分散控制系統在熱電聯產機組和綜合利用機組上的應用
發布時間：2019-08-02 16:22:47來源：
一、概 述
熱電聯產機組是為了滿足城市供熱(替代許多小鍋爐和小煙囪)和工業熱負荷裝設的多臺容量較小的供熱機組。綜合利用機組是燃用煤礦的劣質煤、廢棄的煤矸石、鉻渣（均為資源綜合利用）以及可燃垃圾（環境保護和垃圾處理）的機組。這兩類機組有機組容量較小、汽水系統多采用母管制、鍋爐與汽輪發電機數量常不對等的共同特點。
分散控制系統（DCS）是由高速數據通信主干網絡、分散的過程控制單元和功能強大的人機界面構成的控制系統，它可以通過數據通信方便地與發電廠的實時監控和管理信息系統網絡連接，提高發電廠的管理水平。
按照原來的設計標準，由于控制系統投資較高，小容量機組一般不采用分散控制系統，但投資體制改革后，為了提高機組的自動化控制水平和運行管理水平，使機組安全、穩定運行，各種小容量機組也普遍應用分散控制系統。分散控制系統在小容量機組上的應用既有與大容量機組上的應用相同的方面，也有許多不同的方面，因此，需要根據其運行特點，合理配置控制系統，達到簡化網絡系統結構、減少控制設備，使分散控制系統的應用更為合理。以下對分散控制系統在熱電聯產機組和綜合利用機組上的應用進行分析。
二、分散控制系統的應用
2.1 在大容量機組上的應用
以2臺300MW單元制機組為例，每臺機組各設置1套分散控制系統，分別為DCS1和DCS2。由于2臺機組有公用系統，必須配置1套公用系統網絡DCS0。 為了保證分散控制系統數據交換的安全可靠，公用系統網絡分別通過2對網關（冗余配置）與DCS1、DCS2的2條冗余環網連接；同時，考慮到2臺機組操作人員對公用系統設備操作時的一致性，2臺機組的操作員站需要經過授權后才能對公用系統的設備進行操作。大容量機組典型分散控制系統的結構見圖1。
2.2 在熱電聯產機組和綜合利用機組上的應用
2.2.1 2套分散控制系統和公用網絡的結構方式
對于熱電聯產機組和綜合利用機組（如三爐兩機），如果按照大容量機組上應用分散控制系統的模式，至少也需要采用2套分散控制系統（兩爐一機1套，一爐一機1套）和公用系統網絡，其系統結構見圖2。
對于主蒸汽為母管制的系統，分散控制系統依據主蒸汽母管的蒸汽壓力信號對各臺鍋爐進行負荷分配（各臺鍋爐負荷分配的原理見圖3），從而獲得汽輪機運行所需的蒸汽量，所以主蒸汽母管的蒸汽壓力信號必須接入公用系統網絡DCS0。即從通信數據傳輸來說，對于圖2的系統結構，主蒸汽母管壓力信號需要經過公用系統網絡和網關，再送到每臺鍋爐的控制器，而網關為薄弱環節，一旦發生故障，將會直接影響機組的安全、穩定運行，可能造成數據通信延時，使調節品質下降。
另外，由于除氧給水系統為母管制，所有的給水泵、除氧器都要接入公用系統網絡。為了便于監視和操作，在公用系統網絡上往往還要增加額外的操作員站，而且如果分散控制系統的人機界面按鍋爐、汽輪機分別集中監控，3個網絡的網絡結構也將造成監控信息跨網傳遞，增加網絡通信的負荷。
2.2.2 共用1套分散控制系統的系統結構方式
通過深入分析，提出熱電聯產機組和綜合利用機組分散控制系統的應用采用多臺機組共用1套分散控制系統的方案。以三爐兩機機組為例，其系統結構見圖4。
2.2.2.1 優點
a.網絡簡單，便于維護，節省投資。
b.公用系統的分散處理單元（控制器）直接掛在同一個環網上，不存在監控信息跨網絡傳輸的問題。
c.主蒸汽母管壓力信號直接通過環網與各臺鍋爐的控制器通信，不再需要經過網關。
d.分散控制系統的操作員站不必按各臺汽輪機、鍋爐分別設置，可以統一安排，有利于操作員站分別集中監視和控制，實現集中運行操作和管理，精簡運行值班人員，提高自動化水平。
e.除氧給水不必單獨設操作員站，而由汽輪機值班員兼管。
2.2.2.2 應用實例
目前，國內已經投產和在建的熱電聯產機組和綜合利用機組發電工程，已經有多臺機組共用1套分散控制系統的實例。南京第二熱電廠擴建3臺440t/h鍋爐、2臺125MW汽輪機熱電聯產機組，采用1套分散控制系統實現在同一集控室對三爐兩機集中監控；安徽金源熱電有限公司合肥經濟技術開發區熱電廠3臺220t/h鍋爐、1臺50MW和1臺25MW汽輪機熱電聯產機組，采用1套分散控制系統對三爐兩機進行集中監控。
2.2.2.3 需說明的問題
a.由于熱電聯產機組和綜合利用機組容量一般較小，每臺機組的I/O點數也較少，共用1套分散控制系統，總的I/O點數不會太多，分散控制系統仍然能滿足要求。
b.分散控制系統具有集中監視、分散控制的特點，在多臺機爐共用1套分散控制系統時，不會由于分散控制系統故障，影響全廠機組的運行。
c.為確保分散控制系統能夠定期檢修，設計時充分考慮分散處理單元分散設置的合理性，各臺鍋爐或汽輪機的各種功能控制器以單臺汽輪機、鍋爐為單位分別設置，因此檢修某臺鍋爐或汽輪機均不會影響其他鍋爐或汽輪機；數據通信系統為冗余配置的環形網絡，控制器均直接連接控制網絡，因此檢修時將相應的設備從控制網絡中脫離，不會影響整個數據通信系統和其它設備的安全、穩定、運行。
d.整個系統中，電源相對薄弱，為了提高分散控制系統的安全性，建議設置雙UPS。
三、結束語
以上分析了熱電聯產機組和綜合利用機組的運行特點，對分散控制系統在此類機組上應用的方式進行了討論。實際應用證明，多臺機組合用1套分散控制系統的系統結構方案合理，適當配置電源后，對系統的可靠性和維修等方面無影響。
熱電聯產機組是為了滿足城市供熱(替代許多小鍋爐和小煙囪)和工業熱負荷裝設的多臺容量較小的供熱機組。綜合利用機組是燃用煤礦的劣質煤、廢棄的煤矸石、鉻渣（均為資源綜合利用）以及可燃垃圾（環境保護和垃圾處理）的機組。這兩類機組有機組容量較小、汽水系統多采用母管制、鍋爐與汽輪發電機數量常不對等的共同特點。
分散控制系統（DCS）是由高速數據通信主干網絡、分散的過程控制單元和功能強大的人機界面構成的控制系統，它可以通過數據通信方便地與發電廠的實時監控和管理信息系統網絡連接，提高發電廠的管理水平。
按照原來的設計標準，由于控制系統投資較高，小容量機組一般不采用分散控制系統，但投資體制改革后，為了提高機組的自動化控制水平和運行管理水平，使機組安全、穩定運行，各種小容量機組也普遍應用分散控制系統。分散控制系統在小容量機組上的應用既有與大容量機組上的應用相同的方面，也有許多不同的方面，因此，需要根據其運行特點，合理配置控制系統，達到簡化網絡系統結構、減少控制設備，使分散控制系統的應用更為合理。以下對分散控制系統在熱電聯產機組和綜合利用機組上的應用進行分析。
二、分散控制系統的應用
2.1 在大容量機組上的應用
以2臺300MW單元制機組為例，每臺機組各設置1套分散控制系統，分別為DCS1和DCS2。由于2臺機組有公用系統，必須配置1套公用系統網絡DCS0。 為了保證分散控制系統數據交換的安全可靠，公用系統網絡分別通過2對網關（冗余配置）與DCS1、DCS2的2條冗余環網連接；同時，考慮到2臺機組操作人員對公用系統設備操作時的一致性，2臺機組的操作員站需要經過授權后才能對公用系統的設備進行操作。大容量機組典型分散控制系統的結構見圖1。
2.2 在熱電聯產機組和綜合利用機組上的應用
2.2.1 2套分散控制系統和公用網絡的結構方式
對于熱電聯產機組和綜合利用機組（如三爐兩機），如果按照大容量機組上應用分散控制系統的模式，至少也需要采用2套分散控制系統（兩爐一機1套，一爐一機1套）和公用系統網絡，其系統結構見圖2。
對于主蒸汽為母管制的系統，分散控制系統依據主蒸汽母管的蒸汽壓力信號對各臺鍋爐進行負荷分配（各臺鍋爐負荷分配的原理見圖3），從而獲得汽輪機運行所需的蒸汽量，所以主蒸汽母管的蒸汽壓力信號必須接入公用系統網絡DCS0。即從通信數據傳輸來說，對于圖2的系統結構，主蒸汽母管壓力信號需要經過公用系統網絡和網關，再送到每臺鍋爐的控制器，而網關為薄弱環節，一旦發生故障，將會直接影響機組的安全、穩定運行，可能造成數據通信延時，使調節品質下降。
另外，由于除氧給水系統為母管制，所有的給水泵、除氧器都要接入公用系統網絡。為了便于監視和操作，在公用系統網絡上往往還要增加額外的操作員站，而且如果分散控制系統的人機界面按鍋爐、汽輪機分別集中監控，3個網絡的網絡結構也將造成監控信息跨網傳遞，增加網絡通信的負荷。
2.2.2 共用1套分散控制系統的系統結構方式
通過深入分析，提出熱電聯產機組和綜合利用機組分散控制系統的應用采用多臺機組共用1套分散控制系統的方案。以三爐兩機機組為例，其系統結構見圖4。
2.2.2.1 優點
a.網絡簡單，便于維護，節省投資。
b.公用系統的分散處理單元（控制器）直接掛在同一個環網上，不存在監控信息跨網絡傳輸的問題。
c.主蒸汽母管壓力信號直接通過環網與各臺鍋爐的控制器通信，不再需要經過網關。
d.分散控制系統的操作員站不必按各臺汽輪機、鍋爐分別設置，可以統一安排，有利于操作員站分別集中監視和控制，實現集中運行操作和管理，精簡運行值班人員，提高自動化水平。
e.除氧給水不必單獨設操作員站，而由汽輪機值班員兼管。
2.2.2.2 應用實例
目前，國內已經投產和在建的熱電聯產機組和綜合利用機組發電工程，已經有多臺機組共用1套分散控制系統的實例。南京第二熱電廠擴建3臺440t/h鍋爐、2臺125MW汽輪機熱電聯產機組，采用1套分散控制系統實現在同一集控室對三爐兩機集中監控；安徽金源熱電有限公司合肥經濟技術開發區熱電廠3臺220t/h鍋爐、1臺50MW和1臺25MW汽輪機熱電聯產機組，采用1套分散控制系統對三爐兩機進行集中監控。
2.2.2.3 需說明的問題
a.由于熱電聯產機組和綜合利用機組容量一般較小，每臺機組的I/O點數也較少，共用1套分散控制系統，總的I/O點數不會太多，分散控制系統仍然能滿足要求。
b.分散控制系統具有集中監視、分散控制的特點，在多臺機爐共用1套分散控制系統時，不會由于分散控制系統故障，影響全廠機組的運行。
c.為確保分散控制系統能夠定期檢修，設計時充分考慮分散處理單元分散設置的合理性，各臺鍋爐或汽輪機的各種功能控制器以單臺汽輪機、鍋爐為單位分別設置，因此檢修某臺鍋爐或汽輪機均不會影響其他鍋爐或汽輪機；數據通信系統為冗余配置的環形網絡，控制器均直接連接控制網絡，因此檢修時將相應的設備從控制網絡中脫離，不會影響整個數據通信系統和其它設備的安全、穩定、運行。
d.整個系統中，電源相對薄弱，為了提高分散控制系統的安全性，建議設置雙UPS。
三、結束語
以上分析了熱電聯產機組和綜合利用機組的運行特點，對分散控制系統在此類機組上應用的方式進行了討論。實際應用證明，多臺機組合用1套分散控制系統的系統結構方案合理，適當配置電源后，對系統的可靠性和維修等方面無影響。