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              國產DCS首次在1000MW機組上的應用特點
              發布日期:2018-09-13 來源:  瀏覽次數:

              宮廣正

              (神華廣東國華粵電臺山發電有限公司,廣東臺山 529228 

              摘要:本文主要介紹了國產和利時分散控制系統(DCS) HOLLiAS MACS V61000MW大容量機組上的應用,并結合該工程在實際應用過程,從系統安全可靠性論證、系統設計、集成與調試及主要應用經驗等方面進行了詳細的分析,總結了應用經驗,供同行參考。

              關鍵詞:HOLLiAS MACS V6 ;大容量; 國產DCS


              0.引言

              進入21世紀以來,隨著現代技術水平的發展和節能降耗的需要,燃煤發電機組逐步向高參數、大容量發展,機組參數由亞臨界提高到超臨界和超超臨界,單機容量已提升到1000MW級水平。與此同時我國重大裝備的自主化方面也取得了長足進展,大型發電機組的主機、輔機設備逐步實現了國產化。但是,作為火電機組控制要求的制高點——百萬超超臨界機組自動化控制系統的國產化卻遲遲未能實現,嚴重制約了高端火電技術裝備的全面國產化和現代化,對我國電力生產安全也帶來了一定威脅。

              和利時公司的HOLLiAS MACS V6控制系統,在國內大容量機組上已有較好運行業績的產品,具備控制超超臨界直流機組的控制能力,且其可靠性、穩定性及應用功能,通過應用過程中不斷改進后得到明顯提升。為打破高端火電技術裝備國產化的制約,臺山電廠二期2*1000MW工程首家選用該系統作為機組的控制。

              1.項目概況

              廣東臺山電廠二期擴建工程的6、71000MW超超臨界發電機組,三大主機分別為上海鍋爐廠引進Alstom-Power公司技術生產的塔式鍋爐,上海汽輪機廠引進西門子技術生產的TC4F型汽輪機;上海汽輪發電機廠生產的THDF 125/67型發電機。

              機組控制系統采用和利時公司的HOLLiAS MACS V6分散控制系統,由以太網和基于現場總線技術的控制網絡連接的各工程師站、操作員站、現場控制站(包括主控單元設備和I/O單元設備)、通訊控制站、數據服務器組成。主要完成數據采集、運算與處理,邏輯組態與下裝,畫面監視與控制等多項功能。

              2.系統安全可靠性論證

              考慮到國產DCS系統的開發應用畢竟相對國外進口DCS系統較晚,其軟硬件可靠性與國外成熟DCS系統尚存在一定差距,為此本工程對提高DCS系統軟硬件的可靠性進行了專門的研究和設計,采用多重硬、軟件冗余技術來確保DCS系統的安全可靠穩定運行[1]。

              在硬件構架上采用“域”管理結構,根據對象的功能和操作特點、位置、范圍等,用高速、實時且冗余的網絡,把整個控制系統分割成數個相對獨立的子系統。每個子系統構成對應的一個域,各個域間數據交換可通過中間件或標準的協議進行。這種體系結構提供了工程根據現實情況配置的靈活性,也便于日后的改造擴展,而平臺開放又提供了集成異構系統的能力。

              實現主控單元的冗余配置與電源模塊的冗余配置,并創新性的開發了在線無擾切換功能,無論是在單側主控故障,還是單路電源丟失,所有在線參數、運算數據、故障信息等內容均不會有任何變化。

              I/O(輸入/輸出)處理模件上采用小模塊結構(開關量信號16點,模擬量信號8點),A/D(模/數)轉換器每路信號一個,進一步分散了故障危險;每路信號輸入端都設計有多重過流、過壓保護措施,保證了測量模件不至于大信號干擾而損壞。

              軟件構架上采用Client/Server體系結構,為減少數據處理量和網絡上的擁塞,有利于交換機設備故障風險分散,控制網絡和管理網絡分離,采用兩層結構,星型連接,雙冗余配置。遠程控制站則采用1000M以太光纖連接系統,保證了很好的靈活性和功能的可擴充性。

              MACS V6系統在軟件可靠性方面參照核電安全計算機系統設計標準,為保證實時性和可靠性,控制站采用Lunix軟件;各軟件都提供有自診斷功能與信息顯示[2]

              綜上所述,HOLLiAS MACS V6分散控制系統在體系結構、硬、軟件性能和應用功能等,在臺上二期工程應用上,都有很大改進和提高,其安全可靠性,經不同容量的機組多年運行證明,已達到當今國際先進水平,滿足本工程的要求。

              3 .系統設計、集成與調試

              3.1系統設計

              3.1.1功能設計

              本工程DCS控制系統實現了機組控制與運行管理所需要的各種控制功能,包括數據采集系統、模擬量控制系統、鍋爐爐膛安全監控系統、順序控制系統、機組保護系統、給水泵控制系統、旁路控制系統、電氣控制系統等,通過這些系統去完成整套機組的啟、停、正常運行、變工況運行等各項所需要的控制與保護[3]。

              3.1.2 電源設計

              本工程中,考慮到1000MW級機組自動化程度的需求,為保障DCS系統的持續安全工作,分別設計了兩路單獨的UPS供電線路,實現對服務器、控制站等具備兩路電源接入的設備使用,對于操作員站、工程師站、接口機等不具備兩路電源接入的設備,通過專門設計的一套電源切換裝置將兩路UPS電源進行冗余接入,實現了任意一路UPS電源接通即可全部保證DCS系統的所有工作。另外,對于個別重要設備,如操作員站、工程師站等還單獨增加了質量可靠的獨立UPS設備,以滿足特殊工況下的需要。

              3.1.3 網絡及控制器設計

              考慮到國產DCS系統在控制器、I/O卡件等方面較進口DCS系統還存有一定的差距,因此上層管理網絡、下層控制網絡除分離外,且兩級網絡全部由不同的硬件組成,以保證在任一網絡出現問題的情況下,整個DCS控制系統能正常工作;每個控制站有兩個獨立的控制器,正常工作時一主一從,當主控制器故障時自動切換到從控制器,兩個控制器之間的數據及程序使用ProfiBus DP總線保持同步,可以有效保證對所控設備的正常監視與操作。

              3.1.4服務器設計

              DCS中,通過分別配置四臺I/O服務器實現I/O服務器四冗余,使其在正常狀態下。各服務器優先處理分配的控制站信號,一旦某一臺服務器出現故障時,其處理的控制站信號立刻由其它服務器接管工作。最惡劣的情況下即使三臺服務器故障(有一臺I/O服務器能正常工作),也一會影響完成全部的I/O處理功能。

              歷史/實時服務器實現雙冗余,正常工作時一主一從。當主歷史/實時服務器故障時自動切換到從歷史/實時服務器,兩個歷史/實時服務器間程序使用TCP/IP協議保持數據同步。

              3.2 系統集成

              3.2.1 系統布置

              本工程采用兩機一控方式,以DCS控制為主體控制,兩臺機組的全廠控制方案為:僅設置主體1個機組集控室(雙機一控),不設置脫硫控制室,不設置輔助系統的控制室,機組主監控、脫硫監控、輔助系統監控均集中在一個集控室進行,即集控室集中了機組控制、脫硫控制與輔助系統的控制、操作與管理,實現大容量機組、脫硫、輔助系統監控一體化的運行模式。

              在機組機、爐、電工藝系統分開的基礎上,系統設計時,以工藝系統為主,結合控制功能分站并考慮相對均勻各現場控制站負荷的原則,將單臺機組分為65I/O控制站,配置18臺系統服務器,3臺工程師站,12臺操作員站,4臺通訊站,1SIS站。

              3.2.2 網絡布置

              DCS系統管理功能,按集中與分散原則進行合理分配,即集中布置,功能分散,以合理滿足調試、運營的功能要求[4]。集中布置在機組工程師站的DCS工程師站統一進行DCS系統的管理與功能定義。

              系統網絡從下到上分三個層次,分別為控制網(CNET網)、系統網(SNET網)、和管理網(MNET網),其中:

              1CNET網為10Mb/sProfidus-DP現場總線,實現主控單元和過程I/O單元的通訊,。

              2SNET網為100Mb/s的工業以太網,實現系統服務器與現場控制站的互連;

              3MNET網為100Mb/s的以太網,實現操作員站、工程師站與系統服務器的互連;

              網絡布置如圖1所示:

               國產DCS首次在1000MW機組上的應用特點

                                         圖1 DCS系統網絡結構圖

               

              3.3 控制系統硬、軟件調試

              3.3.1 硬件調試

              由于在本工程中使用的硬件產品來自不同生產商,規格型號、接口參數等方面存在差異,這使得硬件調試工作成為了整個工程是否能順利投產的基礎。其中各操作員站、工程師站、控制器、服務器等設備與交換機的網絡通訊調試工作顯得最為復雜且重要。通過逐個測試網絡中的通道和問題處理,最終實現了整個DCS系統的融會貫通。I/O卡件通道100%檢測,最大限度的保障了I/O信號的準確,可靠。

              3.3.2 軟件調試

              控制系統軟件主要包括:用于畫面監視、操作和運行報表管理的操作員在線軟件、用于工程組態、調試與運行維護的總控軟件,和各其它系統通訊的接口軟件。MACS V6控制系統的軟件安裝包集成了操作員在線及總控軟件,按需要分別選擇安裝;接口軟件由于通訊協議與端口等的差異,需要根據每個系統的不同單獨進行配置與調試。

              3.3.3 邏輯調試

              設計院與各DCS生產廠家,雖然對1000MW超超臨界機組的控制邏輯已有相對較為成熟的方案,但由于設備的不同與質量的差異、現場實際應用過程中仍有相當多的問題需要研究、處理和完善。為了保證控制系統邏輯的正確、完整和可靠,臺山發電公司先后組織多家研究院、調試所以及具有豐富實際經驗的相關專家,進行多次邏輯研究、審查,同時組織控制系統質量驗收組,進駐DCS生產廠家,跟蹤系統的生產與測試,發現問題及時處理,確保了控制系統邏輯滿足現場設備控制的需要,機組試運行中,協調自動、RB、AGC和一次調頻品質均投入運行且達到或超過了設計要求。

              4.主要應用經驗

              1)本工程脫硫DCS不獨立設置,脫硫系統直接納入單元機組DCS集中控制,脫硫操作員站與主機DCS操作員站為同一個DCS控制系統,布置在單元機組與公用DCS的操作員站中,實現一體化監控的模式與功能[4]。

              2)本工程不設置脫硫控制室,僅設置主體1個機組集控室(雙機一控),包括BOP與脫硫、電除塵的控制。即集控室集中了機組控制與輔助系統的控制、操作與管理,實現了主機、脫硫、輔控一體化的大集控運營管理模式。

              3)系統提供了標準的OPC通訊接口,方便地解決了與其它的控制系統、PLC控制回路、全廠MIS 網和ERP 系統之間的數據交換問題,避免編制各種特殊的接口程序帶來的維護工作量,同時節約了工程的投資成本。

              4)系統網使用標準工業以太網協議,有效保證數據傳輸的實時性與穩定性,管理網使用UDP協議進行通訊保證了數據的實時性。

              5)系統提供了豐富的設備狀態診斷監視功能。當DP線、模塊、控制器、系統網線故障時在操作站的設備報警表中可以實時看到報警信息,監視控制器、服務器、操作員站的內存、CPU、以及每個網卡的負荷,并且可以為各項負荷定義報警限值,當負荷超過報警限值時產生報警信息,保證系統的穩定運行。

              6)本工程證明了國產DCS已完全滿足了1000MW級火力發電機組應用功能需求,實現了中國電力發展歷程上國產分散控制系統的歷史性突破。

              5 .結束語

              國華臺山電廠兩臺百萬機組投產以來DCS系統運行穩定,機組各項指標優良,2013117圓滿完成了6號機組100%負荷下FCB功能試驗并投入連續運行,也從另一個側面證明了國產DCS已經逐步走向世界先進水平的行列。國產DCS在大容量機組的首次成功應用證明了國產DCS已完全滿足了1000MW級火力發電機組應用功能需求,打破了原大容量機組進口DCS的相對壟斷格局,對進口國產DCS價格起到了一定的抑制作用。為國產DCS的發展前景產生了一個重大推動作用,對民族產業的振興產生巨大的影響,為國產DCS的推廣、普及甚至走向世界貢獻了力量。

               

              參考文獻:

              [1]     李生光.國產DCS在大型機組上的應用技術評價[J].電力建設,2009,30(5) 7173

              [2]     郁梅,邵惠鶴.OPC規范及其在交換式工業Ethernet網中的應用[J].計算機工程,2003,29(22) 3839

              [3]    姚峻,沈叢奇.DCS系統設計思想及組態方法的探討[J].華東電力,2002,30(1)3739[4]      杭莉莉.超超臨界機組自動化成套控制系統總體規劃設計研究[J].華東電力,2010,38(7) 10011004

               

              作者簡介:

                  宮廣正(1969-),男, 河北鹽山人,本科,高級工程師,從事發電廠熱工自動化技術應用與生產管理工作。單位:神華廣東國華粵電臺山發電有限公司;郵編:529228地址:廣東省臺山市銅鼓灣國華粵電臺山發電有限公司

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