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火電廠DCS的應用及展望

  • 來源: 國電科學技術研究院 自動化研究所
  • 作者: 吳雨濃
  • 發布時間: 2016-12-16

1 DCS概述


DCS是分散控制系統(DI-StributedControlsystem)的簡稱,國內一般習慣稱為集散控制系統。DCS自1975年問世以來,己經經歷了三十多年的發展歷程。在這三十多年中,DCS雖然在系統的體系結構上沒有發生重大改變,但是經過不斷的發展和完善,其功能和性能都得到了巨大的提高。現在的DCS系統具有通用性強,系統組態靈活,控制功能完善,數據處理方便,顯示操作集中,人機界面友好,運行可靠等優點。


現在的DCS融合了4C技術(計算機技術Computer、控制技術Control、通訊技術Communication、圖形顯示技術CRT)被廣泛的應用在化工、電力冶金等能源重工業生產過程控制。隨著電子信息技術和網絡通訊技術不斷發展,新技術和新工藝的日漸成熟,DCS可實現的功能在生產應用中不斷加強。火力發電是現代電力生產中的一種主要形式,火力發電廠運行系統多而且復雜,各系統之間要協調運行又要對負荷變化具有很強的適應能力,因此有效的控制火力發電廠運行極其重要。 在火電廠自動化控制中DCS扮演著舉足輕重的角色。


2 DCS的主要應用系統


目前火電廠機組的建設中,DCS主要用于數據采集系統(DAS);協調控制系統(CCS);鍋爐控制系統,其中包括:鍋爐燃燒、汽溫、給水等模擬量控制系統(MCS),順序控制系統(SCS),以及鍋爐爐膛安全監控系統(FSSS)或稱燃燒器管理系統(BMS)汽機數字電液調節系統(DEH)。


1)數據采集和處理系統(DAS)


數據采集和處理系統(DAS)的主要功能是快速準確地反映機組參數、設備狀態、工藝報警、 性能指標,為操作員提供準確的操作依據。


2)協調控制系統


火電機組的負荷控制一般由協調控制系統完成。協調控制系統的任務是在保證機組安全的前提下盡快響應調度的負荷變化要求,并使機組經濟和穩定地運行。協調控制系統主要通過鍋爐燃燒率和汽機調門來調節機組負荷和主蒸汽壓力。機組負荷應能快速跟隨負荷指令,并保持主蒸汽壓力在允許的范圍。


協調控制系統(CCS)廣義上應包括機組所有的調節,狹義上指以鍋爐指令和汽機指令為調節量,以電負荷和主蒸汽壓力為被調量,組成的聯合調節系統,一般它由以下幾種主要方式:機跟爐(TF )方式、爐跟機(BF )方式、協調方式。


(1)機跟爐方式: 主蒸汽壓力由汽機指令(調門)調節,機組負荷由鍋爐指令(燃燒率)調節。這種方式下,主蒸汽壓力的調節品質比較好,但負荷調節性能差,負荷的響應延遲大,負荷的波動大。這種方式對機組比較有利,但不能滿足電網的負荷控制要求。


(2)爐跟機方式: 主蒸汽壓力由鍋爐指令(燃燒率)調節,機組負荷由汽機指令(調門)調節。這種方式下,機組負荷的調節品質比較好,但主蒸汽壓力調節性能差,主蒸汽壓力的波動大。這種方式對電網比較有利,但不利于機組的安全、穩定運行。


(3)協調方式下,汽機指令和鍋爐指令隨負荷指令協同變化,使機組有較好的電負荷響應性能,并且保證主蒸汽壓力在允許的安全范圍內,其負荷和主蒸汽壓力調節品質介于機跟爐和爐跟機二種方式之間。


大型燃煤機組正常情況下采用協調方式控制,單純的機跟爐和爐跟機一般是不會采用的,協調控制方法比較多,常用的方法有“機跟爐”為基礎的協調、“爐跟機”為基礎的協調、“直接能量平衡(DEB)”協調等。 


3)模擬量控制系統(MCS)


模擬量控制系統包括總風量控制系統、 二次風量控制系統、  爐膛負壓控制系統(引風量控制系統)、 汽包水位控制系統。


保證燃料在爐膛中充分燃燒是風量控制系統的基本任務。二次風量控制系統主要任務是調節煙氣含氧量。爐膛壓力控制系統的基本任務是通過控制引風機動 (靜)導葉或入口擋板來維持爐膛壓力為給定值,以穩定燃燒、 保證燃燒效率、減少污染和保證安全。鍋爐汽包水位是鍋爐安全運行的一個主要參數,其控制系統的目的是保證汽包水位在容許的范圍內,并兼顧鍋爐的平穩運行。除此之外模擬量控制系統還包括燃料控制系統、主蒸汽溫度控制系統、減溫減壓裝置出口溫度控制系統、除氧器水位控制系統等。


4)順序控制系統


順序控制任務是按照各設備的啟停運行要求及運行狀態,經邏輯判斷發出操作指令,對機組主要設備組或子組進行順序啟停,同時該系統根據工藝系統要求實施聯鎖與保護。在順控系統中,指令的優先級是分層的,設備的保護和聯鎖指令具有最高優先級,手動指令比自動指令優先。鍋爐順序控制子組項目主要包括:一次風機子功能組、二次風機子功能組、引風機子功能組、給煤機子功能組、給水泵子功能組、 循環水泵子功能組、 減溫減壓器子功能組、 疏水泵子功能組、 凝結水泵子功能組等。



5)鍋爐爐膛安全監控系統(FSSS)


FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System),鍋爐爐膛安全監控系統。它是現代大型火電機組鍋爐必須具備的一種監控系統,它能在鍋爐正常工作和啟停等各種運行方式下,連續密切監視燃燒系統的大量參數與狀態,不斷進行邏輯判斷和運算,必要時發出動作指令,通過種種連鎖裝置,使燃燒設備中的有關部件嚴格按照既定的合理程序完成必要的操作或處理未遂事故,以保證鍋爐燃燒系統的安全。


爐膛安全監控系統一般分為兩個部分,即燃燒器控制BCS(Burner Control System)和燃料安全控制FSS(Fuel Safety System)。燃燒器控制系統的主要功能是對鍋爐燃燒系統設備進行監視和順序控制,保證點火器、油槍和磨煤機系統的安全啟動、停止、運行。燃料安全系統的功能是在鍋爐點火前和跳閘、停爐后對爐膛進行吹掃、防止可燃物在爐膛積存,在監測到危及設備、人身安全的工況時,啟動MFT,迅速切斷燃料,緊急停爐。


由于FSSS對作為事件順序的操作記錄的要求很高,而且可能是多系統組合來完成該項功能,所以SOE的帶有時間戳的開關量輸入設備及相關功能是必須具備的。隨著硬件和網絡技術的發展,現在SOE的分辨可以達到毫秒級別,大大增加了系統的安全性,更加有利于出現事故時候對問題進行快速準確的分析。在同步時鐘方面,除了有DCS自己的時鐘對全部DCS設備校時外,還可以接入GPS設備對DCS系統進行進行校時,或者從其他系統的GPS校時設備引入校時脈沖,對DCS系統校時。


6)汽機數字電液調節系統(DEH)


汽機數字電液調節系統主要功能有汽輪機轉速控制;自動同期控制;負荷控制;參與一次調頻;機、爐協調控制;快速減負荷;主汽壓控制;單閥控制、多閥解耦控制;閥門試驗;輪機程控啟動;OPC控制;甩負荷及失磁工況控制;雙機容錯;與DCS系統實現數據共享;手動控制。


汽機、鍋爐等控制對安全要求高,燃料、水、灰等輔網設備數量龐大,負荷受電網的控制,這就要求DCS設備具有回路反饋控制、順序控制、混合控制等復雜控制功能。火電機組DCS系統除了完成以上控制任務外,還肩負著與輔網和其他系統通訊的任務。


在火電機中,輔網的控制一般用PLC來實現,獨立于DCS系統,主機和輔網的數據通訊主要通過在DCS側和PLC側2臺互為冗余的通訊站用來完成。PLC通訊站作為數據的發送端,DCS通訊站作為數據的接受端,然后DCS系統再從DCS通訊站中讀取數據。與ECS(電氣控制系統)之間的通訊也與之相類似。


DCS采集的數據對SIS(廠級監控信息系統)來說不可或缺,這就要求DCS與SIS之間進行數據交換,DCS通過OPC協議與SIS相連接為SIS提供數據。SIS系統將DCS的圖形轉化成其系統可以識別的格式,在SIS的操作員站上加以顯示,實現數據的采集和遠傳,機組的性能計算、廠級經濟性分析、廠級負荷分配、實時分析機組的運行參數,對機組乃至全廠的運行狀況進行準確的分析、診斷與優化。 


3 火電DCS發展趨勢


1)單元機組控制系統一體化


隨著一些電廠將電氣發變組和廠用電系統的控制(ECS)功能納入DCS的SCS控制功能范圍,ETS控制功能改由DCS模件構成,DEH與DCS的軟硬件合二為一,以及一些機組的煙氣濕法脫硫控制直接進入單元機組DCS控制的成功運行,標志著控制系統一體化,在DCS技術的發展推動下而走向成熟。


2)全廠輔控系統走向集中監控


一個火電廠有10多個輔助車間,國內過去通常都是由PLC和上位機構成各自的網絡,在各車間控制室內單獨控制,因此得配備大量的運行人員。為了提高外圍設備控制水平和勞動生產率,達到減員增效的目的,隨著DCS技術和網絡通訊功能的提高,目前各個輔助車間的控制已趨向適度集中,整合成一個輔控網(簡稱BOP 即Balance Of Plant的縮寫)方向發展,即將相互獨立的各個外圍輔助系統,利用計算機及網絡技術進行集成,在全廠IT系統上進行運行狀況監控,實現外圍控制少人值班或無人值班。


3)DCS與FCS的融合


與現場總線的融合過去一段時間,一些學者和廠商DCS和FCS(現場總線控制系統)對立起來。其實,真正推動FCS進步的仍然是世界主要幾家DCS廠商。所以,DCS不會被FCS所代替,而是DCS會融合FCS,FCS和DCS緊密結合,提高控制信號傳輸的準確性、實時性、快速性和機組運行的安全可靠性,解決現場設備的現代化管理,降低工程投資。實現真正的DCS。各廠家現在的DCS系統都包含了各種形式的現場總線接口,可以支持多種標準的現場總線儀表、執行機構等。


4 結論


DCS將會加強數據優化和信息管理,對DCS采集的現場實時數據,利用先進的數據庫技術、通訊技術,結合用戶的工藝實際作進一步的深度加工,為用戶提供更大的增值作用。一種是提供針對工藝的優化軟件,提高生產效率和經濟效益;另外一種是功能增加,包括:設備維護功能,更加細致的分析設備和機械故障狀態,通過監測設備的運行狀態來判斷設備是否需要維護,減少意外停車。提高設備利用率。


現在硬件的更新速度迅速,而軟件的開發速度則相對緩慢,各DCS廠家的系統軟件都存在一定的詬病,有些漏洞甚至會導致很嚴重的后果,DCS廠家應該加大研發,盡快解決系統存在的軟件漏洞和不足。





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