分散控制系統(tǒng)在火力發(fā)電廠給水控制中的應(yīng)用

胡卓飛，張文一，婁 偉，邱德來，邢寶剛，孫偉晉

（1.國能長(zhǎng)源漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 432300；2.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引 言

火力發(fā)電廠本質(zhì)上是通過煤的燃燒來產(chǎn)生能量，以滿足社會(huì)發(fā)展對(duì)于電力資源的基本需求。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提升，現(xiàn)代化控制技術(shù)在火力發(fā)電廠中廣泛應(yīng)用。分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）屬于一種較為經(jīng)典的控制系統(tǒng)，已經(jīng)在各大火力發(fā)電廠中得到了較為廣泛的應(yīng)用，不僅可以提升發(fā)電廠的控制能力，還可以在后續(xù)工作開展進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)技術(shù)改進(jìn)，確保了火力發(fā)電廠在給水控制階段具備更高的自動(dòng)化程度。

1 DCS分散控制系統(tǒng)與給水控制

1.1 DCS分散控制系統(tǒng)

DCS分散控制系統(tǒng)是確保火力發(fā)電廠當(dāng)中各類設(shè)備都能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要系統(tǒng)，主要通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)和處理技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)生產(chǎn)階段中涉及到的各類操作和管理內(nèi)容展開處理，能夠?qū)?shù)據(jù)信息通信、圖像展示等結(jié)合在一起。通常情況下，在DCS分散控制系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置好I/O控制站，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體系統(tǒng)I/O的穩(wěn)定控制。DCS操作站就屬于對(duì)各類人機(jī)界面中與操作流程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，在火力發(fā)電廠中通過DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)多樣化的操作功能，能夠有效替代傳統(tǒng)的手動(dòng)操作模式和控制模式，通過增添遠(yuǎn)程控制模式和高效的順序邏輯控制等多種方式，保證控制系統(tǒng)可以更好地實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程操控，提升工作現(xiàn)場(chǎng)各類工作的安全性。目前DCS分散控制系統(tǒng)已經(jīng)在變電所、石油行業(yè)以及發(fā)電廠等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，將DCS分散控制系統(tǒng)應(yīng)用在火力發(fā)電廠中，能夠在根本上提高發(fā)電廠的整體分散式自動(dòng)控制水平[1]。

1.2 給水過程的工作原理

我國300 MW等級(jí)的火力發(fā)電機(jī)中大多都會(huì)采用汽包鍋爐設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，并且在實(shí)際發(fā)電進(jìn)程中沒有針對(duì)設(shè)備自身的平衡能力進(jìn)行設(shè)置，在給水方面存在著動(dòng)態(tài)變化、慣性大等特征。在給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采用以往的單回路系統(tǒng)，會(huì)使得水位方面出現(xiàn)較為顯著的偏差。目前大多數(shù)發(fā)電廠在給水控制階段中所用的是串聯(lián)式方案，對(duì)于給水控制過程需要采取專業(yè)化控制系統(tǒng)，如DCS分散控制系統(tǒng)，這種控制方案不僅整體質(zhì)量較為優(yōu)異，還具備操作便捷等特征。在整體控制過程中，主回路中涉及到了主調(diào)節(jié)器、水位變送器等內(nèi)容，而副回路中則由給水流量、執(zhí)行器以及調(diào)節(jié)工作閥構(gòu)成，在實(shí)際控制階段主調(diào)節(jié)器中所采用的是比列積分控制法，以此來展開針對(duì)性的控制操作，這樣就可以保證其中不會(huì)產(chǎn)生水位偏差問題，所輸出的各種信號(hào)能夠直接作用在調(diào)節(jié)器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于給水流量的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，保證后續(xù)給水過程中的水流量可以處在一種相對(duì)平衡的狀態(tài)[2]。

2 DCS分散控制系統(tǒng)在火力發(fā)電廠給水控制中的應(yīng)用分析

2.1 DCS分散控制系統(tǒng)的基本原則

（1）安全性原則與冗余設(shè)計(jì)原則。在DCS分散控制系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)采取更加成熟可靠的技術(shù)手段，以穩(wěn)步降低整體系統(tǒng)所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，但在系統(tǒng)中所采用的各類設(shè)備及硬件，如服務(wù)器、控制站以及操作員站等，還有涉及到的軟件都應(yīng)當(dāng)遵循基本的冗余原則展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，以穩(wěn)步提升整體系統(tǒng)的可用性。

（2）可維護(hù)性原則與端子設(shè)計(jì)原則。在整體系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)選擇那些具備統(tǒng)一化特征，得到優(yōu)化處理的硬件平臺(tái)，避免出現(xiàn)采取專用系統(tǒng)或設(shè)備的情況，有利于降低維護(hù)成本與風(fēng)險(xiǎn)因素。由于施工現(xiàn)場(chǎng)到控制柜之間的電纜長(zhǎng)度已經(jīng)固定，在后續(xù)信號(hào)通道的分配過程中，要保證其能夠與原本信號(hào)的端子位置基本相同，避免產(chǎn)生線纜長(zhǎng)度不夠等問題。

（3）人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則。在人機(jī)界面的組態(tài)方面，要盡量保持與原系統(tǒng)一致，以大幅降低對(duì)于操作人員所產(chǎn)生的影響，還要保證通信方案、接口與原系統(tǒng)保持一致，這樣就不會(huì)出現(xiàn)第三方系統(tǒng)變更的情況。而對(duì)于那些較為重要的設(shè)備，要?jiǎng)澐殖刹煌目刂普荆瑏斫档涂刂普竟收蠈?duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響[3]。

2.2 明確控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求

在給水控制系統(tǒng)中應(yīng)用DCS分散控制系統(tǒng)，必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對(duì)系統(tǒng)功能提出更加明確的設(shè)計(jì)需求，主要涉及以下幾方面內(nèi)容。

（1）控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)更好地滿足火力發(fā)電廠對(duì)于給水控制過程中的全面監(jiān)控和自動(dòng)化控制，而內(nèi)部建立起的DCS系統(tǒng)也要在確保不會(huì)影響到給水全自動(dòng)控制的同時(shí)，滿足各方面的基本需求。對(duì)于除氧設(shè)備和過熱控制等多個(gè)分系統(tǒng)展開自動(dòng)化啟停控制，可以在同一個(gè)系統(tǒng)中保證其能夠發(fā)揮出多方面功能。

（2）DCS分散控制系統(tǒng)要在充分結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況的基礎(chǔ)上展開實(shí)時(shí)化監(jiān)控，采取針對(duì)性的控制措施。

（3）DCS分散控制系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)與整體火力發(fā)電廠的控制中心之間展開兼容設(shè)計(jì)，以確保發(fā)電廠能夠針對(duì)給水控制系統(tǒng)展開總體控制[4]。

2.3 優(yōu)化控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，在明確火力發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，火力發(fā)電廠應(yīng)當(dāng)在明確設(shè)計(jì)需求的同時(shí)，針對(duì)整體系統(tǒng)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。在控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中涉及到了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、水位變送器、顯示屏等內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合火力發(fā)電廠的基本需求來選擇對(duì)應(yīng)的PLC控制器，利用前段水位變送器以及主副調(diào)節(jié)器來對(duì)水位進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于各類數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換計(jì)算，還可以通過RS485總線來針對(duì)數(shù)據(jù)信息展開傳輸通信，而檢測(cè)信號(hào)在傳送到PLC中后，也會(huì)對(duì)信號(hào)展開對(duì)應(yīng)的分析計(jì)算，可以通過PLC中的AC/DC轉(zhuǎn)換器，將內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)逐步傳輸?shù)焦た貦C(jī)中，針對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析結(jié)構(gòu)展開必要的顯示與判斷。而在PLC控制器的軟件程序中，則要采用專業(yè)編程軟件來做好程序編寫，顯示界面內(nèi)部要通過監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)（Monitor and Control Generalted System，MCGS）組態(tài)軟件來做好界面設(shè)計(jì)工作，使得DCS分散控制系統(tǒng)可以針對(duì)水位情況、鍋爐振動(dòng)程度等多種因素加以監(jiān)測(cè)。如果其中出現(xiàn)了故障問題，系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)的聲光報(bào)警，并在顯示界面中直觀顯示出故障問題出現(xiàn)的主要原因和故障所處的具體位置等，工作人員通過報(bào)警提示信息采取針對(duì)性的應(yīng)急處理措施，這樣就能大幅降低安全事故的發(fā)生幾率。除此之外，設(shè)計(jì)出的顯示界面也能夠采用流程圖的方式實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的界面顯示，其中涉及多個(gè)鍋爐的操作界面、參數(shù)顯示界面以及系統(tǒng)的調(diào)節(jié)畫面等。

圖1 火力發(fā)電廠的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

2.4 DCS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵配置

如圖2所示，在明確分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)結(jié)合火力發(fā)電廠對(duì)于DCS分散控制系統(tǒng)所進(jìn)行的整體設(shè)計(jì)，在火力發(fā)電廠目前給水控制系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，通過對(duì)于DCS分散控制系統(tǒng)的配置來對(duì)系統(tǒng)的各大關(guān)鍵硬件展開匹配設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合相關(guān)參數(shù)選擇所需的PLC控制器，在PLC控制器中內(nèi)置PID回路控制模塊以及I/O接口模塊，處在最大類別的I/O通道數(shù)量在4 000左右。而在DCS分散控制系統(tǒng)的工控機(jī)方面，也要結(jié)合實(shí)際需求展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此來滿足控制系統(tǒng)的基本運(yùn)行需求。在完成了DCS分散控制系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)后，為了明確系統(tǒng)的具體性能，就要展開必要的應(yīng)用測(cè)試，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是蒸汽流量出現(xiàn)變化后，會(huì)使得鍋爐的負(fù)荷出現(xiàn)變化，要進(jìn)一步明確這部分變化對(duì)于鍋爐水位所產(chǎn)生的影響。結(jié)合對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果可以看出，DCS分散控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性比較高，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于鍋爐水位的穩(wěn)定控制，并且DCS分散控制系統(tǒng)中存在的各種顯示功能和報(bào)警功能，也能夠針對(duì)鍋爐中水位的變化情況和設(shè)備后續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況展開實(shí)時(shí)化顯示，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的報(bào)警控制，繪制蒸汽流量與水位的變化曲線。由此可以看出，在DCS分散控制系統(tǒng)的控制作用下，蒸汽流量出現(xiàn)的大幅度擾動(dòng)變化對(duì)于鍋爐中水位運(yùn)行變化所產(chǎn)生的影響比較小，水位在波動(dòng)性方面也符合相關(guān)規(guī)定，這表明DCS分散控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的給水控制系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性比較高，控制系統(tǒng)具備較高的動(dòng)態(tài)特性，這對(duì)于提高整體火力發(fā)電廠的工作效率和運(yùn)行安全性起到了良好的促進(jìn)作用[5]。

圖2 分散控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

通過將較為先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用在火力發(fā)電廠的日常工作中，已經(jīng)成為促進(jìn)火力發(fā)電廠生產(chǎn)能力提升的關(guān)鍵所在。在分析DCS分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用在火力發(fā)電廠中的發(fā)電機(jī)組鍋爐中，對(duì)其具體應(yīng)用效果展開全面測(cè)試。結(jié)果顯示，DCS分散控制系統(tǒng)在安全性與穩(wěn)定性方面較為突出，此外較高的智能化程度能夠有效提升發(fā)電廠鍋爐的工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于工作環(huán)境的優(yōu)化。