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火电厂DCS的应用及展望

  • 来源: 国电科学技术研究院 自动化研究所
  • 作者: 吴雨浓
  • 发布时间: 2016-12-16

1 DCS概述


DCS是分散控制系统(DI-StributedControlsystem)的简称,国内一般习惯称为集散控制系统。DCS自1975年问世以来,己经经历了三十多年的发展历程。在这三十多年中,DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变,但是经过不断的发展和完善,其功能和性能都得到了巨大的提高。现在的DCS系统具有通用性强,系统组态灵活,控制功能完善,数据处理方便,显示操作集中,人机界面友好,运行可靠等优点。


现在的DCS融合了4C技术(计算机技术Computer、控制技术Control、通讯技术Communication、图形显示技术CRT)被广泛的应用在化工、电力冶金等能源重工业生产过程控制。随着电子信息技术和网络通讯技术不断发展,新技术和新工艺的日渐成熟,DCS可实现的功能在生产应用中不断加强。火力发电是现代电力生产中的一种主要形式,火力发电厂运行系统多而且复杂,各系统之间要协调运行又要对负荷变化具有很强的适应能力,因此有效的控制火力发电厂运行极其重要。 在火电厂自动化控制中DCS扮演着举足轻重的角色。


2 DCS的主要应用系统


目前火电厂机组的建设中,DCS主要用于数据采集系统(DAS);协调控制系统(CCS);锅炉控制系统,其中包括:锅炉燃烧、汽温、给水等模拟量控制系统(MCS),顺序控制系统(SCS),以及锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)或称燃烧器管理系统(BMS)汽机数字电液调节系统(DEH)。


1)数据采集和处理系统(DAS)


数据采集和处理系统(DAS)的主要功能是快速准确地反映机组参数、设备状态、工艺报警、 性能指标,为操作员提供准确的操作依据。


2)协调控制系统


火电机组的负荷控制一般由协调控制系统完成。协调控制系统的任务是在保证机组安全的前提下尽快响应调度的负荷变化要求,并使机组经济和稳定地运行。协调控制系统主要通过锅炉燃烧率和汽机调门来调节机组负荷和主蒸汽压力。机组负荷应能快速跟随负荷指令,并保持主蒸汽压力在允许的范围。


协调控制系统(CCS)广义上应包括机组所有的调节,狭义上指以锅炉指令和汽机指令为调节量,以电负荷和主蒸汽压力为被调量,组成的联合调节系统,一般它由以下几种主要方式:机跟炉(TF )方式、炉跟机(BF )方式、协调方式。


(1)机跟炉方式: 主蒸汽压力由汽机指令(调门)调节,机组负荷由锅炉指令(燃烧率)调节。这种方式下,主蒸汽压力的调节品质比较好,但负荷调节性能差,负荷的响应延迟大,负荷的波动大。这种方式对机组比较有利,但不能满足电网的负荷控制要求。


(2)炉跟机方式: 主蒸汽压力由锅炉指令(燃烧率)调节,机组负荷由汽机指令(调门)调节。这种方式下,机组负荷的调节品质比较好,但主蒸汽压力调节性能差,主蒸汽压力的波动大。这种方式对电网比较有利,但不利于机组的安全、稳定运行。


(3)协调方式下,汽机指令和锅炉指令随负荷指令协同变化,使机组有较好的电负荷响应性能,并且保证主蒸汽压力在允许的安全范围内,其负荷和主蒸汽压力调节品质介于机跟炉和炉跟机二种方式之间。


大型燃煤机组正常情况下采用协调方式控制,单纯的机跟炉和炉跟机一般是不会采用的,协调控制方法比较多,常用的方法有“机跟炉”为基础的协调、“炉跟机”为基础的协调、“直接能量平衡(DEB)”协调等。 


3)模拟量控制系统(MCS)


模拟量控制系统包括总风量控制系统、 二次风量控制系统、  炉膛负压控制系统(引风量控制系统)、 汽包水位控制系统。


保证燃料在炉膛中充分燃烧是风量控制系统的基本任务。二次风量控制系统主要任务是调节烟气含氧量。炉膛压力控制系统的基本任务是通过控制引风机动 (静)导叶或入口挡板来维持炉膛压力为给定值,以稳定燃烧、 保证燃烧效率、减少污染和保证安全。锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数,其控制系统的目的是保证汽包水位在容许的范围内,并兼顾锅炉的平稳运行。除此之外模拟量控制系统还包括燃料控制系统、主蒸汽温度控制系统、减温减压装置出口温度控制系统、除氧器水位控制系统等。


4)顺序控制系统


顺序控制任务是按照各设备的启停运行要求及运行状态,经逻辑判断发出操作指令,对机组主要设备组或子组进行顺序启停,同时该系统根据工艺系统要求实施联锁与保护。在顺控系统中,指令的优先级是分层的,设备的保护和联锁指令具有最高优先级,手动指令比自动指令优先。锅炉顺序控制子组项目主要包括:一次风机子功能组、二次风机子功能组、引风机子功能组、给煤机子功能组、给水泵子功能组、 循环水泵子功能组、 减温减压器子功能组、 疏水泵子功能组、 凝结水泵子功能组等。



5)锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)


FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System),锅炉炉膛安全监控系统。它是现代大型火电机组锅炉必须具备的一种监控系统,它能在锅炉正常工作和启停等各种运行方式下,连续密切监视燃烧系统的大量参数与状态,不断进行逻辑判断和运算,必要时发出动作指令,通过种种连锁装置,使燃烧设备中的有关部件严格按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未遂事故,以保证锅炉燃烧系统的安全。


炉膛安全监控系统一般分为两个部分,即燃烧器控制BCS(Burner Control System)和燃料安全控制FSS(Fuel Safety System)。燃烧器控制系统的主要功能是对锅炉燃烧系统设备进行监视和顺序控制,保证点火器、油枪和磨煤机系统的安全启动、停止、运行。燃料安全系统的功能是在锅炉点火前和跳闸、停炉后对炉膛进行吹扫、防止可燃物在炉膛积存,在监测到危及设备、人身安全的工况时,启动MFT,迅速切断燃料,紧急停炉。


由于FSSS对作为事件顺序的操作记录的要求很高,而且可能是多系统组合来完成该项功能,所以SOE的带有时间戳的开关量输入设备及相关功能是必须具备的。随着硬件和网络技术的发展,现在SOE的分辨可以达到毫秒级别,大大增加了系统的安全性,更加有利于出现事故时候对问题进行快速准确的分析。在同步时钟方面,除了有DCS自己的时钟对全部DCS设备校时外,还可以接入GPS设备对DCS系统进行进行校时,或者从其他系统的GPS校时设备引入校时脉冲,对DCS系统校时。


6)汽机数字电液调节系统(DEH)


汽机数字电液调节系统主要功能有汽轮机转速控制;自动同期控制;负荷控制;参与一次调频;机、炉协调控制;快速减负荷;主汽压控制;单阀控制、多阀解耦控制;阀门试验;轮机程控启动;OPC控制;甩负荷及失磁工况控制;双机容错;与DCS系统实现数据共享;手动控制。


汽机、锅炉等控制对安全要求高,燃料、水、灰等辅网设备数量庞大,负荷受电网的控制,这就要求DCS设备具有回路反馈控制、顺序控制、混合控制等复杂控制功能。火电机组DCS系统除了完成以上控制任务外,还肩负着与辅网和其他系统通讯的任务。


在火电机中,辅网的控制一般用PLC来实现,独立于DCS系统,主机和辅网的数据通讯主要通过在DCS侧和PLC侧2台互为冗余的通讯站用来完成。PLC通讯站作为数据的发送端,DCS通讯站作为数据的接受端,然后DCS系统再从DCS通讯站中读取数据。与ECS(电气控制系统)之间的通讯也与之相类似。


DCS采集的数据对SIS(厂级监控信息系统)来说不可或缺,这就要求DCS与SIS之间进行数据交换,DCS通过OPC协议与SIS相连接为SIS提供数据。SIS系统将DCS的图形转化成其系统可以识别的格式,在SIS的操作员站上加以显示,实现数据的采集和远传,机组的性能计算、厂级经济性分析、厂级负荷分配、实时分析机组的运行参数,对机组乃至全厂的运行状况进行准确的分析、诊断与优化。 


3 火电DCS发展趋势


1)单元机组控制系统一体化


随着一些电厂将电气发变组和厂用电系统的控制(ECS)功能纳入DCS的SCS控制功能范围,ETS控制功能改由DCS模件构成,DEH与DCS的软硬件合二为一,以及一些机组的烟气湿法脱硫控制直接进入单元机组DCS控制的成功运行,标志着控制系统一体化,在DCS技术的发展推动下而走向成熟。


2)全厂辅控系统走向集中监控


一个火电厂有10多个辅助车间,国内过去通常都是由PLC和上位机构成各自的网络,在各车间控制室内单独控制,因此得配备大量的运行人员。为了提高外围设备控制水平和劳动生产率,达到减员增效的目的,随着DCS技术和网络通讯功能的提高,目前各个辅助车间的控制已趋向适度集中,整合成一个辅控网(简称BOP 即Balance Of Plant的缩写)方向发展,即将相互独立的各个外围辅助系统,利用计算机及网络技术进行集成,在全厂IT系统上进行运行状况监控,实现外围控制少人值班或无人值班。


3)DCS与FCS的融合


与现场总线的融合过去一段时间,一些学者和厂商DCS和FCS(现场总线控制系统)对立起来。其实,真正推动FCS进步的仍然是世界主要几家DCS厂商。所以,DCS不会被FCS所代替,而是DCS会融合FCS,FCS和DCS紧密结合,提高控制信号传输的准确性、实时性、快速性和机组运行的安全可靠性,解决现场设备的现代化管理,降低工程投资。实现真正的DCS。各厂家现在的DCS系统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。


4 结论


DCS将会加强数据优化和信息管理,对DCS采集的现场实时数据,利用先进的数据库技术、通讯技术,结合用户的工艺实际作进一步的深度加工,为用户提供更大的增值作用。一种是提供针对工艺的优化软件,提高生产效率和经济效益;另外一种是功能增加,包括:设备维护功能,更加细致的分析设备和机械故障状态,通过监测设备的运行状态来判断设备是否需要维护,减少意外停车。提高设备利用率。


现在硬件的更新速度迅速,而软件的开发速度则相对缓慢,各DCS厂家的系统软件都存在一定的诟病,有些漏洞甚至会导致很严重的后果,DCS厂家应该加大研发,尽快解决系统存在的软件漏洞和不足。





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