張 鵬，焦道順

（1．河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊050031； 2．華能金陵燃機(jī)有限公司，南京210034）

天然氣調(diào)壓站是燃?xì)廨啓C(jī)（簡稱燃機(jī)）聯(lián)合循環(huán)電廠的重要組成部分之一，是天然氣的主要處理系統(tǒng)，直接影響到燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)已運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)，新建機(jī)組合理優(yōu)化配置天然氣調(diào)壓站的控制系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定和安全可靠運(yùn)行的前提下，可以提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、降低造價并減少能耗。

筆者對已投運(yùn)的華能金陵燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹，提出了天然氣調(diào)壓站DCS遠(yuǎn)程IO設(shè)計方案，有助于實(shí)現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化，真正做到數(shù)字化電廠。

1 項(xiàng)目概況

華能金陵燃機(jī)電廠目前已經(jīng)建成2臺390MW級燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，并將擴(kuò)建2臺200MW燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，提供該地區(qū)部分動力用電及生活用汽，改善地區(qū)能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境狀況。

擴(kuò)建工程采用PG9171E型燃機(jī)，采用E級分軸、單燃料、干式低NOx、重型燃機(jī)和單缸、雙壓、無再熱、下排汽、單軸抽汽凝汽式供熱汽輪機(jī)組。

2 調(diào)壓站工藝系統(tǒng)

2臺E級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配置一套天然氣調(diào)壓站設(shè)備，其用途是將來自上游供氣管道的天然氣降壓和穩(wěn)壓，使天然氣在所要求的壓力和流量下連續(xù)穩(wěn)定地輸入到下游燃機(jī)天然氣前置模塊中。該天然氣調(diào)壓站工藝系統(tǒng)示意圖見圖1［1－2］。

圖1 天然氣調(diào)壓站工藝系統(tǒng)示意圖

2．1 入口單元

來自上游供氣管道的天然氣首先進(jìn)入入口單元，在入口處安裝有絕緣接頭，實(shí)現(xiàn)輸氣管線與天然氣場站的電絕緣，確保場站安全。絕緣接頭后配置緊急切斷閥，該閥為氣動閥，通過電磁閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在發(fā)生泄漏、火警或其他危險事件時快速切斷氣源，保證電廠安全。

2．2 旋風(fēng)分離單元

天然氣經(jīng)過入口單元進(jìn)入旋風(fēng)分離單元，該單元設(shè)計有一臺分離器，同時還配置了旁路。分離器配置有進(jìn)出口隔斷閥、安全放散閥、手動放散閥、液位計、連鎖控制的自動排污閥和手動排污旁路以及必要的儀表等附件。經(jīng)過分離器后，天然氣中較大的雜質(zhì)顆粒及液滴在進(jìn)入到計量單元前被分離出來。

2．3 計量單元

計量單元設(shè)計為2臺100%流量，即一用一備，流量為86 000m3／h。

計量系統(tǒng)中配有壓力補(bǔ)償變送器、溫度補(bǔ)償熱電阻、超聲波流量計。壓力補(bǔ)償變送器用于檢測天然氣工況下絕對壓力，溫度補(bǔ)償熱電阻用于檢測天然氣工況下溫度，超聲波流量計用于檢測天然氣工況流量。壓力溫度直接接入流量計算機(jī)，同時流量計算機(jī)與超聲波流量計進(jìn)行通信，將采集的工況流量與補(bǔ)償?shù)慕^對壓力值、溫度值進(jìn)行計算，計算出標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積流量、累積流量等值，經(jīng)通信（RS485）送給DCS，以便在DCS監(jiān)測各種流量數(shù)值，同時瞬時質(zhì)量流量、標(biāo)準(zhǔn)狀況體積流量、工況體積流量、熱值4個參數(shù)分別轉(zhuǎn)換成4～20mA信號，并傳送至DCS。

此部分的計量是用來計量調(diào)壓站消耗的天然氣總用量。

2．4 過濾單元

天然氣經(jīng)過計量單元進(jìn)入過濾單元，主要清除天然氣中的固體顆粒、灰塵和液滴，以保證管道系統(tǒng)的清潔度，給燃機(jī)提供清潔的天然氣。過濾系統(tǒng)設(shè)計成一用一備。

2．5 加熱單元

天然氣經(jīng)過過濾單元進(jìn)入加熱單元，主要目的是提高天然氣的溫度，滿足燃機(jī)對天然氣的要求，并保證調(diào)壓站內(nèi)所有管道、儀表等設(shè)施在各種運(yùn)行工況下不產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象（主要是在冬季的低溫情況下）。加熱單元配置一臺蒸汽復(fù)熱式加熱器，并配置球閥旁路。該部分的入口天然氣溫度為0～20℃，要求的出口溫度為27．5℃。

2．6 調(diào)壓單元

調(diào)壓單元配置2臺50%調(diào)壓路，每臺燃機(jī)配置兩路（一用一備），每條調(diào)壓路串連配置1臺超壓緊急切斷閥、1臺監(jiān)控調(diào)壓器及1臺工作調(diào)壓器，進(jìn)出口隔斷球閥以及必要的溫度壓力儀表等，保證天然氣調(diào)壓、穩(wěn)壓、連續(xù)輸出。

2．7 冷凝儲罐單元

從旋風(fēng)分離器和過濾器分離出來的水和碳?xì)浠衔锝?jīng)排污系統(tǒng)流入冷凝儲罐存儲，然后在以后的適當(dāng)時候?qū)⑴盼垡簭默F(xiàn)場移走。

冷凝罐單元配置1臺1m3的冷凝液儲罐及烴泵、液位計和必要的隔斷閥門。

2．8 充氮保護(hù)單元

由于天然氣具有很高的易燃性，因此在機(jī)組啟動、停機(jī)檢修及長期停機(jī)時，調(diào)壓站系統(tǒng)都必須進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，目的是為了防止在系統(tǒng)中形成爆炸性可燃?xì)怏w。

當(dāng)停車檢修時，需首先將天然氣泄壓，然后用氮?dú)鈱⑻烊粴庵脫Q出去。

當(dāng)電廠長期停車時，應(yīng)將天然氣安全地隔離開，然后將系統(tǒng)中的天然氣用氮?dú)鈱⑵渲脫Q出去，并用氮?dú)獗?。所有通大氣的接口要保持關(guān)閉狀態(tài)，防止空氣進(jìn)入。

2．9 集中放散單元

集中放散單元主要是排放設(shè)備和管道中滲漏和殘留的天然氣；同時，充氮過程中氮?dú)庖脖仨毻ㄟ^放散單元進(jìn)行放散，確保整個調(diào)壓站系統(tǒng)的安全。

3 控制系統(tǒng)DCS遠(yuǎn)程IO配置

考慮到全廠控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，對調(diào)壓站常規(guī)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用了DCS遠(yuǎn)程IO站的控制方案。

3．1 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)由一臺上位計算機(jī)和一面DCS遠(yuǎn)程IO機(jī)柜構(gòu)成。上位計算機(jī)系統(tǒng)采用工業(yè)級計算機(jī)構(gòu)成功能強(qiáng)大的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對整個天然氣調(diào)壓站工藝流程的動態(tài)監(jiān)視和控制［3］。

天然氣調(diào)壓站控制系統(tǒng)的DPU控制器布置在公用DCS機(jī)柜內(nèi)，就地調(diào)壓站控制室內(nèi)僅布置一面DCS遠(yuǎn)程IO機(jī)柜。DCS遠(yuǎn)程IO機(jī)柜內(nèi)僅布置系統(tǒng)IO卡件和通信模塊，現(xiàn)場需要監(jiān)測與控制的點(diǎn)通過硬接線方式接入系統(tǒng)IO模塊，通過冗余的光纖接入到全廠公用DCS網(wǎng)絡(luò)。主控制熱備系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I／O控制站之間采用高性能的工業(yè)以太網(wǎng)總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的可靠、安全、穩(wěn)定地傳輸。

上位計算機(jī)系統(tǒng)與DCS控制單元之間采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)屬國際標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)以太網(wǎng)已達(dá)到高傳輸安全性和可靠性要求，現(xiàn)已廣泛用于程序維護(hù)、向MIS～RMES系統(tǒng)傳遞工廠數(shù)據(jù)、監(jiān)控、連接人機(jī)界面、記錄事件和報警。通過以太網(wǎng)絡(luò)將上位計算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)測與控制點(diǎn)緊密地結(jié)合為一個整體，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。在這樣高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)上，可以很方便地利用DCS系統(tǒng)所特有的功能，實(shí)現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的計算機(jī)在線遠(yuǎn)程診斷功能。

3．2 控制策略

系統(tǒng)采用集中控制方式，通過DCS控制系統(tǒng)，運(yùn)行人員可在集中控制室內(nèi)實(shí)現(xiàn)對整個調(diào)壓站工藝系統(tǒng)進(jìn)行啟／停控制，正常運(yùn)行監(jiān)視及異常工況的處理，也可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方軟手操。程控邏輯設(shè)計要符合控制系統(tǒng)的控制和連鎖要求，完成電機(jī)啟停、閥門開關(guān)、液位調(diào)整和流量調(diào)整，并根據(jù)實(shí)際需要監(jiān)視流量、壓力、溫度和閥門狀態(tài)等參數(shù)，所有參數(shù)做好報警記錄，完成報警功能。

調(diào)壓站天然氣系統(tǒng)調(diào)壓采用全自動方式，也可遠(yuǎn)方軟手操控制，運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制方式的選擇，完成各系統(tǒng)的投運(yùn)、停運(yùn)、自動、手動以及就地操作。

3．3 DCS遠(yuǎn)程IO控制方案的優(yōu)點(diǎn)

近幾年隨著DCS系統(tǒng)的發(fā)展，燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)已經(jīng)逐漸采用DCS系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的PLC方案，構(gòu)成全廠輔助車間DCS控制網(wǎng)絡(luò)。對于聯(lián)合循環(huán)燃機(jī)電廠，主要的輔助車間系統(tǒng)已經(jīng)采用DCS控制系統(tǒng)，組成完整的DCS控制網(wǎng)絡(luò)，但對于天然氣調(diào)壓站系統(tǒng)，由于通常作為一個獨(dú)立的小系統(tǒng)，廠家提供工藝設(shè)備和獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，通過通信接口接入到全廠的DCS網(wǎng)絡(luò)中，造成全廠控制系統(tǒng)的不完整；另外由于PLC與全廠控制系統(tǒng)存在控制協(xié)議的差異，常常會造成調(diào)壓站PLC系統(tǒng)通信中斷，嚴(yán)重影響了天然氣調(diào)壓系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

調(diào)壓站采用DCS遠(yuǎn)程IO控制方案，解決了全廠控制系統(tǒng)的不完整，避免了控制系統(tǒng)之間的兼容問題，保證了信息的實(shí)時性，大大提高控制的安全可靠性，歸納起來有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免了車間輔助控制系統(tǒng)與全廠主控制系統(tǒng)的不一致，解決了控制孤島的問題，充分考慮了資源的共享。

（2）避免了控制系統(tǒng)設(shè)備選型多種多樣，給生產(chǎn)維護(hù)管理帶來便利，降低了運(yùn)行費(fèi)用，減少了備品備件的數(shù)量。

（3）控制系統(tǒng)的統(tǒng)一，客觀上就避免了不同系統(tǒng)間的兼容問題，包括協(xié)議的兼容和網(wǎng)絡(luò)接口的兼容，簡化了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了整個控制系統(tǒng)的安全性。

（4）從運(yùn)行人員的組態(tài)、編程方面考慮，使全廠主、輔控制平臺和人機(jī)畫面環(huán)境得到統(tǒng)一，降低了工作和培訓(xùn)的強(qiáng)度和費(fèi)用。

總之，調(diào)壓站采用DCS遠(yuǎn)程IO控制方案，使全廠控制系統(tǒng)的完整性和可靠性得到大幅提高，大大增加了天然氣系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，同時降低了電廠設(shè)備及人員成本，為電廠高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造條件。

3．4 DCS控制系統(tǒng)畫面

對于調(diào)壓站工藝系統(tǒng)流程（見圖2），DCS上位機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)視，而且可以遠(yuǎn)程控制各工藝系統(tǒng)流程，達(dá)到全自動運(yùn)行方式。

圖2 調(diào)壓站DCS控制畫面簡圖

3．5 DCS遠(yuǎn)程IO站設(shè)計

DCS遠(yuǎn)程IO站設(shè)計過程如下：

（1）根據(jù)工藝系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計系統(tǒng)圖和IO清單。調(diào)壓站系統(tǒng)的IO清單見表1。

表1 調(diào)壓站系統(tǒng)IO清單

（2）根據(jù)IO清單，合理配置DCS系統(tǒng)卡件數(shù)量。調(diào)壓站系統(tǒng)的IO卡件數(shù)量見表2。

表2 IO卡件清單

（3）就地控制室為集裝方式，需要將DCS機(jī)柜和操作員站合理地布置在控制室內(nèi)，同時考慮廠區(qū)的場地條件，確定就地控制室的面積。就地控制室布置見圖3。

圖3 就地控制室布置圖

（4）考慮到系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)機(jī)柜和操作員站電源都取自公用DCS電源柜。

（5）采用TCP／IP通信協(xié)議，通過光纖方式，接入全廠公用DCS網(wǎng)絡(luò)。

（6）為了保證事故狀態(tài)下調(diào)壓站系統(tǒng)的安全性，需要對緊急切斷閥（ESD）和放散閥進(jìn)行操作，因此3個ESD電磁閥和2個放散電磁閥均在就地設(shè)置硬手操（配操作面板、指示燈、就地按鈕等），布置在計量柜面板上。

（7）設(shè)置了6臺可燃?xì)怏w探測器，同時輸出4～20mA和開關(guān)量信號，模擬量信號用于DCS系統(tǒng)監(jiān)視；開關(guān)量信號用于消防報警，為高限報警。

（8）由于整個天然氣調(diào)壓系統(tǒng)設(shè)計兩套獨(dú)立的調(diào)壓系統(tǒng)，分別為兩臺燃?xì)鈾C(jī)組供氣，因此在DCS系統(tǒng)組態(tài)、IO點(diǎn)配置時應(yīng)考慮遠(yuǎn)程柜控制卡件故障對機(jī)組控制產(chǎn)生的影響，確保不因單個卡件故障對兩臺機(jī)組造成安全隱患。

4 結(jié)語

華能金陵燃機(jī)電廠4號機(jī)組于2013年4月6日順利投運(yùn)，標(biāo)志上述天然氣調(diào)壓站DCS遠(yuǎn)程IO站方案是可行的，也是成功的，可為以后同等類型工程設(shè)計提供借鑒。

［1］呂小蘭 ．燃機(jī)電廠天然氣調(diào)壓站配置探討［J］．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2007，20（3）：6－9．

［2］馬國喜 ．燃?xì)廨啓C(jī)電廠天然氣調(diào)壓站裝置與功能分析［J］．燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2011，24（4）：12－16．

［3］吳志剛．PLC在天然氣調(diào)壓站自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］．機(jī)電一體化，2010，16（9）：48－50．