火电厂辅助车间系统集中控制方案探讨文档格式.docx
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控制系统设备型式多样性,生产维护不够方便。
同时,辅助车间的控制方式采用车间集中控制方式,这也存在着许多缺点:
各辅助车间都设有控制室,每个车间都需要固定的数名运行值班员,不仅运行管理不能集中,而且造成暖通等附属设施设置繁多,也需要增加相应的建筑设施,从而造成人力、物力资源的浪费。
发达国家火力发电厂控制目前已基本达到全厂管控一体化的阶段,如德国尼德豪森电厂、德国黑泵电厂、日本矶子电厂等均采用机炉电及辅助系统集中监控方式,两台机组和辅助系统合用一个控制室。
进入21世纪以来,随着国内电力体制改革,实行"
厂网分开、竟价上网"
已成为发展趋势,我国工业系统也正从盲目的大而全逐步间内部挖潜,提高经济效益的方同发展。
趋势表明,我国电力企业主要会从两个方面着手,一是提高工艺设备本身的经济性及可靠性,二是实现减员增效。
当前,电力系统开展了设备达标、创一流活动,设备的经济性和可靠性有明显提高,与国外电站主要的差距逐渐从设备水平上转向庞大的员工队伍,因而减员增效成为各电厂的奋斗目标。
近年来,国内大型机组(60OMW——1O00MW)火电厂的对辅助车间的控制和管理提出了新的要求。
若仍按照以前的做法,则是较为分散的控制室,这样不易于管理,控制室运行人员工作量偏少,总体人员数偏多;
各个控制系统大都采用不同的硬件和软件,给备品备件管理、人员培训及维护等造成了一定的难度,客观上对电厂管理工作造成了压力。
针对大型火电厂辅助车间控制点多的特点,要实现减员增效,只有采用集中控制方式,并在控制策略上精心研究,不断采用新技术,使复杂工艺简单化,这样才能提高自动化程度,逐步减少运行人员,降低投资及运行成本。
鉴于2000年示范电厂模式设计的要求以及在新版火力发电厂设计技术规程中明确提出:
"
火电厂相邻的辅助生产车间或性质相近的辅助工艺系统宜合并控制系统及控制点,辅助车间控制点不宜超过三个(输煤、除灰、化水),其余车间均按无人值班设计"
。
因此,实现全厂辅助车间集中控制,甚至全厂集中控制也是顺应时代的发展。
从技术角度看,随着计算机控制技术、计算机网络技术、计算机软件技术和大屏幕技术的迅速发展,特别是以工业以太网为代表的网络技术已经在工业控制的应用中取得了良好的效果,为当前辅助系统采用集中控制方案创造了充分条件。
随着自动化装置和控制系统的发展大趋势,近年来,热工自动化技术也得到了迅速发展,一些老厂已经着手进行水、灰、煤集中控制的改造;
新建电厂从早期设计阶段就已经开始考虑辅助车间集中控制方案并逐步予以实施。
为了适应时代的发展,实现辅助车间集中控制,已经成为火力发电厂辅助系统控制的方向。
三、各辅助车间系统分析
3.1大型火电厂辅助车间的控制系统主要包括
循环水泵房控制:
循环水泵房包括循环水泵、旋转滤网和冲洗水泵等,有少量工艺设备和过程测点。
其I/0点不多,控制要求高,与机组运行管理有关系。
脱硫单元机组控制:
脱硫单元机组控制包括烟道系统、烟气吸收系统、吸收塔系统和浆液疏排系统等,有较多的工艺设备和过程测点。
其I/0点多,控制要求高,与脱硫公用部分有联系,与机组运行管理有一定关系。
脱硫公用部分控制:
脱硫公用部分包括石灰石的输送和制浆系统,有较多的工艺设备和过程测点。
其I/0点多,控制要求高,与脱硫单元机组部分有联系,与机组运行管理有一定关系。
空压站控制:
空压站为主厂房设备提供可靠的仪用和检修气源,包括空压机及其干燥器、储气罐及阀门等。
其工艺系统简单,I/O点较少,与机组运行管理关系较为密切。
燃油泵房控制:
燃油泵房设备远离厂房,是一个独立的生产车间。
其I/0点较少,与机组的控制关系较为密切,可靠性要求也较高。
凝结水精处理系统控制:
凝结水精处理系统大多由高速混床、再循环泵和公用再生系统的阳、阴树脂分离再生罐、树脂存储罐、混脂罐及酸碱设备、冲洗水泵等组成。
系统中的设备大都是周期性工作的,需要定期对他们进行还原或再生。
其I/0点较多,控制水平要求较高,与机组运行管理无密切联系。
全厂性公用水系统控制(包括锅炉补给水、工业废水、综合水泵房、循环水加氯间等):
锅炉补给水系统(反渗透)包括超滤预处理系统、一级反渗透系统、二级反渗透系统、电除盐系统、除盐水储存系统等。
其I/0点多,控制要求高,与机组的控制有少量联系。
废水系统一般包括废水贮存池、输送泵、加药设备、计量设备、风机等。
废水系统工艺系统简单,I/0点较少,与机组的控制无密切联系。
综合水泵房包括工业水泵、消防水泵、生活水泵等。
其I/0点不多,控制要求不高,除工业水泵与机组运行有联系外,其余水泵与机组控制无密切联系。
循环水加氯系统I/0点不多,控制要求不高,与机组的控制无密切联系。
制氢站控制:
制氢站I/0点不多,控制要求不高,一般控制系统随主设备一起成套配供,与机组的控制无密切联系。
除灰渣控制:
除灰系统包括除灰空压机系统;
电除尘器下的灰斗,仓泵,输送风机,流化风机及加热器,灰库及其附属设备,输送管道,气动阀门等。
其工艺系统复杂,I/0点多,控制水平要求高,与机组运行管理关系较为密切,也有相对独立性。
除渣系统包括炉底渣设备,公用水设备(如浓缩机、冲洗水泵)等。
其工艺简单,I/0点不多,控制水平要求高,与机组运行管理关系较为密切,也有相对独立性。
输煤控制:
该系统控制、检测主要对象为:
皮带机、斗轮堆取料机、碎煤机、除铁器,滚轴筛、取样装置、犁煤器、电子皮带称以及皮带机的保护等。
输煤系统与其它辅助系统相比,设备分散,分布面广。
其工艺复杂,I/O点多,控制水平要求高,与单元机组运行管理无密切联系。
3.2辅助车间系统集中控制典型方案介绍
通过上述对大型人电厂辅助车间和附属生产系统的分析,遵循辅助车间控制的发展方向,同时根据不同的辅助系统的工艺特点、相互关系、地理位置以及电厂的管理等情况进行分析,我们提出三个典型的辅助车间集中控制方案。
3.2.1辅助车间系统集中控制方案一
本方案的网络概貌图如下:
该方案具有以下特点:
全厂辅助车间的控制系统(包括脱硫控制系统)组成一个完整的辅助系统集中控制网络,使全厂自动化控制系统的结构清晰、功能明确。
根据辅助系统的地理位置不同,在灰、渣、输煤、脱硫区域设置一对冗余分支交换机,在燃油、水系统区域设置一对冗余分支交换机,各辅助车间系统就近接入辅助系统集中控制网络,使辅网的网络连接更为简洁,既能减小网络的敷设施工量也可以使光缆的长度减少。
运行人员可在集中控制室内的辅助系统集中控制网络操作员站上对各系统进行集中监控。
由于辅助车间设备分散,分布面广,为了系统调试和启动初期方便,在就地预留了各辅助系统的工程师站接口。
在网络故障和初期调试时,可使用便携式工程师站在就地调试、操作。
整个辅助控制系统具休设置如下:
辅助系统集中控制网络采用冗余以太网,设置两台互为冗余的实时数据库服务器,设一台辅网工程师站,在集中控制室中设置5台操作员站。
循环水泵房现场无人值班,其监控功能由单元机组的DCS控制系统实现监测、联锁和遥控启停功能。
脱硫系统控制:
脱硫系统控制采用冗余PLC控制,纳入辅助系统集中控制网络。
控制机柜设置在脱硫综合楼,就地不设控制室。
空压站现场无人值班,空压机及无热再生干燥装置均自带程控,压缩空气系统在此基础上,分别由两台机组的公用DCS控制系统实现监测、联锁和遥控启停功能。
纳入辅助系统集中控制网络,采用冗余PLC系统实现对油泵房系统的控制。
控制机柜设置在燃油泵房内,就地不设控制室,无人值守。
虽然以往大多工程采用远程I/0将其纳入#1、2机组DCS公用网络并且仅在机组操作员站上监控,但在#1、2机组全部停修时将无法监控,将对以后扩建的机组运行产生影响,因而采用独立的PLC系统并设在全厂性的辅助网络上更合理。
纳入辅助系统集中控制网络,采用冗余PLC系统实现对凝结水精处理系统的控制。
控制机柜设置在主厂房内公用电子设备间,就地不设控制室,无人值守。
取样加药系统作为凝结水精处理控制系统的远程I/0。
全厂性公用水系统控制:
锅炉补给水系统、工业废水处理系统、综合水泵房均纳入辅助系统集中控制网络,采用PLC控制。
控制机柜设置在各自车间,就地不设控制室,无人值守;
在全厂性公用水系统内的子系统还可适当采用远程I/0,共用PLC。
纳入辅助系统集中控制网络,采用PLC控制。
就地不设控制室,无人值守。
除灰渣系统控制:
纳入辅助系统集中控制网络,采用冗余PLC系统实现对气力除灰系统、除渣系统等的控制。
控制机柜设置在除灰设备间,就地不设控制室。
输煤系统控制:
纳入辅助系统集中控制网络,采用冗余PLC系统实现对输煤系统的控制。
控制机柜设置在输煤配电间,就地不设控制室。
3.2.2辅助车间系统集中控制方案二
本方案的网络概貌如下:
全厂公用性辅助车间的控制系统组成一个完整的辅助系统集中控制网络;
使全厂自动化控制系统的结构清晰、功能明确。
根据辅助系统的地理位置不同,在灰、渣、输煤、脱硫区域和燃油、水系统区域分别设置一对冗余分支交换机,各辅助车间系统就近接入辅助系统集中控制网络,使辅网的网络连接更为简洁,既能减小网络的敷设施工量也可以使光缆的长度减少。
整个辅助控制系统具体设置如下:
辅助系统集中控制网络采用冗余以太网,设置两台互为冗余的实时数据库服务器,设一台辅网工程师站,在集中控制室中设置4台操作员站。
同方案一。
这里需要特别说明的是,脱硫系统作为一个新型环保技术,近几年来才在火电厂的建设中大量应用。
在常规的电厂设计中,脱硫系统的设计时间上相对比较滞后,并且总是作为一个独立的系统与全厂其它系统相隔离,工艺系统和控制采用捆绑式整岛招标,整个脱硫系统控制在脱硫岛内采用单独的DCS控制,设有独立的控制点,并且大多与除灰渣、电除尘等合并控制室。
随着我国对环境保护的要求越来越高,脱硫系统已经作为火电厂必备的设备,在新建电厂中其设计和建设与全厂同步。
同时由于近几年脱硫系统的使用,火电厂对脱硫系统的熟悉和掌握也已经越来越深入,再将脱硫系统作为一套独立系统考虑就显得不尽合理。
我院2001年设计的深圳西部电厂在设计期间就规划将后期投入的脱硫系统纳入机组DCS系统,脱硫控制成为DCS系统的远程控制站,由单元机组的操作人员监控,现已顺利投运。
该电厂采用的是海水脱硫系统,将其控制纳入机组DCS是完全合理的。
而内陆大部分火电厂均采用湿法脱硫系统,工艺系统比较复杂。
但经调研,实际投运的湿法脱硫系统,其运行值班人员的工作量也主要集中在海水脱硫系统所没有的脱硫公用部分。
从运行管理角度讲脱硫系统公用部分与除灰渣系统性质相似(即物料输送和处理功能),因此脱硫公用部分与除灰渣系统一起纳入辅助系统集中控制网络有利于系统运行管理;
而脱硫单元系统纳入机组DCS控制,基本不增加机组运行人员的劳动强度,也有利于当前实现机组全能值班员管理模式。
所以在本方案中,将脱硫系统分解为单元机组部分和公用部分,其单元机组部分(烟气系统、S02吸收系统、氧化空气系统)作为与机组运行密切相关的系统由机组DCS控制,其公用部分(石灰石浆液制备系统;
浆液排放与回收系统、石膏脱水及输送系统、工艺水系统等)由辅网PLC控制。
控制机柜设置在脱硫综合楼,就地不设控制室。
3.2.3辅助车间系统集中控制方案三
依照现在较普遍采用的脱硫系统建设管理方式,脱硫系统采用独立的DCS系统;
由于输煤系统控制不论地理位置还是功能要求,均相对独立于其它系统,因此可单独组网,同时兼顾到输煤系统由于分布面广,正常运行需要现场干预较多,故将输煤系统的两台操作员站设置在独立的输煤控制室内,输煤控制系统可通过专设的分支交换机接入辅助系统集中控制网络,操作人员也可在控制室通过辅助系统集中控制网络对其进行监控。
除输煤系统外其它辅助车间控制系统组成一个辅助系统集中控制网络。
根据辅助系统的地理位置不同,在灰、渣区域和燃油、水系统区域分别设置一对冗余分支交换机,各辅助车间系统就近接入辅助系统控制网络,使辅网的网络连接更为简洁,既能减小网络的敷设施工量也可以使的光缆的长度减少。
运行人员可在集中控制室内的各辅助系统网络操作员站上对各系统进行集中监控。
由于辅助车间设备分散,分布面广,为了系统调试和启动初期方便,也在就地预留了各辅助系统的工程师站接口。
除煤系统外其它铺助系统控制网络的操作员站均设置在集中控带室,运行人员可在操作员站上对所属系统进行集中监控。
同时在就地预留了各辅助系统的工程师站接口。
输煤系统操作人员通过设在就地输煤控制室内的操作员站完成输煤系统的监控。
该辅助控制系统具体设置如下:
辅助系统控制网络采用冗余以太网,设置两台互为冗余的实时数据库服务器,设一台辅网工程师站。
在集中控制室中设置3台操作员站,输煤控制室设置两台输煤系统操作员站。
烟气脱硫系统及其公共系统采用一套单独的分散控制系统(DCS)控制。
两台机组的脱硫系统FGD,DCS的硬件及电源配置相互独立,当一台机组检修停运时,不会对整个FGD,DCS和另外一台机组脱硫装置及公用系统的正常运行造成影响。
脱硫控制系统的操作员站设在集中控制室内。
控制机柜设置在脱硫综合楼,就地不设控制室。
相关信息通讯至SIS系统。
采用独立的冗余PLC控制系统,通过设置在输煤控制室内的输煤操作员站实现对输煤系统的控制。
控制机柜设置在输煤配电间。
3.3集中控制方案可行性分析
3.3.1外部条件
本文所提出的三个辅助车间系统集中控制方案,都涉及到控制点合并,在集中控制室内完成单元机组及辅助系统的监控。
控制点能不能合并,与工艺系统的运行方式及工艺系统中所选用的被控设备是否能满足控制要求有着密切的关系,工艺系统提供必要的条件(例如工艺系统尽可能的简化和选用可控性好的优质设备等)是提高自动化水平、合并控制点的前提。
从近几年设计并已投产的工程情况来看,辅助系统被控设备能够具备较好的可控性和可靠的反馈信号,已可以满足远方控制或程控要求。
在当前的大型火电厂工程的设计中,各工艺专业对工艺系统不断进行优化,而在被控设备的选型上也给予了高度的重视。
从另一方面看,工艺系统即便发生单一设备或局部系统故障,基于运行人员能及时发现故障,使得检修人员有足够的时间及时排除故障。
再者,一些工艺系统的某些环节或全过程是允许中断或不需要连续运行的,这也使得这些工艺系统的集中监控成为现实,同时也使得相应工艺专业不需要一味选取价格昂贵的被控设备去满足全厂集中监控的自动化水平要求,而可以根据系统运行特点做到有的放矢,以期达到目的。
而在厂区总平面的布置上,当前的设计基本上遵循减少占地面积、降低工程造价的原则,整体布置非常紧凑,同时可根据控制点集中的需要尽可能将各辅助系统相关工艺设备相对集中布置,为集中巡视创造了条件。
气力除灰系统、电除尘系统、脱硫系统相对集中布置;
输煤系统的控制设备间也紧邻脱硫综合楼;
水系统从主体上看分为两部分:
主厂房零米集中布置了凝结水精处理、汽水分析、化学加药设备,主厂房外以补给水处理车间为中心相对集中布置了综合水泵房、工业废水处理系统等,集中了水务区的主要工艺系统,制氢站也布置在附近,巡视比较方便。
由此可见,控制点合并的外部条件在实际工程应用中基本可以得到满足。
3.3.2控制设备
要实现控制点的合并进而实现全厂辅助系统的集中监控,还需要选用适当的控制设备,组成合理的控制系统。
辅助系统的控制设备可采用PLC或DCS。
从单一辅助系统的工艺特点来看,成组的、有时序的开关量控制占绝大多数,且不需要像单元机组那样大量的数据计算,选择PLC进行控制更合适。
从当前系统价格情况看,目前采用PLC比采用DCS构成同样规模的控制系统仍可节约投资。
二十世纪八十年代末期,PLC+CRT形式的监控系统已开始在电厂辅助系统的控制中采用,逐渐地多数电厂主要辅助系统的程序控制均由PLC实现,并积累了丰富的工程经验。
随着PLC硬件和软件的迅速发展,不断更新换代,具备了较强的网络支持能力,完全可以满足组建辅助系统控制网络的要求。
在电厂应用较多的PLC品牌有SIEMENS、MODI-CON、A-B、GE等,这些产品质量可靠,在电厂输煤、气力除灰、锅炉补给水、凝结水精处理等大型控制系统中已有过许多成功运行经验。
随着网络应用的发展,各硬件生产商都推出了支持开放标准网络的产品,可提供成熟、可靠的网络接口,能支持多种网络协议,可以方便地组成网络控制系统。
与此同时,一些电厂为了节俭运行人员,已经成功地完成了辅助系统的分区集中监控改造,如分别组成水、煤、灰网络,并在此基础上规划或已实现通过核心交换机组成全厂辅助系统集中监控网络。
这使得实现辅助系统的集中监控已经不再是理论方面的纸上谈兵。
3.3.3控制点设置
在采用基于DCS或PLC的网络控制系统进行辅助系统监控后,需要根据各系统工艺的复杂程度、测点的多少、工艺设备的布置情况,综合考虑控制系统的可靠性要求及网络的数据传输能力,选用合理的控制系统配置方案。
其中包括如何合理设置控制点,以及应采用何种控制系统结构的问题。
辅助系统控制点的设置可集中于一点或直接采用机组的DCS进行控制,也可将全厂辅助系统按煤、灰、水分区设置。
全厂输煤系统可作为一个整体进行统一规划设计;
灰、渣系统无论工艺特点还是物理位置均比较接近,作为一个分区控制点有利于统一协调,而且其地理位置靠近主厂房,控制点设在集控室不会影响该系统的监控运行;
水系统则需划分为二个部分:
一是由机组DCS系统控制的循环水泵房,二是厂区内由PLC网络控制的补给水处理、凝结水精处理及树脂再生系统、厂内净水站、工业废水处理、汽水分析、化学加药设备等。
对水系统来说,在补给水处理车间设置水系统分区控制点与在集中控制室设置辅助系统集中控制点没有什么区别。
另外,还有脱硫系统,随着环保对电厂排放的要求日益提高,以前脱硫单独成系统,并可在机组运行时旁路的运行方式已经无法满足环保的实际需求,这使得脱硫系统与机组的运行有了更密切的联系,将其与机组DCS和辅助系统控制合并已将是必然趋势。
按照2000年示范电厂模式,水、煤、灰、脱硫系统分别设置控制室。
若按每个控制室20~30m2面积、每值设置2-3个操作人员5班3值计算,辅助系统共需要80-120m2的控制室面积,需要运行人员更多达40-60人。
采用辅助系统集中控制后,由于辅助系统控制点与机组控制点合并,位于集中控制室,就节省了原辅助系统的80-120m2的控制室面积以及相应的配套设备(如暖通、消防、照明等)费用,同时辅助系统运行人员也由原来的多达近60人减少到10-15人。
如果每位运行人员年工资奖金依据7万元/人算,每年至少可节省200万元以上。
就总休规划而言,设置全厂统一的辅助系统集中控制点比设置分区控制点更为合理。
3.3.4控制系统结构
辅助系统的DCS或PLC控制方案,根据DCS或PLC是否分散及是否采用远程I/O,可以有如下四种构成形式:
——集中DCS或PLC+本地I/O
——分散DCS或PLC+本地I/0
——集中DCS或PLC+远程I/O
——分区集中DCS或PLC+远程I/0
集中DCS或PLC+本地I/0的形式在以往的工程中应用最多,比较可靠,但控制电缆及其安装费用较高。
分散DCS或PLC+本地I/0的方案可以有效地减少控制电缆及其安装费用,且从理论上讲分散了故障发生的可能性,但由于分散到各辅助系统的DCS或PLC规模较小且各自的控制内容及其重要性差别较大,不便于采取必要的冗余措施,同时使DCS或PLC的功能配置受到限制。
采用远程I/O的方案(集中DCS或PLC+远程I/0、分区集中DCS或PLC+远程I/0)可以较好地克服这两种方案的缺点。
集中DCS或PLC+远程I/0的形
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