杜之正，呂麗霞，范巧云，張 嵩，周 青

(1.華北電力大學(xué)自動化系，河北保定071003;2.山東電力研究院魯能控制公司，山東濟南250002)

0 引言

生物質(zhì)發(fā)電主要是以農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)廢棄物為原料，采取直接燃燒或氣化的發(fā)電方式，具有資源分布廣、可持續(xù)利用等特點。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源十分豐富，各種農(nóng)作物每年產(chǎn)生秸稈6億多噸，其中可以作為能源使用的約4億噸。秸稈熱值約為15000kJ/kg，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤的50%。如果加以有效利用，開發(fā)潛力將十分巨大。

國能惠民生物質(zhì)電廠30MW機組，采用振動爐排方式燃燒秸稈、額定功率為130t/h高溫高壓參數(shù)的電站鍋爐和額定容量為30MW的單級抽氣凝汽式高溫高壓參數(shù)的汽輪發(fā)電機組。其DCS采用山東電力研究院魯能控制公司的LN2000分散控制系統(tǒng)。本項目每年可燃燒秸稈30余萬噸，在節(jié)約能源保護環(huán)境的同時，增加了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)收入，促進了經(jīng)濟的發(fā)展。

1 工藝介紹和系統(tǒng)需求

國能惠民生物質(zhì)發(fā)電項目中以30MW的凝汽式汽輪發(fā)電機組和130t/h的高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工段，同時包括上料、爐前料倉、化水、電氣等輔助工段。該工程按照示范電站設(shè)計指導(dǎo)思想設(shè)計，其設(shè)計目標(biāo)是使電廠具有較高的機組自動化水平，較少的人員編制，以降低電廠的發(fā)電運營成本。系統(tǒng)的DCS的I/O測點為2916個。該生物質(zhì)燃料鍋爐工藝流程如圖1所示，主要由汽包、爐膛、過熱器、省煤器等鍋爐本體和給料機、送風(fēng)機、引風(fēng)機、二次風(fēng)機、空氣預(yù)熱器等輔助設(shè)備組成。

圖1 生物質(zhì)燃料鍋爐工藝流程圖

該生物質(zhì)電廠的系統(tǒng)需求為:需要提供過程控制站、現(xiàn)場總線和I/O總線冗余;設(shè)置GPS校時和SOE事件順序記錄;鍋爐、汽輪機主控可自定義功能設(shè)計;具備第三方設(shè)備通訊功能;具備自診斷能力，包括過程控制站和I/O自診斷功能。對于以上系統(tǒng)需求，LN2000 DCS以其快速的功能響應(yīng)和良好的控制性能，成功地為整個電廠的主控、輔控一體化提供了控制方案，并在具體實施中取得了良好的效果。

2 LN2000 DCS硬件配置方案

LN2000分散控制系統(tǒng)由上位計算機系統(tǒng)和過程站控制系統(tǒng)組成。上位計算機系統(tǒng)是由工控機構(gòu)成的功能強大的檢測和控制系統(tǒng)，通過工控機上安裝的LN2000 DCS軟件，經(jīng)過合理的系統(tǒng)設(shè)計組態(tài)實現(xiàn)對整個生物質(zhì)電廠的動態(tài)監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)包括5臺操作員站、1臺工程師站、1臺值長站、7對冗余過程控制站，采用過程控制站、現(xiàn)場總線和I/O總線冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所提供的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和現(xiàn)場級控制工藝設(shè)計完全符合了生物質(zhì)電廠生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)的鍋爐部分、FSSS部分、汽輪機部分、電氣部分、化水部分和吹灰部分各配置一對冗余DPU。該系統(tǒng)的硬件配置方案如圖2所示。

過程控制站能接受工程師站下裝的組態(tài)信息，采集I/O模塊數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略，并通過I/O模塊控制遠方設(shè)備。DPU上的兩個CAN網(wǎng)絡(luò)控制器采用主從方式與I/O模塊通信，實現(xiàn)冗余能力，從而保證對遠程設(shè)備的正?？刂啤Ｉ衔挥嬎銠C系統(tǒng)和過程控制站之間，采用冗余的以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，使操作人員能夠通過整個系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測和控制。該系統(tǒng)I/O模塊分布如表1所示。

圖2 系統(tǒng)硬件配置方案

表1 系統(tǒng)I/O配置表

3 系統(tǒng)的操作監(jiān)控

3.1 控制方式

LN2000 DCS所有設(shè)備控制閥的控制方式均采用遠程、就地相結(jié)合，并能互相切換。遠程控制時，操作員在操作員站上對設(shè)備控制閥等進行狀態(tài)監(jiān)視和動作控制是通過LN2000 DCS中的SAMA圖邏輯組態(tài)軟件和操作員站監(jiān)控軟件來實現(xiàn)的。下面以爐膛負壓控制為例進行說明，主要以SAMA圖進行控制邏輯組態(tài)，操作員以監(jiān)控畫面進行操作控制。爐膛負壓控制的SAMA圖如圖3所示。

爐膛壓力調(diào)節(jié)器取正作用，當(dāng)發(fā)生風(fēng)系統(tǒng)擾動使?fàn)t膛壓力下降時，調(diào)節(jié)器的輸入偏差Δ＜0，由于調(diào)節(jié)器取正作用，故調(diào)節(jié)器輸出減小，要求減小引風(fēng)量以維持爐膛壓力。

圖3 爐膛負壓控制SAMA圖

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，爐膛壓力控制切至手動狀態(tài):1)三個爐膛壓力測量信號中兩個發(fā)生故障、爐膛壓力調(diào)節(jié)器測量值與給定值偏差大于規(guī)定值、爐膛壓力超出規(guī)定值、引風(fēng)機控制均處于手動狀態(tài)。2)當(dāng)引風(fēng)機控制指令與閥位信號的偏差大于規(guī)定值或引風(fēng)機停運及啟動過程中，對應(yīng)的引風(fēng)機控制切至手動狀態(tài)。

爐膛負壓控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4 爐膛負壓控制原理圖

它是以爐膛壓力為給定值的單回路控制系統(tǒng)，被調(diào)量是爐膛壓力，調(diào)節(jié)變量為引風(fēng)量，通過控制引風(fēng)機的風(fēng)量使?fàn)t膛壓力維持在規(guī)定的范圍內(nèi);擾動來自鍋爐的送、引風(fēng)系統(tǒng)和爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定程度。當(dāng)爐膛壓力超過許可值時，將引起鍋爐MFT保護動作。由于爐膛壓力控制系統(tǒng)的重要性，故爐膛壓力信號采用三取二的方式，以提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 主要控制系統(tǒng)

生物質(zhì)發(fā)電廠應(yīng)該具備的主要控制系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、電氣監(jiān)控系統(tǒng)(ECS)、燃料輸送系統(tǒng)、化學(xué)水程控系統(tǒng)等。這些控制系統(tǒng)的功能是通過LN2000 DCS組態(tài)及編程軟件的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的控制邏輯組態(tài)后實現(xiàn)的。

DAS采集、處理與電廠機組有關(guān)的重要測點信號和設(shè)備狀態(tài)信號，使操作人員能得到及時的運行信息，從而保證了機組安全、經(jīng)濟運行。同時，DAS還具備了屏幕顯示、參數(shù)越限報警、事件序列、事故追憶、性能與效率計算和經(jīng)濟分析、打印制表、歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

MCS完成單元機組及輔機系統(tǒng)的模擬量自動調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)將鍋爐部分、汽輪機部分、電氣部分作為一個整體進行協(xié)調(diào)控制，從而使鍋爐部分和汽機部分同時響應(yīng)負荷要求，這樣就保證了機組快速適應(yīng)負荷變化，保持穩(wěn)定運行。該生物質(zhì)電廠的模擬量控制系統(tǒng)主要包括機組協(xié)調(diào)主控、送風(fēng)控制、爐膛壓力控制、燃料控制和給水控制等系統(tǒng)。該項目的單參數(shù)回路的自動調(diào)節(jié)任務(wù)也是由MCS來實現(xiàn)的。

SCS對機組主要設(shè)備組或子組進行順序啟?？刂剖前凑崭髟O(shè)備的啟停運行要求及運行狀態(tài)并且經(jīng)邏輯判斷發(fā)出操作指令來實現(xiàn)的。同時根據(jù)該生物質(zhì)電廠的工藝要求實施聯(lián)鎖與保護。該工程的主要順控系統(tǒng)包括送風(fēng)機系統(tǒng)、引風(fēng)機系統(tǒng)、空預(yù)器系統(tǒng)、秸稈燃燒系統(tǒng)及秸稈輸送系統(tǒng)等。

FSSS可以在鍋爐出現(xiàn)異常工況時發(fā)出報警，并且發(fā)出使相關(guān)輔機啟、停的指令;是通過連續(xù)監(jiān)視鍋爐在各種工況下的運行狀態(tài)，隨時進行邏輯判斷來實現(xiàn)的。可見，它按照預(yù)定的邏輯順序?qū)τ嘘P(guān)設(shè)備進行控制是通過一系列的聯(lián)鎖條件來實現(xiàn)。主要控制功能包括爐膛吹掃、火焰檢測和滅火保護、爐膛壓力保護、主燃料跳閘及停爐后吹掃等。

ECS對所有的電氣設(shè)備實現(xiàn)安全可靠的軟手操，同時提供必要的順序控制及閉鎖功能。監(jiān)控系統(tǒng)主要是對該生物質(zhì)電廠的發(fā)電機變壓器組、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、高壓廠用電源、低壓廠用電源、不停電電源系統(tǒng)、直流系統(tǒng)及380V廠用電系統(tǒng)等進行監(jiān)控。

燃料輸送系統(tǒng)是由卸料系統(tǒng)、儲料系統(tǒng)、上料系統(tǒng)組成。輸料系統(tǒng)采用DCS控制和就地控制2種控制方式。帶式輸送機與分配帶聯(lián)鎖控制，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備均設(shè)聯(lián)鎖保護。

化學(xué)水處理控制系統(tǒng)作為DCS的一個子站與DCS相連，該系統(tǒng)留有與汽水取樣系統(tǒng)的冗余以太網(wǎng)通訊接口。加藥系統(tǒng)配有獨立的控制柜，為實現(xiàn)全自動運行，留有冗余的以太網(wǎng)接口。采用程控、遙控及就地操作相結(jié)合的控制方式，并能相互切換。

4 結(jié)束語

LN2000 DCS在國能惠民生物質(zhì)發(fā)電廠30MW機組的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)了LN2000 DCS對生物質(zhì)電廠的復(fù)雜工藝過程的整體控制和適應(yīng)能力。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，既減少了操作人員的誤操作次數(shù)，降低了運行人員的勞動強度，提高了工作效率，取得了良好的效果，也為相似工程提供了參考。

［1］ 蓋東飛，傅鈞.30MW生物質(zhì)發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計特點［J］.水利電力機械，2006，(12).

［2］ 黃宗漢.生物質(zhì)發(fā)電廠的設(shè)計優(yōu)化［J］.水電與新能源，2010，(2).

［3］ 曾金發(fā).貝加萊APROLDCS在黑山生物質(zhì)發(fā)電廠中的應(yīng)用［J］.自動化博覽，2010，(1).

［4］ 唐黎.廣東粵電湛江生物質(zhì)發(fā)電項目(2x50MW)工程熱工自動化設(shè)計及優(yōu)化方案介紹［J］.水利水電，2010，(7).

［5］ 陳少波.LN2000系統(tǒng)維護［J］.山東電力技術(shù)，2007(增刊):92-95.

［6］ 孫榮峰，閻貴煥，許敏，等.兩步法生物質(zhì)固定床氣化發(fā)電技術(shù)［J］.華電技術(shù)，2006，(12).

［7］ 陶蕊，姜宗星.LN2000 DCS在水泥窯純低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用［A］.2010’第五屆綠色財富(中國)論壇會刊［C］.2010.

［8］ 倪向紅.生物質(zhì)燃料鍋爐控制策略研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［9］ 谷青松.直燃式生物質(zhì)發(fā)電廠集散控制系統(tǒng)［D］.濟南:山東大學(xué)，2007.

［10］ 王強.分散控制系統(tǒng)在直燃式生物質(zhì)電廠的應(yīng)用與研究［D］.濟南:山東大學(xué)，2008.

［11］ 賀超.HDPF系統(tǒng)在生物質(zhì)與煤混燃發(fā)電廠的應(yīng)用研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2012.

［12］ 翟永杰，王學(xué)厚，張悅，等.火電廠分散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2010.