国产化DCS在燃机—蒸汽联合循环机组的应用

国产化DCS在燃机—蒸汽联合循环机组的应用

于淑慧

华电青岛发电有限公司  山东青岛  266000

摘要：对国内外三家电厂公司制造的F型燃油－蒸汽联合循环发电机组展开了详细的探讨，研究和比较了不同类型联合循环发电机组的技术优势。同时，对已投产的典型联合循环机组的经济效益进行了综合对比。比较结果显示，在国内投产的联合循环发电机组，对减少煤耗、提升资源效率、降低二氧化碳、硫化物的排放量，具有较明显效果。

关键词：DCS；一体化；公用网；辅控网

前言：清洁能源、高效环保，已经成为目前电力行业的首要宗旨。作为衡量一个国家电力制造业发展水平的燃气轮机，正在受到国内几大发电集团的重视。自国家发展改革委宣布启动燃气轮机电厂建设打捆招标工作开始，根据各自的开发特点，国内外三家大型电站设备公司的内燃机开发和技术引进工作已经历了八个年头。经过了多年的开发，在热端设备之外，三大电站设备公司也初步掌握了F型燃气涡轮发电机的核心技术并完成了国产化。

一、实例介绍

珠海横琴岛多联供煤气能源站工程将位于横琴岛的科技创新产业园区，首期2×（F级）煤气蒸汽联合系统设备和相应的热网设备已全部建成投产，目前各项工作参数基本完善。

（一）分散布置与集中控制

集控办公室位置在集控大楼的10米处，而工程人员办公室、电子实验室则布局在主厂房内。集控系统房间除设置了本期二台机组的所需监控装置外，还设置了3、4台机组操作员站位和操作盘位，由于220kV网络控制系统全部位于机组的集控系统房间，因此不再设有专用网络控制室。由于电子设备间接分散的考虑，每台机组还设有一个机岛电子车间、以及一个余电锅炉就的电子设备车间。机岛电子设备间在主厂区A排外性七点零五米。余热高温锅炉的电子设备间在主厂区E排外性零点零米，每台飞机主厂区和高压锅炉的辅助房之间[1]。

每套机组设备都配备了一组DCS，经过随机由岛主装置配供的发电机组TCS系统（Turbine Control System，燃机控制或透平系统，简写TCS）经过通信连接和局部硬连接与相应的DCS连接，从而形成了一种对联合系统设备实施集成控制的整体系统，其中，汽水系统、气泵旁路、余热燃煤锅炉、凝结水装置等的管理也都经过发电机组DCS系统完成。

另外，由二个机组共同建立了一个DCS公用网，主要承担汽水取样分析和加药控制系统、循环水加药控制系统、发电厂用电控制系统、调压站等公用部分的控制。

辅助车间控制也可通过DCS系统实现：四机公用间都安装了辅控网DCS，完成了压缩空气控制系统、锅炉补给供水装置、空气净化站、废水处理装置、中央空调控制系统等辅助监控系统的监控。

（二）组态配置

DCS实现系统的采集(DAS)、模拟量监控(MCS)、序列监控(SCS)、电力监控(ECS)、汽机数字电调(DEH)，并具备对其他系统（有各种数据通信接口）的监视功能，以适应不同操作工况的需要，并保证机械设备安全、有效地工作。

单位发电机组的循环给水泵房区域采用与DCS一体的远距离I/O站，进行远程I/O与管理器的连接利用冗余光纤，直通接入单位发电机组与DCS网络。

公用DCS的监控对象涵盖了电力公用控制系统、中央空调系统、取样和添加剂管理系统、循环水添加剂管理系统和煤气调压站[2]。

所有的辅助车间，如净化车间、锅炉及补给水处理车间、工业废水处理车间、生活污水处理车间、制氢车间、自启动锅炉区间等，都通过DCS系统进行管理。

每台发电机组，除MARKVIe、DEH、ETS、以及汽机本体辅助系统（包含汽机本身疏水、轴封、油控制系统等）的控制器之外，还配备有8套DCS控制器。二机共同配备了3套DCS控制器。辅助车间一共配备了六套控制台。

二、国产燃气蒸汽联合循环机组概况

目前，所有35万千瓦级（F级）联合循环发电机组中的汽轮机及其相应发电机均已全部国产化。但是，国内外燃气涡轮发电厂科技和生产发展较晚，所以三个重要电站设备公司均采用与境外企业合作进行工程项目招标和技术转让的方式门。其中，哈尔滨电力集团公司旗下哈尔滨动力设备控股公司和美国通用电气公司（GE）共同承担境内的火机电站和燃油－蒸汽联合循环发电厂建设项目。截至目前， HPEC已赢得了国内共计27台燃机的供货合同，见表1，国内市场占有率接近50%，处于国内领先地位。东方电力公司曾与日本三菱重工联合开展国内燃气轮机工程项目的国际联合招标。上海电气公司曾与德国西门子（Simens）电子公司合资。

（一）三大电气集团生产的联合循环电站重型地面燃机主要技术特点

经过调查和企业给出的资料（见表2）比较表明，目前三大电气公司的主要燃气轮机设备由于都是F型燃机系统，所以相应参数指标差别不大。值得一提的是，由东方电气公司所提供的F四系列新型燃气轮机在综合输出功率方面已经超过了312MW，是中国目前几家电厂能够供应的最强燃气轮机。不过，F4型燃机现在在国内没有建成电厂（北京高碑店电厂已经签订该机型采购合同），只在国外有投产电厂，具体运行状况并不清楚

[3]。

从F型燃机的性能参数分析可以发现，主要技术指标相似。从压比角度看，哈尔滨电力公司的九FA压比应较别人小一点。压比的尺寸大小直接影响着同体积发动机的通流流量多少，但真正的电流多少又与通流面积直接相关。东方汽车公司的F3和F4燃料室的工作温度都超过了一千四百℃，这对燃气轮机的加工端件的耐热要求就更高。除了M701F4以外，其他机型都是在国内有多台投产业绩的成熟机型，运行稳定。

（二）国内联合循环机组的国产化情况

目前，这三家大公司在消化吸收了外国先进企业燃气轮机核心技术的基础上，又在内燃机国产化上做出了较大的努力。就国产化程度而言，几家公司比较相近，都已经完成了除热端部分之外的所有其他火机设备的国产化。

经过调查后了解到，上述三家重要电站设备公司为联合大循环发电机组，匹配的发电机、汽轮机、余热锅炉在技术都已能够达到电厂的设计要求，并全部进行了国产化。这也降低了对目前的联合循环电站投入成本和后期维护费用。13联合循环电站的布置方法

在中国，目前比较普遍的燃油－蒸汽并联循环发电机组的安装形式，是一拖一单轴和二拖一分轴。就是一个燃料配合一套涡轮或二台燃机配合一个涡轮。就发动机的性能而言一拖一单轴的

安装使用较为稳定。不过要满足不同的需求。有一拖一多轴、三拖一多轴的排列方法。不管哪一种设计方法，都是为合理地使用已有资金最大程度地发展设备的效能而制定起来的。

（三）供热性能

目前，在大城市投产联合循环机组的主要目的是缓解这些地区的环境污染并且解决冬季供暖不足的问题。所以设备的供热性能是重要的参考点。此外，各个生产厂家也在根据不同电力企业的要求对于其产品进行相应的改进。

三、国产DCS的应用
（一）国产DCS的组成和功能
  以maxCHD系列为例，I/A系统的硬件主要由I/o卡件柜、配电箱、主机柜和PC组成。
1.配电柜：主要为各个卡片柜、主控柜，以及工业控制系统计算机等供应电力的接地系统，每个系统通常设有二组主供电源，一组来自厂内用电，另一组来自UPS，互为热备份，通常需要在系统正常送电时或周期性的进行测试，以保证在当前的电源失电的情况下，无延时的转换为后备供电，而且其UPS电力的续航时间也要足以让整个机组安全停运。
接地系统是个重要环节，无论哪两个机柜间都得绝缘。在配电柜内有一根到系统地母排的系统接地线和一根到系统信号屏蔽地母排的信号屏蔽地线，均接入独立地桩。
2.I/O卡片柜：按功能其包括高压锅炉、汽机、电气设备、汽机和电液控制系统（DEH）和公用部分，下挂的现场总线模件（FBM）是直接与现场过程数据相连的I/O模件，均属智能化模件。总体上分为数字量I/O和模拟量I/O。数字量为16通道，模拟量为8通道。
3.南自维美德在DCS系统软硬件国产化方面进行了应用研究，设计了多核心CPU任务优化调度算法，开发了过程控制站，提升运算能力和可靠性；优化基于国产芯片的I/O 模件设计，提高测量精度；研发了基于分区、高效索引、分页技术的大容量实时数据库，满足极端工况下数据处理需求；成功解决了国产DCS系统硬件测量精度低，软件计算周期长、运算能力和可靠性差的难点，在DCS系统软硬件的可靠性、稳定性指标有新突破，构建完整的自主可控工业控制平台，为实现电厂一体化应用提供技术支持。主要技术具体指标情况实现了了系统核心元器件和软件国产化率100%、整体国产化率大于95%，产品功能性能指标不低于国外同类产品。

（二）DCS程序控制

1.数据采集系统(DAS)：一般是对设备的数字实现控制，其中技术参数一般有模拟量，如热电偶的高温信息、电压变送器的压力信息等；开关量，如各种阀门的开关信号；制造流程中的一些输出工作参数。DAS可以图片方式展现系统流程及操作情况的工作参数；定期制表、事故追忆打印；在线对变化率、汽耗、最大最小值，平均值计算。通过DAS，操作人员能够完整地了解整个制作流程的情况。

2.MCS（模拟量控制管理系统）：其所有受控技术参数都是不断变换的仿真量，如气压、高温、流速、水位、频率、功率等，并产生控制指令，分别控制锅炉温度的所有子控制器和汽轮车所有的子控制器。

3.DEH（汽机数字电液控制系统）：具有汽机转速和负荷控制的功能，能实现机组启动冲转、升速、并网、负荷控制、停机等各种工况下的相关控制。

DEH还有强大的机械防护功效，在汽机某些关键技术参数严重超标，威胁机组安全时，可以用来防护和遮断机组。DEH以数字PC为控制器，控制信号通过电液切换机构或油动机的执行器实现。

4.BPS（汽机旁路控制系统）：由阀门、管道和控制执行机构组成的与汽机并联的蒸汽减温减压系统，用于启动或事故工况下将蒸汽不经过汽轮机而引入到下一级设备或凝汽器。

5.SCS（顺序控制系统）：是控制系统机械设备的启停的关键控制系统。通常的开关都是被控对象如泵、阀等有两个工作位置，可是因为这种装置很多，在机械设备的启停过程中，就需要按照特定的工作流程完成作业，而且操作力量很大，操作步骤复杂，人工操纵也是不可以的。SCS系统是为了完成对具备稳定运行状态的工艺装置实施控制的一种制度。一台先进的发电机组，关于保障设备安全性、经济运行中的那些重要的，包括对辅机、辅助装置的监控，以及电气设备的连锁维护管理等均涉及这一领域。

（三）DCS和PLC的协调控制

燃机PLC控制器与余热锅炉及一汽机DCS控制器相对独立，就如炉跟随机控、热机随炉控、机炉协调控制等一样。不同的是，在其中，火机可以想象成作为余热锅炉的燃煤单元，而燃烧室则是高温烟气，与这二者连接的各种重要信息可以通过硬连接由微机控制器（MARK-V）接入DCS接入微机控制系统(MARK-V)，而其他信息则通过Modbus和DCS进行单向交流。

结论：本文阐述了DCS在燃机一蒸汽联合循环电站中的应用，虽然DCS的厂商不同，相应的软硬件也不同，但总体的基本概念是一样的。通过理解与运用，使得整个机组能按照需要，切实履行整个电力生产过程自动化，从而确保机组的安全性、可靠性和经济性。

参考文献：

[1]高嵩,任博涵.H级燃机在燃气-蒸汽联合循环供热机组中的选型研究[J].电气技术与经济,2021(02):1-3.

[2]谷伟.双轴燃气蒸汽联合循环机组的DCS控制方式研究[J].工业控制计算机,2020,33(10):20-22.

[3]叶放.燃气-蒸汽联合循环机组技术监督体系和燃机设备日常工作的讨论[J].内燃机与配件,2019(20):197-198.