貝加萊 APROL DCS在黑山生物質(zhì)發(fā)電廠中的應(yīng)用

0 前言

　　秸稈是一種可再生能源，每年，大量的秸稈在田間被燒掉不僅僅是能源的耗費，而且是對環(huán)境的污染，同時也給高速公路和機場航空造成了一定影響，并且焚燒秸稈還容易引發(fā)火災(zāi)。2004年開始，國能生物質(zhì)能發(fā)電有限公司擔(dān)負起國家關(guān)于以秸稈、林業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)發(fā)電項目的重任。發(fā)展農(nóng)作物秸稈直燃發(fā)電，不僅節(jié)能、環(huán)保、而且效益顯著。有專家指出，可供直燃發(fā)電的2億噸秸稈折合標(biāo)準(zhǔn)煤1億噸。以秸稈代替煤炭作為發(fā)電新能源，是我國生物質(zhì)能發(fā)電領(lǐng)域的重要突破，是利用可再生資源、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要嘗試，有利于經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。

　　通過生物質(zhì)發(fā)電項目的逐步實施，使得焚燒得到控制，在獲得電能的同時，環(huán)境污染、有害氣體排放方面也得到了有效的控制，其廢料-灰渣可以作為高效復(fù)合肥返回農(nóng)田，在將能量轉(zhuǎn)化為電能后，其生物體依然可以作為生物廢料返回農(nóng)田，真可謂一舉多得。

1 工藝流程與系統(tǒng)需求

　　1.1生物質(zhì)電廠的工藝流程

　　黑山生物質(zhì)發(fā)電廠項目中配置了一臺12MW的凝汽式汽輪發(fā)電機組和一臺48噸高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工藝段，同時包括上料、爐前料倉、化水、電氣等輔助工段。該系統(tǒng)涉及到DCS的I/O點數(shù)約2600點，其中模擬量699點。具體的工藝流程如圖1所示。

　　1.2控制系統(tǒng)的需求

　　在系統(tǒng)的前期論證過程中，黑山生物電廠和系統(tǒng)集成方——中國電科院以及貝加萊（中國）的工程師們進行了深入的探討和技術(shù)交流，并對系統(tǒng)需求進行了確認。簡述如下：

　　（1） 該系統(tǒng)需要提供針對數(shù)據(jù)服務(wù)器、DPU、現(xiàn)場總線和I/O總線的冗余;

　　（2） 汽輪機、鍋爐主控，可自定義功能設(shè)計;

　　（3） 設(shè)置GPS校時和SOE事件順序記錄;

　　（4） 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的審計追蹤功能設(shè)計;

　　（5） 具備與第三方設(shè)備通訊的能力;

　　（6） 具備系統(tǒng)自診斷功能，包括服務(wù)器、CPU和I/O的自診斷能力。

　　對于上述復(fù)雜而嚴(yán)格的要求，B&R APROL DCS系統(tǒng)憑借其良好的性能和快速的功能響應(yīng)，提供了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案，并得到實施。

2 系統(tǒng)解決方案

　　APROL DCS作為搭建該系統(tǒng)的軟硬件平臺，滿足了復(fù)雜控制工藝和功能的要求。針對具體的系統(tǒng)需求構(gòu)建了優(yōu)化的冗余控制設(shè)計方案，取得了良好的控制效果和穩(wěn)定性。

　　2.1系統(tǒng)拓撲架構(gòu)與配置

　　2.1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)與配置

　　對于連續(xù)生產(chǎn)過程，DCS系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和過程記錄的可追溯性，這就對系統(tǒng)的冗余提出了要求，而B&R的APROL DCS系統(tǒng)很好地滿足了這些嚴(yán)格的要求，提供了以下能滿足電廠需求的配套冗余方案。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　該系統(tǒng)包括2臺操作員站、1對冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器（同時兼作操作員站）、1臺工程師站、1臺值長站、5對冗余DPU站，采用了過程數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余、控制總線和I/O總線冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了穩(wěn)定可靠，符合電廠生產(chǎn)要求的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和現(xiàn)場級控制工藝設(shè)計。

　　該系統(tǒng)配置了HP370高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器，雙SCSI硬盤，支持RADI1數(shù)據(jù)冗余和帶電熱插拔，高效地存儲全部實時和歷史數(shù)據(jù);在中央控制室內(nèi)的操作員站采用HP7600高性能PC，提供了針對汽輪機和鍋爐主控及輔控單元的操作應(yīng)用。

　　2.1.2冗余配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　操作網(wǎng)絡(luò)（操作員站、冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器和工程師站服務(wù)器之間）、過程網(wǎng)絡(luò)（DPU和冗余運行服務(wù)器以及工程師站服務(wù)器之間）、I/O總線（DPU和I/O站之間）均采用雙100M以太網(wǎng)， DPU冗余對之間的同步總線和I/O總線共用;操作網(wǎng)絡(luò)，過程網(wǎng)絡(luò)和I /O總線都配置成冗余結(jié)構(gòu)。

　　過程網(wǎng)絡(luò)冗余保證了最關(guān)鍵的DPU到現(xiàn)場控制設(shè)備的數(shù)據(jù)連續(xù)性;所有I/O站通過冗余雙以太網(wǎng)總線將數(shù)據(jù)快速實時地保存到冗余DPU中，對于危險和影響安全操作的參數(shù)而言，是至關(guān)重要的。

　　2.1.3 冗余配置的DPU控制器

　　對于需要連續(xù)性生產(chǎn)的大型電廠而言，DPU的冗余是必不可少的，一旦某個工作的冗余站主站發(fā)生故障，系統(tǒng)能自動地以無擾動方式，快速切換至與其互為冗余的從站，并在操作員站報警。當(dāng)發(fā)生故障的處理器修復(fù)后，系統(tǒng)將自動進行狀態(tài)拷貝并使其處于冗余運行方式。

　　該系統(tǒng)實際共配置了5對冗余DPU站：其中鍋爐配置一對冗余DPU，下面掛接3個I/O站;FSSS部分配置一對冗余DPU，掛接4個I/O站;汽機部分配置一對冗余DPU，掛接7個I/O站;電氣配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站;化水配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站。所有的DPU均選用高性能的2005系列CP382，該模塊的任務(wù)周期可以達到200us，配置3塊3IF781.9，擴展 成4個以太網(wǎng)口，采集所有的過程信息。智能I/O站CPU選用2005系列的CP360，配置1塊3IF781.9，擴展成2個以太網(wǎng)口，以1ms的高速掃描周期處理SOE變量。.

　　2.1.4過程數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余

　　在APROL系統(tǒng)中對于實時數(shù)據(jù)、報警記錄、事件記錄等提供了數(shù)據(jù)庫冗余方案，以確保在故障時能夠?qū)τ谙嚓P(guān)實時參數(shù)快速保存，并為工藝追溯和改善提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)分析師對系統(tǒng)進行調(diào)整和改善。

　　2.1.5 系統(tǒng)I/O點配置

　　該系統(tǒng)的I/O點配置如表1。

　　表1 系統(tǒng)I/O點配置

　　2.2控制單元及其功能

　　生物質(zhì)能電廠與常規(guī)火力發(fā)電廠最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量較高且不穩(wěn)定，其熱值不固定，進而導(dǎo)致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發(fā)電機、電氣和輔助車間等系統(tǒng)的控制方式與相同規(guī)模的常規(guī)電廠并沒有太大的不同。機組控制采用機跟爐的調(diào)節(jié)方式，鍋爐調(diào)負荷，汽機隨鍋爐負荷的變化而保持進汽的壓力基本保持不變。

　　機爐協(xié)調(diào)控制機制是貝加萊應(yīng)用APROL DCS為該生物質(zhì)電廠項目制訂的控制策略，具有閉環(huán)調(diào)節(jié)主蒸汽壓力和機組功率控制功能，機組負荷指令被送到汽輪機主控回路作為前饋信號，從而使系統(tǒng)獲得蒸汽壓力和主機功率快速達到目標(biāo)值的調(diào)節(jié)能力。該生物電廠DCS系統(tǒng)由鍋爐、汽機主控系統(tǒng)以及電氣和化水輔控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)構(gòu)成。

　　2.2.1鍋爐主控單元

　　鍋爐主控包含以下單元：

　　FSSS（爐膛安全監(jiān)控）實現(xiàn)了主燃料跳閘（MFT）、點火前及停爐后吹掃控制以及火焰檢測等功能，有效的確保鍋爐爐膛的安全運行。

　　BPS（旁路控制功能）實現(xiàn)了再熱器保護、維持機前壓力、限制鍋爐升壓速率、高旁閥出口溫度控制等;

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協(xié)調(diào)機制、燃料量、爐膛負壓、汽包水位、主汽壓力等的自動調(diào)節(jié)能力。

　　SCS（輔助設(shè)備順序控制單元）實現(xiàn)了送風(fēng)、引風(fēng)自動啟停及連鎖保護。

　　上面的子系統(tǒng)分別由兩對冗余DPU站控制，原則上根據(jù)實際的占多數(shù)I/O處于哪一個冗余站，該系統(tǒng)就分屬此冗余站;但是實際實施過程中，由于設(shè)計院設(shè)計點數(shù)的時候并不會按系統(tǒng)功能嚴(yán)格劃分I/O點，以及不同的系統(tǒng)之間存在邏輯上的互用，項目中通過定義全局交叉變量的方法，來實現(xiàn)不同DPU之間的數(shù)據(jù)交換。

　　鍋爐控制系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是汽包水位控制，正常情況下系統(tǒng)汽包水位始終應(yīng)在0位，用戶要求控制精度在±5mm。汽包液位采用三沖量控制，這樣可以使系統(tǒng)達到很高的精度，它將汽包的液位作為主回路，把鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量乘以相應(yīng)的系數(shù)和主回路的輸出作副回路的設(shè)定值， 給水流量作水位調(diào)節(jié)的副回路，構(gòu)成三沖量調(diào)節(jié)。采用自定義開發(fā)的專用PID模塊可容易地實現(xiàn)上述控制功能，而且控制精度完全能滿足用戶系統(tǒng)的要求。汽包的水位在將調(diào)節(jié)器參數(shù)整定合適的基礎(chǔ)上可以穩(wěn)定在±3mm范圍之內(nèi)。

　　在項目實施中，由于其中一個冗余DPU站運行的PID數(shù)量多達三十幾個，使得冗余控制器的同步數(shù)據(jù)量劇增，導(dǎo)致冗余切換時間過長，PID調(diào)節(jié)參數(shù)在切換過程不平穩(wěn)，后來通過優(yōu)化同步數(shù)據(jù)以及指定部分功能塊運行于服務(wù)器中的方法，保證了同步的可靠性和切換的平穩(wěn)性。

　　2.2.2汽機控制單元

　　汽機主控包含以下單元：

　　DEH（汽機數(shù)字電液控制）單元，通過升速控制、超速限制與超速保護、主汽壓力控制、單多閥、自動同期控制等多個功能塊提供了針對汽輪機的轉(zhuǎn)速和負荷控制，確保機組安全高效運行。采用和利時公司的DEH系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。

　　ETS（汽輪機危急遮斷保護系統(tǒng)），當(dāng)有危急及汽輪機安全運行的狀態(tài)和參數(shù)出現(xiàn)時，迅速關(guān)閉汽輪機進氣閥門，及時切斷汽輪機所有進氣的保護系統(tǒng)。采用江蘇眾陰公司的ETS系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。

　　TSI（汽輪機安全監(jiān)視系統(tǒng)），能連續(xù)地檢測汽輪機的各種重要參數(shù)，幫助運行人員判明機器故障，使機器能在不正常工作引起的嚴(yán)重損害前遮斷汽輪機發(fā)電機組，保護機組安全。另外，TSI監(jiān)測信息提供了平衡和在線診斷數(shù)據(jù)，維護人員可通過診斷數(shù)據(jù)的幫助，分離可能的機器故障，減少維修時間。TSI還能幫助提出機器預(yù)測維修方案，預(yù)測維修信息能推測出旋轉(zhuǎn)機械的維修需要，使機器維修更有計劃性，其結(jié)果是減少了維修費用，提高了汽輪機組的可用率。采用本特利公司的TSI系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協(xié)調(diào)機制、除氧水位、減溫減壓溫度閥和壓力閥等的自動調(diào)節(jié)能力。

　　SCS（輔助設(shè)備順序控制單元）實現(xiàn)了凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、射水泵、調(diào)速油泵、潤滑泵、高加、低加進汽閥等一系列輔助設(shè)備的順序啟停。

　　汽機控制主要涉及到給水泵和射水泵的雙泵切換以及自動起雙泵，為此特地根據(jù)具體的工藝要求設(shè)計了一個雙泵切換的超級宏來控制雙泵切換。

　　2.2.3 輔控系統(tǒng)

　　電氣輔控主要是采集一些刀閘開關(guān)的分合狀態(tài)，增磁、減磁以及發(fā)送同期指令等。

　　化水輔控主要是采集一些泵和閥的狀態(tài)，細沙過濾器的順控、細沙過濾器沖洗順控和混床再生順控等。

　　APROL DCS集成了以上各部分的控制，實現(xiàn)了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案。

　　2.3 系統(tǒng)的其它功能

　　2.3.1 SOE事件順序記錄

　　該項目中對于發(fā)電機出口開關(guān)事件，真空低壓、ETS故障、主汽門關(guān)閉、軸向位移大停車、MFT保護停機、AST磁力斷路油門等關(guān)鍵點提出了SOE日志記錄的要求，涉及到總計57個SOE數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)高速采集，現(xiàn)場配置的B&R DI476模塊可以達到500uS的數(shù)據(jù)掃描能力，實現(xiàn)了SOE站內(nèi)分辨率小于1mS，站間分辨率小于2mS的特殊性能要求。

　　2.3.2 GPS校時

　　SOE（事件順序記錄）提供了在系統(tǒng)故障如：跳閘、安全報警等狀態(tài)下提供實時數(shù)據(jù)記錄，為故障分析提供非常重要的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，而GPS校時則是配合SOE及其它報警功能所必須的。

　　通過為第三方中瑞科技的GPS自動校時設(shè)備CP220 E模塊提供驅(qū)動程序，將GPS信號接入到其中一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器。操作站、工程師站，現(xiàn)場DPU單元通過XNTP網(wǎng)絡(luò)與該服務(wù)器對時，實現(xiàn)時間標(biāo)簽功能。

　　2.3.3 與第三方系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊

　　對于大型系統(tǒng)應(yīng)用而言，開放性是絕對不可缺少的能力，APROL DCS提供了靈活便捷的與第三方系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的能力。

　　系統(tǒng)內(nèi)嵌了INA Connection、FMS Connection、HPC Connection、OPC Connection、3946R、Modbus Plus Driver、Simatic S5/S7 Connection、TI Driver、Profibus- DP master/slaver、Modbus RTU/ASCII等眾多驅(qū)動程序。

　　（1） 與除塵系統(tǒng)通訊

　　在該項目中除塵系統(tǒng)采用了SIEMENS S7-300 PLC作為控制單元，APROL子模塊提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 現(xiàn)場控制單元為DP Master，S7-300 PLC站為DP Slave的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換鏈接。

　　（2） 與輔助上料系統(tǒng)通訊

　　通過Modbus總線與上料系統(tǒng)的第三方破碎設(shè)備實現(xiàn)通訊，APROL內(nèi)控制其為Modbus Master站，第三方設(shè)備為Modbus Slave站，通過RS485總線連接，實現(xiàn)對輔助上料系統(tǒng)的控制連接。

　　2.3.4 系統(tǒng)的自診斷能力

　　對于一個高效而成熟的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)應(yīng)具備極強的自診斷能力。APROL DCS系統(tǒng)就提供了豐富的自診斷功能，不但增強了系統(tǒng)的易維護性，同時也減少了維護人員工作量。

　　（1） 冗余服務(wù)器狀態(tài)和性能監(jiān)測

　　通過APROL系統(tǒng)內(nèi)置的功能調(diào)用，可以對冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器的狀態(tài)，如CPU負荷、資源利用狀態(tài)，報警等進行自行記錄，并通過聲光報警方式提供給操作員站，以便及時對系統(tǒng)進行調(diào)整和相應(yīng)的操作。

　　（2） CPU狀態(tài)和I/O模塊自檢

　　對于關(guān)鍵點的CPU和I/O模塊而言，自檢能力非常必要，它使得用戶可以在線把握系統(tǒng)的故障點，并及時作出調(diào)整的響應(yīng)。

　　2.3.5 審計與追蹤功能設(shè)計

　　為了有助于用戶發(fā)現(xiàn)干擾系統(tǒng)的故障并且能夠?qū)崟r跟蹤操作員動作，APROL提供了審計追蹤功能模塊;

　　（1） “Audit Trail”功能

　　APROL提供“AuditTrail”, 它能將 “4W” （who, where, when, what）信息完整無誤地保存起來，提供事后的系統(tǒng)干擾來源數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

　　（2） APROL 完全滿足 “FDA 21CFR Part 11”標(biāo)準(zhǔn)

　　FDA 21 CFR是一項旨在確保電子數(shù)據(jù)有效性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，遵照此標(biāo)準(zhǔn)而保留的數(shù)據(jù)方可作為通過檢驗或者今后追溯的有效數(shù)據(jù)來源，APROL滿足此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計使有效數(shù)據(jù)得到很好的保存。

　　APROL的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計滿足能力使得過程監(jiān)控在一種通用標(biāo)準(zhǔn)下得到實現(xiàn)。

3 結(jié)束語

　　APROL DCS系統(tǒng)提供了高度的數(shù)據(jù)透明性和可追溯性設(shè)計，具有能適應(yīng)靈活的現(xiàn)場硬件架構(gòu)和軟件組態(tài)變化的能力，它豐富的圖形界面、靈活的配置參數(shù)、工藝功能塊超級宏設(shè)計、審計和追蹤功能、報警與趨勢分析以及系統(tǒng)自診斷功能，使得其在生物質(zhì)發(fā)電廠的應(yīng)用中完全滿足了苛刻的技術(shù)要求。

　　該項目的成功實施，充分體現(xiàn)了B&R APROL系統(tǒng)對于復(fù)雜系統(tǒng)的整體控制和適應(yīng)能力，一期項目已在2008年11月完成， 2008年12月該機組投入實際商業(yè)運行，預(yù)計年發(fā)電量可達77GW，可利用秸稈10萬噸，提供10.05×104 GJ的供熱能力。