浅谈热工设备物理分散优化布置在电厂的运用

摘要:DCS控制柜等主机设备控制柜的物理分散布置能充分发挥DCS布置分散、监控集中的特点和优势,大幅减少电缆、桥架材料和施工费用,因此在新建电厂时推荐采用热工设备物理分散布置的方案。文章探讨了热工设备物理分散优化布置在电厂的运用,供相关人员参考。

关键词:热工设备;物理分散;优化布置;电厂;DCS;远程IO

中图分类号:TM611文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0114-03

一、主机热工设备布置与集控室布置的需求分析

现代大容量火电机组,业主提出的要求是“投资最省、定员最少、自动化程度最高、运行最舒适”,要做到这一点就要求做到以下几点:

1.大幅减少热工电缆及桥架等安装材料,缩短施工周期,配合其他专业将主厂房的布置做到最优、节省投资。

2.提高自动控制水平和科学管理功能,最大限度的减少运行检修人员。要求做到运行人员可以在集控室内通过分散控制系统(DCS)操作员站对整个系统进行启停操作、正常运行的监控及事故处理,设必要的工业电视,实现全CRT监控,仅在DCS操作台上配置紧急停机按钮及少量设备的硬接线操作按钮,以保证机组在紧急情况下安全快速停机。整个机组的控制水平要求达到机组正常运行时只设一名运行值班员和两名辅助值班员的运行管理水平。辅助车间采用辅助车间集中控制系统进行控制,此时根据需要增加1名运行值班员。预留的烟气脱硫系统可纳入辅助车间集中控制系统控制。

3.运行人员工作条件舒适,充分考虑人性化。为满足上述要求,从热控设计角度尽量考虑采取以下措施:(1)充分发挥DCS的布置分散、控制集中的特点,采用模块化设计,将大量控制系统设备模块化分配后进行物理分散布置,布置地点考虑靠近被控设备同时与主厂房的布置协调,并尽量使用主厂房现有空间;(2)合理合并控制点,优化全厂控制系统,提供控制水平;(3)改善运行人员工作环境,提供舒适性和方便性。

二、主流DCS物理分散的技术水平与应用水平

(一)DCS电子设备物理分散的技术条件

1.通讯技术条件。随着网络和计算机技术的发展,分散控制系统DCS应用的推广普及,响应用户的普遍需求,DCS网络趋向于采用通用的网络硬件和标准协议。目前,大多数DCS的主干通讯网络支持光纤介质,通讯网络两站之间的距离满足电子设备间分散的要求,以下是电站常用的几家DCS的通讯网络情况:

MCS公司的MAX1000+PLUS系统采用MAXnet通讯网络连接工程师站、操作员站和机柜RPU(DPU柜),MAXnet通讯网络采用100Mbps的交换式以太网,支持双绞线和光纤介质,当机柜距离控制室低于180m时可采用双绞线,超过180m时需采用光纤介质,可达1000m。

ABB贝利公司symphony系统中用于过程控制和过程管理资料交换的控制网络为Cnet,Cnet的环形网络用于连接现场控制站HCU(DPU柜)、人机接口和系统工程设计工具,环形网络使用内存插入式的存储转发协议,数据传输率为10MB/S,可采用同轴电缆和光纤介质,相邻两节点之间的距离可达2000m以上。

西门子公司的TXP系统电厂总线用于AS620自动控制系统(DPU柜)、OM650过程控制和管理系统的处理器PU/SU、ES680工程设计系统处理器ES和DS670诊断系统处理器DS之间的通讯,终端总线用于PU/SU、OM650 操作终端 OT(操作员站)、ES680操作终端ET(工程师站)和DS670操作终端DT之间的通讯,电厂总线和终端总线均是通过使用光缆的局域以太网建立起来的,采用IEEE802.3标准的碰撞检测(CSMA/CD)协议,传输介质可采用同轴电缆和光纤,最远距离可达4300m。

上海福克斯波罗的I/A Series系统的结构按节点的概念来构成,I/A Series系统各个站(控制处理机,应用操作站处理机等)通过节点总线(Nodebus)相互连接形成过程管理和控制节点,节点总线符合IEEE802.3标准,采用总线形式,传递媒体为同轴电缆或光缆,通讯管理方式采用碰撞检测方式,数据传输率10MB/S,节点总线段最大长度为30m,利用节点总线扩展组件进行总线扩展,两节点总线扩展组件之间距离最大300m,节点总线最大长度为700m,控制处理机通过现场总线和现场总线组件连接,现场总线采用双绞线时最大长度可达1800m,采用光缆时可达20km。

西屋公司的Ovation系统的Ovation FDDI通讯网络以FDDI网络(光纤分布式资料接口)为基础,通讯速率为100Mb/s,以光纤为介质,两站之间距离可达2km,超过2km时,可选择单模光纤,两站之间距离可达60km,FDDI环形距离最大为200km。现在Ovation最新产品也可使用支持双绞线和光纤介质的交换式以太网。

综上所述,除I/A Series系统节点总线长度有一定限制需要通过合理设计优化外,其他厂家的DCS控制站之间的距离均可达到1km以上。

2.抗干扰技术条件。随着电子技术、工艺制造、网络材质及通讯技术的进步,对I/O模件抗物理干扰的问题得以很好的解决。分散布置后,由于I/O模件靠近现场,在电气干扰方面,由于I/O信号到模件的电缆大大缩短,它们所耦合进来的干扰比原来方式下的干扰要减少很多。这是分散布置方案的重大的潜在优势。将会在电厂后续的调试、维护阶段充分体现出来。

表1是几个DCS厂家生产用于现场的I/O模件的技术指标和要求指标:

从上述四家DCS提供的现场I/O模件看,系统硬件的抗干扰等级水平比过去有了很大的提高。特别是节点之间的通讯采用冗余光纤电缆和自诊断等技术措施,环境适应性大,抗干扰能力强,传输速率高,实时性、安全性得到了保证。针对火电厂内环境的差异,可以考虑使用简易房加简易空调或采用密封机柜和加装空调等措施解决。

3.电气DCS机柜物理分散的技术条件。目前电气进入DCS已有许多成功业绩,电气全部进入DCS(某些专有设备,例如自动励磁控制装置、自动同期装置等通过接口与DCS连接)已成共识。电气I/O点数约占DCS I/O点数的20%,因此电气用DCS机柜可置于电气配电间,电气配电间的环境基本能满足DCS机柜对环境(温度、湿度、风尘及电磁环境等)的要求。配电间的环境不能满足要求时,可通过改善配电间环境,或通过DCS采用密封机柜和加装空调解决。另外,DCS卡件都有机柜的屏蔽,再通过良好的接地系统都能满足对电磁环境的要求。实际上,电气的一些微机控制装置都在电气配电间内运行多年,且运行良好。

(二)远程I/O

目前,远程I/O基本上分为两类,一是DCS系统的远程I/O、其二是国产远程智能I/O。

1.DCS系统的远程I/O。在石油化工等行业,DCS远程I/O的应用较为普遍,由于电站本身的特点,DCS在我国电力系统的应用发展过程中,几乎都采用集中电子设备间的形式。近年来随着DCS在电站应用的普及,根据现场需求,各DCS厂商都不同程度的在远程I/O方面进行了开发应用,但目前在国内的应用业绩很少,下面是几家DCS远程I/O的特点和应用情况:西门子公司的TXP系统采用现场总线profibus连接处理器AP和远程站ET200,ET200有IP20、IP54、IP65等不同防护等级的产品,有专门的手册介绍,在一些电厂的循环水泵房等有应用;MCS公司的MAX1000+PLUS的远程I/O卡件与MAX1000+PLUS系统中相同并行总线I/O卡件完全一样,远程I/O箱大小可选,防护等级IP65,通过总线扩展模件利用光纤连接远程I/O和电子设备间的DPU,距离可达1000米,在产品样本中有专门的章节介绍,已有成功应用业绩;西屋的OVATION系统的远程I/O柜与其标准机柜尺寸相同,适用温度与抗干扰等级与其现场I/O机柜相同;ABB-BEILY的symphony系统,远程I/O与主机柜之间距离为1300m,适用温度与抗干扰等级与其现场I/O机柜相同。

由以上情况可看出,著名的DCS厂家都有远程I/O产品,国内应用业绩较少,但技术上是成熟的,并且远程I/O的通讯总线可采用冗余通讯总线可靠性得到了保证。因此,远程I/O的应用问题仅仅是DCS厂家提供的柜体的防护等级和不同大小远程站的可选择性问题。

2.国产远程智能I/O。近几年,国内仪表生产商成功开发出自己的分布式测控网络,比较有代表性的有南京总参工程兵工程学院微机测控技术研究所开发的893-数据采集网络,锡山市阳山仪器仪表厂生产的IDAS智能数据采集网络。两者在结构上有相似之处,采用智能数据采集前端,素称黑匣子,就近布置于生产设备附近,采集过程参数并进行工程变换、越限报警等数据处理,通过串行总线和置于主机内的网络适配器与主机进行数据通讯。一个采集网络可挂50块黑匣子,一块黑匣子一般具有20个左右的信道,智能数据采集前端采用密封结构,可防尘防潮,环境温度要求为-20℃～60℃,真正实现了分布式测量,现在已大量应用于火电厂数据采集系统,在小机组生产过程监控方面应用非常广泛。

在某些大中型火电机组采用DCS监控的同时,为减小DCS规模,降低DCS造价,对一部分资料的监视也采用国产数据采集网络,通常称之为小DAS,利用其数据采集与处理功能,采集过程参数,通过一定的通讯方式把采集到的参数传给DCS进行监视,相对DCS而言,称之为远程智能I/O。

远程智能I/O与DCS之间的通讯基本上有四种方式,一是利用已开发的DCS和远程智能I/O的现成接口连接,目前只有少数可利用的产品;二是通过DCS局域网的PC机接口,增加PC机,该PC机既作为远程智能I/O的主机,也作为DCS的一个工作站;三是,当DCS系统的操作管理站采用PC总线计算机时(目前DCS的操作管理站多采用PC总线计算机),直接将智能数据采集网络的网络适配器插入DCS的操作管理站,此时操作管理站亦作为智能数据采集网络的主机;四是通过串行口的方式,也是以往工程中应用最多的一种方式,通过智能数据采集网络的串行口适配器或其主机的RS232C、RS422/485串口与DCS控制站的串口相连接,这种连接方式受串行口速率的限制,但对于辅助测点参数采集的小系统来说足以满足要求。这四种方式中第一种方式最理想,但可供应用的产品太少,后三种方式都需要DCS和智能数据采集网络厂家配合开发一些小程序,业主和设计院在这方面都应协调好其中的关系。

这种DCS+国产智能数据采集网络的方式能节省一部分投资,在物理分散方面起一定的作用,对主设备金属温度群的辅助测点监测采用国产智能数据采集网络与DCS通讯的方式也符合安全可靠、降低工程造价的设计原则。

3.远程I/O的选用。在控制系统的配置中到底采用DCS一体化的远程I/O,还是采用国产化的远程智能I/O,应根据所选用的DCS、工程中热控系统的投资以及应用场合而定。对泵和风机、循环水泵房的参数采集和控制,由于I/O点较为集中、数量较多、同时有输入和输出、且远程I/O布置的环境都较好,因此采用DCS一体化的远程I/O。锅炉和汽机的金属温度,发电机的线圈、铁心、氢气和冷却水温度,辅机轴承温度等辅助测点的监视可采用国产远程智能I/O。

按以往的工程经验,DCS一体化的远程I/O的工程造价是国产远程智能I/O造价的两倍以上,当选用的DCS合适,并且工程I&C投资允许的情况下,也可选用DCS一体化的远程I/O,这样设备选型统一、便于施工管理,设备间的工作也更协调,通讯也更可靠。若选用DCS一体化的远程I/O,在测点和控制点较为集中的区域,除MFT、汽机跳闸等保护回路相关的测点采用硬接线的方式外,应积极采用远程I/O。

(三)国内火电站DCS的物理分散布置的工程应用

国内自80年代采用开始分散控制系统(DCS)作为火电厂的主要控制系统,DCS电子设备一般都布置在集控楼内,随着电子设备抗干扰等级的提高,设备更可靠,在电厂设计中DCS物理分散的方案也开始出现:在西门子公司设计的邯峰电厂中大量采用了放置在现场的大型端子箱,端子箱到放置在集控楼的DCS控制机柜之间使用DCS预制电缆连接,这样做的好处一是大大减少了控制电缆的用量,二是端子箱到DCS控制机柜的接线设计可以提前完成,端子箱到就地接线盒等设备的设计施工可以稍后完成,有利于节省工期,出现工艺变更后更改的范围也有限;在国华定洲电厂中,将汽机电子设备间放置在汽机房内6.9米搭建的汽机电子设备间内,锅炉配电箱和吹灰程控柜放置在锅炉运转层,汽机部分的控制电缆的平均长度由110米减少到50米,节省控制电缆总量达到210公里,节省投资252万元;在福建的湄州弯电厂,美国设计公司甚至取消的专用的DCS电子设备间,将DCS机柜直接放置在汽机房和锅炉区域,为适应湿热的环境,采用了高防护等级专用的DCS空调机柜,集控楼得以取消,建设投资大为节省,至今运行情况良好。在国产首台三十万级超临界国产燃煤机组——华能瑞金电厂工程中,也采用了远程I/O站的DCS设计配置,远程I/O柜与放置在集控室的DCS控制机柜之间使用DCS预制电缆连接。其方案优点一是大大减少了控制电缆的用量,二是远程I/O柜到DCS控制机柜的接线设计可以提前完成,加快施工进度,有利于节省工期,出现工艺变更后更改的范围也有限;通过以上事例可以得出这一技术发展趋热必将推动新一轮火电机组设计的革新。

(四)其它热控设备的物理分散布置条件

讨论热控设计中热控电子设备间的设备物理分散布置的问题之后,主要问题集中在热工配电柜和各种低压电气柜的分散布置上。传统的常规控制设计中,诸如锅炉、汽机、电动阀门、执行机构380VAC、220VAC配电箱、吹灰动力柜等习惯于集中动力室布置。而就这些强电装置的工作环境来说,并不存在要求集中的空调恒温恒湿运行环境要求、抗设备布置场合的强电磁干扰问题,对于防尘、防雨要求仅在机柜订货时明确其必要的防护等级即可,也可采取现场搭建遮蔽设施予以解决。此外,动力配电柜靠近热控设备布置也便于设备的运行或检修通、断电操作。为优化热控电子间以及集控楼布置制造条件,传统的常规控制设计中热控强电动力柜的就地布置参照电气专业的MCC布置也为电厂所接受。

综上所述,DCS在火电机组建设中采用物理分散分置以及热控设备的物理分散布置方案是完全可行的。

参考文献

[1]龚立贤.2000年燃煤示范电厂主厂房布置设计特点分析[J].热机技术,2005,(4).

[2]王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].电子工业出版社,2004.

作者简介:陈荣(1980-),男,江西乐安人,江西省电力设计院工程师,研究方向:热控设计。