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600MW直流锅炉DCS控制系统分析与研究
引言
随着单机发电容量的增大和电网容量的迅速扩大,我国已进入大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。
并且由于300MW、600MW及以上大容量、高参数机组的新技术发展迅速,装机数量日益增多,机组对热工自动化水平的要求越来越高。
另外由于微电子技术的迅猛发展,大型自动化装备的现代化程度快速提高,促使大型火力发电厂现代热工自功化技术发展迅猛。
20世纪70年代中期,以计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、控制技术(Control)和显示技术为基础的计算机分散控制系统(DCS—DistributedControlSystem)的问世和其技术的日臻完善,分散控制系统广泛应用于大型发电机组的自动控制中,并将热工自动化水平推上了崭新的台阶,取得了十分显著的经济效益和社会效益。
我国建国以来,随着机组容量的增大,参数的提高,对于机组安全经济运行的要求越来越高。
火电厂的自动化系统迅速发展,其功能已从单台辅机和局部热力系统发展到整个单元机组的监测与控制,并且随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网发展的要求,火电厂热工自动化的功能正和电网调度自动化相协调,以实现电网的自动化。
由于DCS具有可靠性高、系统配置灵活、使用维护方便等特点,新建大机组均采用分散控制系统,这不但保障了设备安全、提高了机组经济性、减轻了劳动强度、改善了劳动条件,而且为先进控制方法在热工过程控制中的应用提供了便利的条件。
DCS的结构按纵向划分,可分为过程控制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级。
随着可编程控制器(PLC)性能不断完善,其在DCS中得到了广泛的应用。
近期又发展了新的全开放、全分散、可操作的系统—现场总线控制系统(FCS),已开始应用于DCS的过程控制层。
目前DCS的功能不断向上、下2个方向延伸,向上延伸到SIS,向下延伸到FCS,使DCS彻底分散。
由于开放式结构、集成技术以及工业控制出现的大统一趋势,极大地影响并推进了分散控制系统的发展。
因此分散控制系统的发展趋势是:
(1)系统概念进一步拓宽
分散控制系统的概念进一步拓宽,既包括传统分散控制系统厂家推出的新一代系统,也包括由PLC、通用网络构成的系统。
(2)朝开放化、控制与管理一体化方向发展
工厂自动化要求各种设备(包括计算机、分散控制系统、PLC和单回路调节器等)之间相互通信,以形成个人系统。
这就要求分散控制系统的通信向开放化和标准化方向发展,即采用为世界各国所接受的标准化协议。
无法与其它系统通信的分散控制系统将很难具有生命力。
开放化与标准化使得面向控制的分散控制系统与面向生产调度与管理的管理信息系统MIS可以互相传递信息,出现了将分散控制系统与管理信息系统集成在—起的计算机集成制造系统CIMS和计算机集成过程控制系统CIPS,这些系统使工厂自动化水平大大提高、形成现代工厂的计算机控制与管理一体化。
(3)现场总线技术的应用,使体系结构进一步分散化
智能仪器、智能电子设备的大量采用,现场总线技术的逐步成熟,将使分散控制系统的体系结构进一步分散化,直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备。
(4)发展集成分散控制系统
近年来,计算机控制系统出现了系统集成的新概念。
即将不同厂家生产的、具有标准化通信协议的各类工作站、CRT操作站、计算机等都作为以微处理器为基础的数字设备,用标准化的网络,按系统优化及价格效能原则构成能完成特定控制和管理任务的集成分散控制系统。
PC机功能越来越强,价格越来越低,致使分散控制系统厂家纷纷采用PC机构建系统。
PC机在分散控制系统中的应用,极大地提高了系统的功能和性能,尤其是软件资源、网络支持、图形处理能力方面。
(5)采用人工智能技术
人工智能特别是知识库和专家系统将广泛应用于分散控制系统:
从直接控制级到工厂经营管理级,从而实现智能PID自整定控制,智能人机接口,智能实时数据采集,专家故障诊断,生产计划和调度专家系统,过程优化专家系统,控制系统LAD专家系统,仿真培训专家系统,智能在线维修等。
第一章火电厂热工自动化概况
1.1火电厂热工自动化简述
火电厂热工自动化是指在无人直接参与的情况下,通过自动化仪表和自动控制装置(包括计算机和计算机网络)完成火电厂热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护。
它是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳动条件的重要技术措施。
由于微电子技术的迅猛发展,大型自动化装备的现代化程度快速提高,促使大型火力发电厂现代热工自功化技术发展迅猛。
600MW及以上大容量机组的特点是监视点多、参数变化速度快和被控对象数量大,因此,大型发电机组必须采用完善的自动化系统。
[1]
20世纪70年代中期,以计算机技术(Computer)、通信技术(Communication)、控制技术(Control)和显示技术为基础的计算机分散控制系统(DCS—DistributedControlSystem)的问世和其技术的日臻完善,分散控制系统广泛应用于大型发电机组的自动控制中,并将热工自动化水平推上了个崭新的台阶,取得了十分显著的经济效益和社会效益。
随着我国经济的发展,能源形势日趋紧张,对于火力发电行业发展大容量、高参数的大型机组己经成为首选。
现代化大型发电机组有下列一些特点:
[2]
(1)热力系统庞大,生产过程复杂。
单元机组的各个生产环节之间有着密切的联系,各局部生产过程之间的状态相互影响较大,而且各主要生产设备的动态特性之间存在着很大的差异,它们对负荷指令的响应速度是不一致的。
(2)由于单机容量大,它的辅机和辅助设备数量多,容量大,结构也复杂。
(3)生产工况变化多、操作频繁和复杂。
大机组需要监视的测点数量相当多,特别是在机组的起停和事故处理过程中,机组处于不稳定的状态下工作。
各种参数不断迅速变化,在同一瞬间需要同时进行几个参数的监视和操作,甚至有时要求运行人员在几分钟内完成几十个操作动作,稍有贻误就容易造成重大事故。
(4)大型机组的控制对象和参数多,控制机构多,各种扰动也多。
一些参数之间是相互关联着的,一个控制机构动作,会影响很多被控参数变化。
1.2DCS控制系统在火电厂的应用概述
随着单机发电容量的增大和电网容量的迅速扩大,我国已进入大电网、大机组、高参数、高度自动化的时代。
由于300MW、600MW及以上大容量、高参数机组的新技术发展迅速,装机数量日益增多,机组对热工自动化水平的要求越来越高。
国内300MW及以上火电机组已普遍采用DCS(DistributedControlSystem,分散控制系统),提高了运行的安全性和经济性。
分散控制系统(DCS)因能充分体现分散控制与集中操作管理的思想,并以先进的技术、丰富的控制功能、友好的人机界面和愈来愈可靠的工作性能等优势,近年来占据了大、中型火力发电机组机炉主控的自动化领域。
单元火电机组集控运行,开始主要是DAS、MCS、SCS和吹灰程控,对于炉膛安全保护(FSSS)和汽轮机数字电液控制(DEH)等安全和快速性要求很高的系统,尚不能覆盖。
随着DCS应用于火电厂各工艺过程及各系统的研究和实践不断深入,DCS硬件和系统软件得到不断的开发和升级,FSSS、DEH、SOE等才逐渐由DCS组态实现,使机、炉的主要设备和系统均处于DCS的统一监控管理之下。
对于电气系统,将其纳入DCS进行监控,有利于实现机、炉、电一体化控制而成为一种趋势。
目前,除发电机保护以外的电气控制也已开始纳入了DCS。
DCS的应用为电厂利用现场实时数据建立高层次的管理决策系统(MIS和SIS)提供了可能。
[3]
20世纪80年代中期,我国开始随进口的大型火力发电机组引进具有国际先进水平的分散控制系统,如美国西尾公司WDPF,贝利公司的Network—90和INFI—90,日本日立公司的HIACS—3000等。
主要用于火电厂局部自动化系统的实现,如协调控制系统(CCS)、数据采集与处理系统(DAS)、汽轮机数字式电液控制系统(DEH)等。
目前,DCS在大型火力发电机组中得到了普遍的应用,并覆盖了整个发电机组的所有自动化功能。
DCS的应用大大提高了我国热工自动化的水平。
近几年随着现场总线技术的兴起,DCS制造商也吸收采纳了现场总线技术。
目前所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口,可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。
在国外大型火力发电厂己经应用了现场总线技术,最典型的应用是德国尼德豪森电厂2×950MW机组的DCS系统。
整个机组的DCS系统中由于采用了PROFIBUS现场总线技术,实现了现场设备智能化,设备状态和状态信息都能通过总线传输到OCS系统中,是目前全球范围智能化程度最高,采用总线技术最全面,装机容量最大的机组。
在国内有极少数新建电厂在局部系统采用了现场总线设备。
可以预见,未来几年现场总线技术将大型火电机组中得到广泛应用。
[4]
第二章直流锅炉简介
直流炉中的工作介质是强制性一次流过的,所以蒸发受热面可以较自由地布置。
蒸发受热面的不同布置方式是本生型、拉姆辛型和苏尔寿型三种直流炉炉型主要区别的标志之一。
2.1直流炉的工作原理[5]
直流锅炉与汽包锅炉的区别在于汽水流程的不同。
为了更清楚地说明直流炉的工作原理,先简单介绍一下汽包锅炉的工作原理。
汽包锅炉的汽水流程如图2-1所示。
给水由给水泵经省煤器进入汽包,是一次流过的。
汽包中的水经下降管进入水冷壁(蒸发段),加热后部分水蒸发,产生的汽水混合物上升到汽包,进行汽水分离。
分离出的蒸汽经过加热器进一步加热后,进入汽轮机做功;分离出来的水经下降管流回蒸发段再次吸热、蒸发……;如此反复循环。
汽包、下降管和水冷壁组成了炉水循环小回路。
在这小回路里,炉水循环的动力并非来自给水泵,而是基于重力作用下下降管逐水的密度与水冷壁受热面里汽水混合物的密度差造成的压力差,即形成自然循环。
图2-1汽包锅炉汽水流程示意图
汽包锅炉的循环倍率K用下式表示:
K=W/D
式中W——进入水冷壁的水流量
D——水冷壁出口的蒸汽量
汽包锅炉的循环倍率一般为10—30,不同负荷时循环倍率也不同,负荷越低,
循环倍率越大。
汽包锅炉的蒸汽压力由燃烧率和汽轮机调节汽门来控制。
汽包把整个锅炉的汽水流程分隔成三部分,即加热段(省煤器)、蒸发段(水冷壁)和过热段(过热器)。
这三段受热面面积的大小是固定不变的。
汽包除作为汽水的分离装置外,其中的存水和空间容积还作为燃水比失调的缓冲器。
直流锅炉没有汽包,工质一次通过蒸发部分,给水泵强制一定流量的给水进入炉内,一次性流过加热段、蒸发段和过热段,然后去汽轮机。
它的循环倍率始终为1,与负荷无关,如图2-2是其汽水流程示意图。
图2-2直流炉汽水流程示意图
直流锅炉的特点是在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点,水在受热蒸发面中全部转变为蒸汽,沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。
给水泵出口水压通过上述三段受热面里的工质,直接影响出口汽压。
所以直流炉的汽压是由给水压力、燃料流量和汽轮机调节汽门共同决定的。
直流炉汽水流程中的三段受热面没有固定的分界线。
在不同负荷时,由于给水温度变化等原因,使三段受热面的吸热量分配比例及与之有关的三段受热面面积之间的比例都发生了变化。
2.2直流锅炉的基本特点[6]
直流锅炉的基本特点分为:
本质特点,蒸发受热面中的工质流动过程特点,传热过程特点,热化学过程特点调节过程特点,启动过程特点,设计、制造、安装特点等。
直流锅炉的本质特点是其没有汽包;工质一次通过,强迫流动;受热面无固定界限。
蒸发受热面中的工质流动过程特点:
首先是受热不均对流动过程的影响。
自然循环锅炉具有自补偿能力,即受热强的管子,循环流速大,而强制锅炉没有自补偿能力,即受热强的管子,流动速度小;其次是水动力特性呈多值性。
在热负荷一定情况,蒸发受热面两端压差一定,一根管子流量可以有多个数值;再次有脉动现象。
在管屏两端压差相同,在给水量和流出量总量基本不变的情况,管屏里管子流量随时间作周期性波动。
传热过程特点:
自然循环锅炉蒸发受热面出口工质质量含汽率最大为0.286(即K=3.5),所以一般不出现第二类传热恶化现象。
而直流锅炉是一次通过各受热面,X由0→1,第二类传热恶化现象一定要出现。
热化学过程特点:
自然循环锅炉由于有汽包,故可进行排污,给水品质要求低。
直流锅炉没有汽包,给水带来的盐分除一部分被蒸汽带走外,其余将全沉积在受热面上,因此直流锅炉要求给水品质高。
调节过程特点:
直流锅炉的参数调节和自动调节比汽包炉复杂得多。
对于汽包锅炉,当负荷发生变化时,压力发生变化,我们可先调燃煤量,稳住汽压,然后再调给水量,使给水量等于蒸发量。
用不着同时调节给水量等于蒸发量,因为给水量不等于蒸发量,只不过汽包水位发生变化而已,这就是说,汽包锅炉被调参数关联不那么紧,因此可以分成几个独立的区域。
对于直流锅炉,当负荷发生变化时,必须同时调节给水量和燃煤量,以保证物质平衡和能量平衡,才能稳住汽压和汽温。
另外,自然循环锅炉蓄热能力大,当扰动发生时,有自补偿能力,参数速度变化小。
启动过程特点:
为保证受热面安全工作,对于直流锅炉,启动一开始就必须建立启动流量和启动压力,而在启动过程中,顺次出来的工质是水、水蒸气,为减少热量损失和工质损失,要装一个旁路系统,所以直流锅炉和自然循环锅炉相比,在结构上的不同之处为:
蒸发受热面系统和启动旁路系统;自然循环锅炉由于有汽包,升温升压过程进行得慢,否则热应力大;而直流锅炉没有汽包,升温过程可以快一些,即直流锅炉启动速度快。
设计、制造、安装特点是直流锅炉可适用于任何压力,因此蒸发受热面可任意布置故制造方便并可节省金属。
第三章DCS控制系统的概况
3.1DCS控制系统概述[7]
DCS(DistributedControlSystem)分散控制系统的简称,是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。
国内一般习惯称之为集散控制系统。
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
分散控制系统一般由集中管理部分、分散控制部分和通信部分组成。
分散控制部分的各现场控制站,按地理位置分散于现场,实施对生产过程的控制,每个控制单元可控制一个或数个回路,具有几十种甚至上百种运算功能。
集中管理部分用于系统的
集中监视与操作、系统的组态与维护以及系统信息管理和优化控制。
通信部分连接系统各单元,完成数据、指令及其它信息的传递。
分散控制系统软件一般由实时任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。
使用组态软件,就可以生成用户系统。
分散控制系统与常规仪表控制系统以及集中型计算机控制系统相比具有十分显著的优点,具体表现在以下几个方面:
(1)实现了分散控制。
各现场控制站只控制少量回路,发生故障时影响面小,危险分散,提高了系统的安全性。
(2)实现了集中监视与操作。
采用CRT彩色高分辨率交互图形显示,复杂窗口技术,用键盘、鼠标以及触摸屏幕进行操作,可显示总貌、分组和单元等的数据、模拟图、趋势图,以及各种操作、报警信息等。
(3)实现了最优控制与管理。
利用先进的控制与管理技术,提高生产产量,降低能耗,缩短生产周期、减少库存等,实现生产的最优控制与管理。
(4)系统构成灵活,扩展方便。
采用模块、模件结构,可以灵活组建系统具有很强的通用性。
(5)系统可靠性高。
采用冗余(增加额外设备)技术和容错技术,各单元都具有自诊断、自检查和自修复功能,以及故障自动报警功能。
分散控制系统的基本特征是分散控制,即将自动的控制功能归于现场控制站,使
其按一定的控制策略,长期可靠地自动进行。
3.2DCS控制系统的结构
3.2.1DCS控制系统的整体结构[8]
首先从控制系统的角度来看:
DCS是一种分级的控制系统。
各级完成不同的功能。
功能分层体系是分散控制系统的显著特点,是实现控制功能分散,操作显示集中的关键。
通常把DCS分为4级如图3-1所示,各级的作用是:
图3-1分散控制系统的分层结构
1.第1级,过程控制级
过程控制级,直接与生产控制级相连。
这一级的微处理器通过通信方式对来自现场各被监控设备的参数进行快速采集和处理,对各被监控设备实施实时监视和控制,同时向上一级,即第2级传送采集到的实时数据,并接受来自第2级的操作和组态信息。
2.第2级,控制管理级。
控制管理级,主要有操作员站、工程师站和高速通信网络组成。
第2级的计算机综合监视来自过程控制级的所有信息,通过人机对话进行集中显示和操作,可以对过程控制级的控制方案进行修改、组态,对参数进行调整,并进行历史数据存档、故障存档等。
3.第3级,生产管理级。
生产管理级,此级的计算机对来自下一级的信息进行处理,显示各机组的运行情况,供生产管理者参考和决策。
4.第4级,经营管理级。
经营管理级,实现全厂办公自动化,担负全厂的管理工作。
其次从信息系统的角度来看:
DCS是一个数据通信系统,具有不同的网络结构,连接着功能各异的一个个节点,实现节点间的信息传送与互换。
最后从计算机系统的角度来看:
DCS分为硬件系统和软件系统。
1.硬件系统:
一系列以微处理器为基础的智能模件、过程通道、通信接口和各种外部设备。
2.软件系统:
包括对系统进行管理的操作系统、数据库系统、数据通信软件、组态软件和对过程进行控制的一系列标准化功能模块。
3.2.2DCS控制系统硬件[1]
1.节点(Nodes)。
通信网络中的硬件设备称为节点。
Symphony系统有以下类型:
现场过程控制设备、人系统接口设备、计算机设备及工程工具接口和网络设备等。
2.现场控制站(HCU)。
指用于过程控制,实现物理位置相对分散、控制功能相对分散的主要硬件没备。
3.多功能处理器(MFP)和桥控制器(BRC)。
在HCU中,可以配置数个以高性能处理器为核心,能进行多种过程控制运算,并通过I/O扩展总线和相关I/O子模件连接,获取现场信息的智能控制器模件,这种控制器包括桥控制器和多功能处理器。
4.人系统接口(HSI)。
用于完成过程监视、操作、记录的功能,以及诸如报警、数据处理、数据归档、数据交换和通信等管理功能,它是以通用计算机为基础的硬、软件有机结合的设备.
5.网络至计算机接口(NCI,networktocomputerinterface)。
即Symphony系统与其他包括系统工程工具在内的第三方计算机以及有关控制设备的接口。
6.系统工具(Composer)。
采用计算机和操作系统,以及完整的专用组态软件系统,为过程控制应用完成诸如软件组态、系统监视、系统维护等任务,并能在线或离线工作的设备。
7.通信网络(CommunicationNetwork)。
用于系统通信,把现场控制单元HCU、人系统接口HSI等硬件设备构成一个完整的分散控制系统,使系统共享分散的过程数据和管理数据的硬、软件组合。
3.2.3DCS控制系统软件[1]
1.功能码(FC—FunctionCode)。
在控制器模件内,固化在ROM中,供系统设计、组态时完成过程控制、数据采集的标准子程序,是能够完成某一特定功能的软件模块。
在对控制器组态时,用于调用功能码而赋予它的块号称为块地址。
块地址用于确定功能码在控制方案中执行的顺序。
功能码的输入参数称为规格参数(S—SPecification)。
在控制方案中,赋予了块号的功能码称为功能块(FunctionBlock)。
功能块执行功能后的输出称为功能码输出(Output)。
功能码输出用块地址来标识。
2.组态专用软件。
用于给系统设备如HCU、HSI等组态的软件。
3.操作系统(OS—OperationSystem)。
在Symphony系统中采用多种操作系统,以适应不同的需要在控制器中采用实时操作系统,以提高控制器的实时处理能力。
4.通信接口软件(CIS—CommunicationInterfaceSoftware)。
用来与第三方计算机或现场控制、数据采集设备进行通信的专用软件。
3.3DCS控制系统的特点[1]
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术,其结构具有以下基本特点:
(1)高速、可靠、开放的通信系统
Symphony系统采用了多层通信结构,以满足过程级管理数据传递的需要整个系统的通信网络分为环形网络和总线网络。
环形网络采用存储转发的通信方式,共有可靠性高、纠错能力强、通信速度为10Mb/s。
通信环路可以挂接250个节点,相邻两个节点间的最大距离为2000m。
高层通信层的这种环形结构保证了全厂控制和管理的实现。
(2)分散、独立的现场控制结构
系统中,HCU负责现场过程信号的采集和处理。
这些功能的完成,都由控制处理器模件及相应的I/O子模件来实现。
在CAB系列的机箱内通过本身的总线通信网络可以加挂32个控制器。
一个控制器通过相应的I/O子模件扩展总线可带挂6个I/O子模件块。
I/O子模件对现场信号进行采集和预处理,控制器实现应用组态控制处理,实现控制功能。
控制器可以冗余配置,以保证实施过程控制的可靠性和完整性。
由于控制功能的高度模件化结构,可以用简单的配置方法,实现复杂的过程控制。
(3)经济有效的模件化电源系统
在HCU中,模件及相应的现场I/O子模件由分布式的模件化电源系统供电。
根据系统实际应用的用电量大小和外电源输入方式,实现N+1、N+X或2N冗余配置,以提高系统供电的可靠性。
这种电源可以带电插拔,给维修带来方便,又有利于电源产生的热量散发,更有利于电源及其它过程模件的长时间稳定运行。
(4)功能齐全的人系统接口
Symphony系统具备一系列不同规模的人系统的接口,为过程控制及监视和管理提供服务。
它们不仅具有诸如趋势图、动态流程图、报警管理、报表及记录、存档等多种形式的监控功能,还实现企业管理所需的数据采集和通信功能。
人系统接口设备能够组成客户/服务器结构,并配有报警显示盘、鼠标等输入方式。
操作员通过彩色动态画面,可以在显示窗口上进行过程和管理的一切监视和操作。
(5)丰富、实用的过程控制应用软件
HCU中的控制器支持多种控制应用软件,如多达220种的控制功能码;具有方便的编程语言环境,如梯形图逻辑、批处理;适于复杂模糊控制的专家系统;可用C语言、BASIC语言编写的程序等。
(6)简单、易用的组态手段和工具
Symphony系统用于软件组态、系统调试和维护最多的设备是以个人计算机为基础的工程工具。
通过这些工具可以对系统进行软件组态,为设备形成数据库和操作员接口站的各种显示画面和各种报表的打印格式。
同时,它还可以用于实现现场程序的调试及参数整定等功能,从而大大缩短现场的开工调试时间和减少重复性的工作。
3.4DCS控制系统的基本功能
DCS具有数据采集及处理、手动/自动控制和系统通信等基本功能。
3.4.1数据采集及处理[8]
数据采集及处理(英文缩写DAS)是DCS的标准系统之一,它的功能包括实时数据的刷新和存储、历史数据的存储和检索、显示、记录报表以及性能计算。
在数据采集系统中,用于存储数据的存储器称数据库。
数据采集系统的数据库有两种典型结构,即分布式数据库和客户机/服务器结构。
分布式数据库。
DCS中的工程师站、操作员站、现场控制站等根据各自需要收集DCS系统网络中传递的实时数据,系统中所有的实时数据被分散在现场控制站、操作员站、工程师站内。
客户机/服务器结构。
DCS中的各种实时数据由服务器进行收集,所有的实时
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