方占正

(遼寧大唐國(guó)際阜新煤制天然氣有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000)

隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，煤化工得以快速發(fā)展。煤化工工程項(xiàng)目中，動(dòng)力車間是一個(gè)重要組成部分，動(dòng)力車間的建設(shè)不同于常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組的建設(shè)，其功能、定位均有所不同。煤化工動(dòng)力車間的主要功能不是發(fā)電，而是保證化工區(qū)的供汽，雖然動(dòng)力車間的機(jī)組容量不高，但是它承擔(dān)了向化工車間供汽的責(zé)任，為了保證化工車間生產(chǎn)的安全，在其工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，安全性是重中之重。筆者根據(jù)煤化工動(dòng)力車間的工藝特點(diǎn)，提出煤化工動(dòng)力車間DCS的配置方案，同時(shí)給出某工程DCS配置的實(shí)例。

1 煤化工動(dòng)力車間工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)①

煤化工動(dòng)力車間的工藝系統(tǒng)與常規(guī)單元制火力發(fā)電機(jī)組存在諸多不同：動(dòng)力車間熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮向化工區(qū)供汽、供電的穩(wěn)定和可靠，為提高系統(tǒng)的可靠性，全廠熱力系統(tǒng)宜采用母管制；主蒸汽系統(tǒng)一般采用雙母管，每臺(tái)爐設(shè)有兩根支管，可分別供汽至兩根主蒸汽母管，每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組可分別從兩根主蒸汽母管供汽；給水系統(tǒng)采用母管制，一般配置電動(dòng)給水泵，采用定速給水泵和調(diào)速給水泵組合配置的方案，適應(yīng)不同負(fù)荷工況的給水系統(tǒng)運(yùn)行；至化工區(qū)的中、低壓供汽系統(tǒng)也采用母管制；為保證汽輪發(fā)電機(jī)組在故障和檢修工況時(shí)對(duì)化工區(qū)的供汽，熱力系統(tǒng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的減溫減壓器，保證在任何工況下都能實(shí)現(xiàn)對(duì)化工區(qū)供汽量的穩(wěn)定進(jìn)行。

2 煤化工動(dòng)力車間DCS配置

2.1 工藝和控制系統(tǒng)

從煤化工動(dòng)力車間工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)可以看出，主要熱力系統(tǒng)均采用母管制。母管制機(jī)組在以發(fā)電為目的的電廠中已經(jīng)不被使用，僅在自備電廠中少量存在。母管制機(jī)組的工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間有個(gè)矛盾，對(duì)于母管制的工藝系統(tǒng)注重的是“整體、統(tǒng)一、集中”的概念，整個(gè)系統(tǒng)不可分割；而從控制系統(tǒng)的安全性考慮，控制系統(tǒng)則注重“分散”。這就對(duì)控制系統(tǒng)的配置提出了更高要求，將工藝系統(tǒng)的整體性與控制系統(tǒng)的分散性統(tǒng)一起來，這對(duì)整個(gè)動(dòng)力車間至關(guān)重要。

從控制角度，DCS設(shè)計(jì)的最基本要求是安全、可靠運(yùn)行，現(xiàn)今的DCS和硬件均具備較高的可用率，要提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性就是在DCS發(fā)生故障的小概率情況下減少引起的故障面，也即避免由于DCS的故障造成整個(gè)動(dòng)力車間的全局故障。為此，對(duì)全廠的公用設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)妥善的控制方案，DCS的設(shè)計(jì)要考慮到工藝設(shè)備和控制設(shè)備檢修的可行性，以及部分系統(tǒng)檢修對(duì)其他系統(tǒng)運(yùn)行帶來的安全性影響，DCS的設(shè)計(jì)還要盡可能地簡(jiǎn)單并且考慮節(jié)省投資。

對(duì)于全廠公用設(shè)備的控制方案，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有兩種思想：一是對(duì)全廠公用系統(tǒng)設(shè)兩套控制系統(tǒng)，互為備用，針對(duì)這種方式，兩套控制系統(tǒng)的控制范圍相同，以實(shí)現(xiàn)冗余控制的效果，其缺點(diǎn)是，所有儀表、DCS設(shè)備、電纜和其他安裝材料均翻倍，投資增加；普通的一次設(shè)備(如電動(dòng)機(jī)及閥門等)不支持冗余控制方式，只能接收一個(gè)控制指令，來自兩套控制系統(tǒng)的控制信號(hào)只能在端子上并接，這并不是規(guī)范的設(shè)計(jì)方法。另外一種思想是把全廠公用設(shè)備的控制分散到不同的DCS中，不設(shè)單獨(dú)的公用DCS，風(fēng)險(xiǎn)分散了，不會(huì)由于DCS故障導(dǎo)致全廠公用設(shè)備全停；但這種方式也有不足，工藝系統(tǒng)為整體，只是控制根據(jù)分散原則把公用設(shè)備分到幾套DCS中，工藝設(shè)備間的聯(lián)鎖控制很難實(shí)現(xiàn)。

2.2 推薦的控制系統(tǒng)方案

基于工藝對(duì)控制功能的要求，對(duì)于所設(shè)計(jì)的控制方案，既要能保持DCS與工藝系統(tǒng)的一致性，又要實(shí)現(xiàn)控制分散。其實(shí)對(duì)于DCS，由于采用冗余控制器，控制器故障引起的故障面很有限，因而對(duì)于DCS的可靠性影響主要是DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。筆者推薦一種如圖1所示的主網(wǎng)+子網(wǎng)的DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可解決上述問題。

圖1 主網(wǎng)+子網(wǎng)的DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

操作員站、工程師站和歷史站掛接在主網(wǎng)上，并根據(jù)工藝系統(tǒng)劃分為幾個(gè)子網(wǎng)，全廠公用設(shè)備的控制分散到幾個(gè)子網(wǎng)中，整個(gè)DCS網(wǎng)絡(luò)與全廠公用系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，設(shè)備間的聯(lián)鎖控制可以直接實(shí)現(xiàn)，每個(gè)子網(wǎng)設(shè)一臺(tái)后備操作員站，在DCS主網(wǎng)故障時(shí)可以在后備操作員站對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。此配置的優(yōu)點(diǎn)是：全廠公用設(shè)備的監(jiān)控分散到各子控制環(huán)，將危險(xiǎn)分散，不會(huì)因控制系統(tǒng)故障造成全廠停機(jī)；在各控制子環(huán)上層有一個(gè)主環(huán)，所有公用設(shè)備之間的控制聯(lián)鎖可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；運(yùn)行人員通過主環(huán)上的操作員站對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)主環(huán)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障而操作員站無法操作時(shí)，還可以通過掛在子環(huán)上的備用操作員站進(jìn)行監(jiān)控?？傊?，該DCS配置方案在硬件、網(wǎng)絡(luò)和軟件功能方面協(xié)調(diào)運(yùn)行，增加了系統(tǒng)的可靠性和利用率，保證了動(dòng)力車間熱力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3 煤化工動(dòng)力車間工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工藝系統(tǒng)概況

某工程裝機(jī)規(guī)模4爐3機(jī)(4×470t/h高壓鍋爐、2×50MW抽凝機(jī)和1×30MW抽背機(jī))。全廠熱力系統(tǒng)采用母管制，主蒸汽、高壓工業(yè)供汽(4.80MPa供汽)采用雙母管，其他主要系統(tǒng)采用單母管。為保證汽輪發(fā)電機(jī)組故障和處于檢修工況時(shí)能夠保證化工區(qū)的供汽，熱力系統(tǒng)設(shè)置了對(duì)應(yīng)的減溫減壓器，保證任何工況下對(duì)化工區(qū)供汽量的穩(wěn)定。

3.1.1主蒸汽系統(tǒng)

每臺(tái)爐設(shè)兩根支管可分別供汽至兩根主蒸汽母管，每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組可分別從兩根主蒸汽母管供汽。

3.1.2給水系統(tǒng)

本期工程共配置5臺(tái)100%容量電動(dòng)給水泵，其中兩臺(tái)為液偶調(diào)節(jié)的變速給水泵，3臺(tái)為定速給水泵。其中兩臺(tái)帶液力偶合器電動(dòng)給水泵在機(jī)組啟、停和調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)使用。正常情況下兩臺(tái)100%流量的電動(dòng)定速給水泵和一臺(tái)100%變速給水泵運(yùn)行。

3.1.35.5MPa中壓蒸汽系統(tǒng)

中壓蒸汽正常情況下由30MW抽背機(jī)的中間抽汽提供，當(dāng)抽背機(jī)故障時(shí)，化工區(qū)的中壓蒸汽由主蒸汽減溫減壓提供。減溫減壓流量考慮一臺(tái)抽背機(jī)故障情況。1.60MPa低壓蒸汽正常情況下由30MW抽背機(jī)的排汽提供，單臺(tái)30MW抽背機(jī)最大供汽量為120t/h。當(dāng)抽背機(jī)故障時(shí)，由主蒸汽逐級(jí)減溫減壓提供，減溫減壓設(shè)計(jì)流量按一臺(tái)抽背機(jī)故障情況考慮。

3.2 機(jī)組運(yùn)行方式

3臺(tái)鍋爐設(shè)計(jì)為三用一備。50MW凝汽機(jī)和30MW抽背機(jī)組均按定壓方式運(yùn)行。化工區(qū)未啟動(dòng)之前，一爐兩機(jī)，背壓機(jī)不投運(yùn)?；^(qū)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，一爐兩機(jī)先穩(wěn)定運(yùn)行，另起1～2臺(tái)爐供化工區(qū)調(diào)試，化工生產(chǎn)穩(wěn)定后再投背壓機(jī)?；^(qū)正常后三爐三機(jī)運(yùn)行?？紤]一臺(tái)背壓機(jī)事故或檢修時(shí)，化工區(qū)需要的中低壓蒸汽由主蒸汽減溫減壓供給。

3.3 控制系統(tǒng)配置

本期工程共有4臺(tái)鍋爐，每臺(tái)鍋爐配置一套獨(dú)立的DCS，共配置4套。每臺(tái)鍋爐的DCS完成模擬量控制(MCS)、鍋爐爐膛安全監(jiān)控(FSSS)、順序控制(SCS)及數(shù)據(jù)采集(DAS)等，滿足鍋爐各種運(yùn)行工況的要求，確保鍋爐安全、高效和全自動(dòng)運(yùn)行。

除每臺(tái)爐設(shè)一套DCS外，另外配置一套鍋爐協(xié)調(diào)控制DCS，它與各臺(tái)鍋爐的DCS通過硬接線連接，通過控制主蒸汽母管的壓力，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)鍋爐的協(xié)調(diào)控制，確?；^(qū)用汽的壓力穩(wěn)定。鍋爐協(xié)調(diào)控制DCS還應(yīng)與汽輪機(jī)控制系統(tǒng)有硬接線聯(lián)系，當(dāng)汽輪機(jī)跳閘時(shí)，鍋爐能快速減負(fù)荷，以維持主蒸汽母管壓力的穩(wěn)定。本期工程3臺(tái)汽輪機(jī)、熱力系統(tǒng)、電氣共采用一套DCS。根據(jù)工藝系統(tǒng)劃分為幾個(gè)控制子環(huán)，除DCS主環(huán)上的操作員站可對(duì)各控制子環(huán)上的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控外，每個(gè)控制子環(huán)還設(shè)有掛在本子環(huán)上的操作員站，以提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4 控制系統(tǒng)硬件配置

3.4.1鍋爐DCS

鍋爐DCS網(wǎng)絡(luò)的布置如圖2所示，其中鍋爐DCS系統(tǒng)配置有冗余控制單元24對(duì)、操作員站9臺(tái)、工程師站5臺(tái)、多功能通信接口站一臺(tái)、歷史數(shù)據(jù)站10臺(tái)、模件柜24臺(tái)，電源分配柜兩臺(tái)；鍋爐協(xié)調(diào)DCS系統(tǒng)配置有冗余控制單元一對(duì)、操作員站一臺(tái)、工程師站一臺(tái)、歷史數(shù)據(jù)站兩臺(tái)、模件柜一臺(tái)、電源分配柜一臺(tái)。鍋爐DCS I/O信號(hào)見表1。

圖2 鍋爐DCS網(wǎng)絡(luò)布置

名稱DASMCSSCSFSSS除渣脫硝總計(jì)AI(4～20mA)6312444521822323RTD1821607242177K4729---581E-------DI70-2473969029832PI---4--4AO(4～20mA)-81-104196DO(220V(AC))--1711723714394DO(220V(DC))--1212--24

鍋爐協(xié)調(diào)DCS I/O信號(hào)和數(shù)量如下：

AI(4～20mA) 51個(gè)

DI 32個(gè)

AO(4～20mA) 32個(gè)

DO(220V(AC)) 8個(gè)

本工程中分散控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括：網(wǎng)絡(luò)柜(交換機(jī)等)、控制機(jī)柜(控制器、I/O模件及端子等)、擴(kuò)展柜(I/O模件及端子等)、電源柜(電源自動(dòng)切換裝置等)、操作員站、工程師站、歷史站、OPC接口站及打印機(jī)等。

每臺(tái)鍋爐DCS有10面機(jī)柜，鍋爐協(xié)調(diào)DCS有兩面機(jī)柜，各系統(tǒng)數(shù)量分布見表2。

表2 DCS機(jī)柜分配

3.4.2汽輪機(jī)除氧給水DCS

現(xiàn)將某企業(yè)的煤化工動(dòng)力車間汽輪機(jī)除氧給水DCS控制系統(tǒng)的1#～3#環(huán)的I/O信號(hào)列于表3。

表3 汽輪機(jī)除氧給水DCS 1#～3#環(huán)I/O信號(hào)

本工程汽輪機(jī)除氧給水DCS控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括：網(wǎng)絡(luò)柜(如交換機(jī)等)、控制機(jī)柜(控制器、I/O模件及端子等)、擴(kuò)展柜(I/O模件及端子等)、電源柜(電源自動(dòng)切換裝置等)、操作員站、工程師站、歷史站、OPC接口站及打印機(jī)等。汽輪機(jī)除氧給水DCS分散控制系統(tǒng)的配置如圖3所示，其中汽輪機(jī)除氧給水DCS機(jī)柜的分配見表4。

圖3 汽輪機(jī)除氧給水DCS分散控制系統(tǒng)配置

機(jī)柜名稱1#環(huán)DCS2#環(huán)DCS3#環(huán)DCS主環(huán)DCS控制柜5543繼電器柜11-1DEH機(jī)柜111-ETS機(jī)柜111-合計(jì)8864

3.5 控制系統(tǒng)配置說明

本工程實(shí)施時(shí)，由于招標(biāo)等原因，造成鍋爐和汽輪機(jī)除氧給水DCS采用不同廠家的設(shè)備，形成獨(dú)立的控制網(wǎng)絡(luò)，與筆者推薦的DCS配置不完全一致。但是在汽輪機(jī)除氧給水DCS的配置與推薦的DCS配置一致，各公用系統(tǒng)設(shè)備分配在各控制子環(huán)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的聯(lián)鎖控制。實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)安全性和實(shí)用性的統(tǒng)一。

4 結(jié)束語

某企業(yè)的煤化工動(dòng)力車間采用了靈活的DCS控制系統(tǒng)配置方案，既考慮了控制系統(tǒng)整體的安全性，又考慮其控制功能實(shí)現(xiàn)的方便性，更好地實(shí)現(xiàn)了煤化工動(dòng)力車間生產(chǎn)工藝系統(tǒng)安全、可靠的監(jiān)控運(yùn)行。該控制系統(tǒng)配置方案可推廣到工藝相似的工程中。