裝機臺數分別達2+2、4+2、4+4 臺之多。集控樓及電子設備間的布置要求滿足燃氣電廠定員少及實現減員增效的需要，為提高整體的全廠生產管理水平創造條件。

結合燃氣電廠的布置特點，三個燃氣電廠按集中控制方式設計。結合電廠總體規劃，集控室的布置考慮了2 種方案：方案1，按最終規劃的總機組數，全廠設一個集中控制室，在控制室內預留二期擴建機組的盤臺位置；方案2，全廠設二個集中控制室，一期先設一個集中控制室，二期擴建的機組需再設置一個集中控制室。方案1 與方案2 相比，具有全廠控制集中、自動化水平高、占地少和造價低等優點，主要缺點是后續機組在施工時可能對已投運機組的運行形成一定的干擾［1］。全廠多機一控的燃氣電廠在國外的實例已有很多，但集控室在廠房中的具體布置不好確定，需結合廠房布置、機組型式、總平面布置及運行檢修等要求進行優化和落實。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。

電子設備間按單元機組電子間和公用電子間進行布置。單元機組電子間按物理分散原則，根據機島布置特點，宜在每套機組機島附近設就地機組電子設備間。公用電子間為全廠共用，可以在集中控制室附近布置。各機組電子設備間、公用電子間與集控室的操作站、工程師站通過網絡線聯系。由于大部分的現場設備主要與機組電子設備間發生電纜聯系，這樣設計可以發揮DCS 的分散特點及網絡通訊優勢，大幅度減少機組的電纜數量，降低工程造價。

2 控制系統總體配置

燃氣電廠裝機臺數不同，其控制系統的總體配置方案也有所不同：

（1）對于一期2 臺機組的DCS 配置，可以參考燃煤電廠的模式：即每臺機組配一套DCS，公用系統設置公用DCS，2 臺機組DCS 都通過網橋與公用DCS 連接，保證公用系統可通過任一套機組DCS 操作員站監控。

（2）對于一期4 臺DCS 系統的網絡配置則考慮2 種方案：方案1，每臺機組配一套DCS，公用系統設置公用DCS，4 套機組DCS 都通過網橋與公用DCS 連接；方案2，每2 臺機組共設1 套機組DCS，公用系統設置公用DCS，2 套機組通過網橋與公用DCS 連接。從配置上看，2 種方案所需要的系統硬件、機柜及軟件等配置相差不多，方案1 的網絡設備會比方案2 增加一點，投資上也會比方案2 多一點。但是從網絡的可靠性上看，方案1 要比方案2 更可靠靈活，方案1 的各機組DCS 能從網絡配置上實現真正的網段隔離，各機組之間物理上相對分散獨立，系統耦合少，故障風險少，且任一套DCS 檢修及維護都不會影響其它機組的運行。從控制水平上看，由于燃氣電廠的自動化程度高，機組控制條件好，存在一個操作員監管多臺機組的運行的情況，方案2 的DCS 實現了兩機一控，比較方便實現一個操作員監管2 臺機組的功能。

考慮到燃氣電廠的安全可靠運行，對于4 臺機組的DCS，設計采用了方案1，但考慮到今后一個操作員同時監管多臺機組的運行，需在機組DCS 上加一級上層網，同時把操作員站移到上層網，這樣可以同時對四臺機組及公用系統進行監控。

3 輔助車間自動化

燃氣電廠的輔助車間（BOP）與常規燃煤的輔助車間比，由于少了“煤”和“灰”系統，其控制系統也比較簡單。

燃氣電廠的輔助車間主要包括LNG 調壓站、循環水泵房、凈水站、鍋爐補給水處理系統、工業廢水處理系統、生活用水系統、雨水泵房等。根據GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》，輔助車間自動化按無人職守及較高自動化水平的設計原則考慮［1］，在相應需要監視的場所安裝閉路電視攝像頭。由于LNG 調壓站、循環水泵房與主廠房工藝系統關系密切，宜以遠程I/O 柜方式進行公用DCS 監控。

其它輔助系統目前的設計主要有2 種方案選擇：方案1為各輔助系統采用PLC+LCD 控制方案，并通過以太通訊方式聯網形成輔助車間監控網絡，一個接口與電廠廠級監控系統接口，集中監控上位機設在機控室，就地主要的輔助車間可以保留調試及巡檢用的上位機；方案2 為各輔助系統采用PLC+LCD 控制方案，各系統分別與公用DCS 接口，通過MODBUS或其它接口型式實現雙向通訊，其上層集中監控功能由主廠房DCS 完成。方案1 具有系統獨立性好，實現容易，且國內這方面工程經驗很豐富，缺點是需增加輔助網絡的投資；方案2的特點是輔助系統與DCS 系統接口太多，實現起來很困難，優點是節省投資，這種設計方法在國外前幾年的電廠設計中采用較多，但從工程的實施情況看，因為各接口通訊協議開發難，接口通訊不穩定，數據量通訊有限，投運效果一般不好：所以從DCS 系統的穩定來看，方案1 應作為燃氣電廠優先考慮的方案。

4 主設備的儀表和控制系統招標原則

燃氣電廠的設計一般按“島”劃分，即機島、余熱鍋爐由主設備設計及供貨，熱力系統及BOP 由設計院負責設計，其中，機島及余熱鍋爐中的的儀表及控制原則上隨主設備設計及供貨，主要招標原則如下：

（1）機島范圍內完整的現場儀表及控制系統均由供貨商設計及提供，包括單軸燃氣－蒸汽聯合循環發電機組的燃氣輪機、蒸汽輪機、發電機和附屬機械設備的一次元件、儀表、監控系統、箱、柜、閥門、執行器等設備，以及儀表控制設備的安裝材料（包括儀表閥門、取樣導管、電纜和橋架等）。機島設備的監控由專用的燃機-汽機控制系統（TCS）完成。TCS 與DCS 通過接口實現雙向通訊。重要信號采用硬接線通訊。

（2）余熱鍋爐范圍內的現場儀表由供貨商設計及提供，包括余熱鍋爐和和附屬機械設備的一次元件、儀表、監控系統、箱、柜、閥門、執行器等設備，以及儀表控制設備的安裝材料（包括儀表閥門、取樣導管、電纜和橋架等）。余熱鍋爐的監控由電廠的DCS 完成，余熱鍋爐供貨商負責提供I/O 測點及控制要求。

（3）根據項目實施經驗，在與主設備供貨商的設備談判及設計配合中，特別要注意以下3 點：①機島及余熱鍋爐的儀表及控制設備（除特殊儀表外）應盡量全廠一致，避免出現儀表設備品種混亂的局面，以方便電廠的備品備件和設備的日常維護管理。由于國內DCS 工程商一般沒有F 級聯合循環機組的工程經驗，必須要求機島供貨商除了實現機島自身的控制策略外，還應負責提供整個聯合循環機組的控制策略。因為在燃機電廠的各主設備中，機島設備占主導地位，且機島供貨商一般在國外都有相應聯合循環機組的工程經驗。②真空系統、旁路系統、凝汽器系統等與整個機島的工藝密切相關。為了實現控制的完整性，把這三個系統納入TCS 控制更合理，這樣可以避免大量的信號在不同的控制系統間頻繁交換，減少通訊資源的占用，并且信號可靠、響應速度快。③仔細核對機島及余熱鍋爐的電源及氣源的品質及容量要求，避免出現配合失誤，減少不必要的設計返工。

5 問題與討論

5.1 集控室操作員站的數量

每套TCS 配置兩個操作員站、1 個工程師站及在就地電子設備間提供1 個操作員站，每套DCS 配3 個操作員站及1 個工程師站，另外網控一般有2 個操作員站。如果集控室采用了“八機一控”“六機一控”或“四機一控”的布置，其操作員站的數量將達到42 臺、32 臺或22 臺，需占用很大的面積。同時由于每臺機組的操作員站數量多，將造成監控分散，不利于運行人員的集中監控?？紤]到目前TCS 自動化高，已達到“一鍵啟動”的水平，機組起停及運行很少需要人工干預；此外，TCS 和DCS 設有通訊，通過DCS 可以實現對TCS 的雙向監控，所以TCS 的操作員站可以不布置于控制室的主環，而采用后臺布置，合理減少操作員站的數量，縮短主環的長度，為今后一人同時監控多臺機組創造條件。

5.2 公用系統的UPS 供電

由于DCS 采用多臺機組共用一套公用DCS 的方案，公用DCS 的UPS 供電需要很可靠的供電，并且不能受單臺機組供電的影響。目前煤電的作法一般是兩機設置一套公用DCS。公用DCS 一般由每臺機組提供一路UPS，兩路電源切換后再給公用DCS 供電。如果2 臺機組供電方式應用到多臺機組的設計中，則公用DCS 的電源需要多次復雜切換，供電可靠性將降低。筆者認為，比較好的解決方案是全廠單獨設一套公用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 廠級監控系統SIS 的建設

SIS 應用已有10 多年，新投運的電廠都設計了SIS 系統，應用范圍及效果都不相同。SIS 的建設一般是建立SIS 的應用平臺，如SIS 網絡、數據庫和系統操作軟件等，SIS 的投資收益水平主要取決于在SIS 數據平臺上進行的二次開發程度，特別是運行優化技術應用水平的高低。從目前實施SIS 的工程來看，SIS 的應用還不夠成熟，經濟效果無法驗證。同時由于缺乏SIS 應用軟件的開發，多個工程的應用軟件局限在生產信息實時監視、機組性能計算上?；赟IS 的應用關鍵是應用軟件，筆者認為燃氣電廠SIS 系統的建設應結合各個工程的實際需求及特點，SIS 平臺的建立方式不拘泥于某種設計模式，可以考慮多種形式，根據大中型火力發電廠設計規范的建議，SIS 網絡和MIS 網絡宜合并設置［1］，并參考國外的設計把SIS 功能融入MIS。SIS 應用軟件應是針對燃氣電廠的成熟軟件。

5.4 現場總線技術的應用

現場總線技術可以實現電廠控制系統的數字通訊延伸到現場，具有比傳統DCS、PLC 更先進、更優越的技術特點。基于當時技術發展，福建省燃氣電廠沒有采用現場總線技術。近幾年來，現場總線技術在全國火電廠的應用范圍不斷擴大，并取得了一定的成功應用經驗?，F階段燃氣電廠的設計可以借鑒這些電廠的成熟經驗，在輔控系統上可以結合工藝特點及設計方案大范圍采用；主控系統上，除了燃機控制系統及汽機控制系統外，主廠房熱力系統及其輔助系統都可以在監控底層采用現場總線技術。

5.5 大屏幕的采用

大屏幕顯示對機組運行有一定輔助作用，福建省有兩個電廠集控室采用多個背投大屏幕進行顯示，有一個電廠采用多個大尺寸液晶顯示器進行顯示。目前燃氣電廠集控室大屏幕設計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（EOS），可同時接收DCS、余熱鍋爐汽包水位及全廠閉路工業電視等視頻信號，實現多分屏顯示，相應取消了傳統輔盤上布置的電視監視器，極大地美化了集控室。

6 結語

以上是筆者在參加福建省3 個燃氣電廠設計中的一些工作體會。隨著“云、大、物、移”和智能化技術在燃氣電廠的應用不斷成熟，以及全面智能感知及大數據時代的到來，智慧電廠將成為我國未來燃氣電廠的設計主流。