3278793_XDPS400_+DCS系统在煤制油热电中心母管制机组中的应用

收稿日期:2012-05-29;修订日期:2012-06-26
作者简介:郭　伟(1981-),男,陕西榆林人,本科,工程师,从事火电厂热工技术管理工作。

第30卷　第4期2012年8月
江 西 科 学
JIANGXI　SCIENCE
Vol.30No.4Aug.2012
文章编号:1001-3679(2012)04-0510-07
XDPS400+DCS 系统在煤制油热电
中心母管制机组中的应用
郭　伟1袁杨少君2
(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古　鄂尔多斯017209)
摘要:随着我国生产力的不断发展以及科技水平的不断提高,DCS 控制系统目前在我国的火电厂中得到越来越多的应用。

神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心为典型的企业自备热电联产的母管制机组。

主要从DCS 的设计、系统配置、系统功能以及技术特点等方面介绍其在我中心母管制机组中的应用,来为众多的小型电力企业同行提供一些DCS 系统应用的思路。

关键词:母管制;协调控制;DCS 控制;FIO 中图分类号:TM621.6 文献标识码:A
The Application of XDPS 400+DCS in Master Control
Unit of CTL Thermoelectric Center
GUO Wei 1,YANG Shao⁃jun 2
(China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Ordos Coal Liquefaction Company,Inner Mongolia Ordos 017209PRC)
Abstract :With the development of the productive forces in China as well as technology improve⁃
ment,the DCS control systems are widely applied in thermal power plants.The thermoelectric pro⁃duction center of Erdos coal liquefaction branch of Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co.,Ltd.has the typical corporate⁃owned cogeneration master control unit.Focusing on the aspects of the sys⁃
tem design,configuration,functionality and technical characteristics,this article introduces the appli⁃cation of DCS in the master control unit,to provide some ideas of DCS′s application for a large num⁃ber of small power enterprises.
Key words :Master control,Coordination control,DCS control,FIO
0　前言
随着我国生产力的不断发展,以及我国在生
产过程自动化方面科技水平的不断提高,目前我国新建的火电厂普遍都采用了DCS 控制系统,以前采用常规控制的火力发电厂也基本进行了DCS 改造。

随着DCS 控制系统性能的不断提高,以及价格的不断下降,DCS 控制系统也逐步开始在小
型电厂广泛应用。

在我国,小型火力发电厂基本上为自备或是供热机组,主要用于冶金、石化、化工、纺织等行业大型企业的自备电厂及城市供热,大部分属于电力系统外的电厂。

典型的主设备选型多为循环流化床锅炉配抽汽式汽轮发电机组,也有高压减温减压后供汽的发电机组,一般为2炉1机或3炉2机,热力系统为母管制。

神华煤化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中
心即为典型的企业自备热电联产机组。

其DCS 系统的设计和应用,可以为为数众多的小型电力企业同行提供一些思路和借鉴[1~3]。

下面将详细介绍上海新华XDPS400+DCS 系统在鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心母管制机组的具体应用。

1　机组概述
中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心成立于2005年8月,主要负责建设运营中国第一条煤直接液化生产线。

神华煤液化项目配套自备热电站是目前世界上唯一以油灰渣、煤泥、煤矸石及选中煤为燃料的资源综合利用型热电厂。

本中心在设计过程中追求循环经济理念,立足资源综合利用和环境保护,采用循环流化床锅炉和直接空冷技术,最大限度地利用资源,实现环保和清洁生产。

该中心规划建设8炉5机(8×440t/h+5×100MW)和3×6B+3×50MW燃气蒸汽联合循环机组发电工程。

本期工程涉及3炉2机和3×6B级燃气机组。

3炉2机项目于2007年10月6日全部建成移交后,转入试生产。

燃机发电项目于2007年8月25日开工建设;2008年4月静态调试完毕。

煤泥系统于2008年10月调试完成投入使用。

煤制油热电生产中心机组主要设备及参数如下:(1)汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的NZK100⁃9.32/535;(2)锅炉为无锡华光锅炉有限公司生产的UG⁃440/10⁃M;(3)发电机为济南发电机厂生产的WX21Z⁃056LLT风冷发电机;(4)分散控制系统(DCS)与电液控制系统(DEH)均采用美国GE上海新华的XDPS400+V6.0SP1。

2　热电生产中心母管制机组系统设计2.1　母管制机组分组供电
由于DCS设备按位置分散,对DCS系统的供电采取分组供电方式,每组单独配置电源柜,接受二路220VAC交流电源,一路来自相应段厂用,一路来自相应段UPS。

再由电源柜分配至各个设备。

#1、#2、#0炉和公用系统供电分组情况均为:
(1)#1/#2机组DCS。

(a)机、炉电子室:220VAC±15%50±2Hz,单向电源,接收两路电源,每路功耗为12kVA; (b)工程师站组:220VAC±15%50±2Hz,单向电源,接收两路电源,每路功耗为5kVA。

(2)#0炉和公用系统DCS。

(a)炉、公用电子室:220VAC±15%50±2 Hz,单向电源,接收两路电源,每路功耗为6kVA。

(b)工程师站组:220VAC±15%50±2Hz,单向电源,接收两路电源,每路功耗为5kVA。

2.2　母管制机组网络设计
本系统的网络拓扑结构总体按照遵循实时、可靠、先进、开放、易维护等基本原则进行设计。

本系统设置了双网结构,整体设计为3个大双环网(#0炉及公用系统1个、#1炉及#1发电机组1个、#2炉及#2发电机组1个),3个环网通过赫斯曼工业交换机桥接成一个整体网络(如图1所示)。

由于网桥的隔离性,3个部分DCS在硬件电气上仍然相互独立,杜绝相互之间的耦合。

但是,3个部分DCS在软件上通过网桥相互交换(包括实时数据、时钟、操作指令),交换的内容也是可控的、可组态的。

整体网络中冗余实时网与信息网分开采用高速100MB/S网络主干线,且实时信息和非实时信息有效、合理的分流,既是实时运行数据畅通无阻的保障,又是实时数据上MIS系统方案的基础。

下面将分别从管理层、操作层和分布式数据库3个方面详细介绍该母管制机组的网络结构。

2.2.1　管理层　整个母管制机组网络系统的主干网由2条冗余实时网和1条系统信息管理网组成。

分布式处理单元(DPU)、工程师站(ENG)、操作员站(OPU)等所有人机接口均为直接挂在主干网上,而无需用通讯接口单元中间过渡上网,人机接口站在配置上相同,均能处理3条网上的数据资源(如图2)。

2.2.2　操作层　本系统的操作层主要有三大部分构成,分别为实时网络,分布式处理单元⁃DPU、人机接口⁃MMI(工程师站/操作员站/历史站等),人机接口站的工作主机采用研华IPC⁃610P4L⁃ACN、CRT采用DELL2007FPB,趋势打印机采用HP Color Laserjet5500激光彩打、报表打印机采用HP Officejet Pro K850。

2.2.3　分布式数据库　本系统是建立于网络之上的新一代DCS系统,它不但秉承先进网络体系发展所带来的巨大优点,而且采用分布式数据库结构。

所有的DPU是一个全局数据库的子集,而每个MMI是全局数据库的拷贝,以利于整个系统的安全、可靠、自治。

·115·
第4期
郭　伟等:XDPS400+DCS系统在煤制油热电中心母管制机组中的应用
图1　
母管制机组网络拓扑图
图2　母管制机组网络的数据高速公路图
2.3　DCS 系统接地
本中心所用的XDPS⁃400+DCS 系统接地的具体情况如图3所示。

XDPS⁃400+系统一个接地站组定义为20m 半径范围内,这个范围是指由站组接地点到每个站的最大电缆长度。

整个XDPS 系统分成若干个站组,每个站组内实行单
点接地,站组内各站接地点分别汇接到站组接地点(>10mm 2多芯铜质电缆),站组的接地点汇接到XDPS 系统接地铜板(>20mm 2多芯铜质电缆),从接地铜板接至厂用接地网的DCS 系统接地桩(>90mm 2多芯铜质电缆,两端焊接)。

XDPS 的DPU 机柜内有2种接地,即机柜接地点CG(Cabinet Ground)和逻辑接地PG(Digital Power Ground)。

各个站的CG 可以按星形连接或串形连接方式汇接到站组接地点,PG 必须按星形
方式汇接到站组接地点。

各机柜与机房的地板/
砖绝缘,以确保实现系统单点接地,隔离电压大于
1000V。

机柜与底座盘绝缘,其绝缘电阻>2
MΩ。

所有的接地点必须接触可靠,接地导线总
接地板用焊接或螺钉连接,并加弹簧垫片。

各机柜与机房的金属槽钢必须绝缘。

系统的接地铜板到大地的接地电阻≤4Ω。

接至厂用接地网,选择一个接地桩为XDPS 系统接地点,以XDPS 接地桩为圆心,半径6m 内或与之相邻5个接地桩内不得有高电压强电流设备的安全接地和/或保护接地点。

XDPS⁃400+能直接接至电气接地网,无须设置独立接地网,接地电阻值不大于4Ω。

XDPS⁃400+采用站组单点接地方式,通过单独接地点接入电厂电气接地网,与6kV 等高压设备的接地点间的距离应不小于6m,
不能与这些设备共用接地点。

·
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图3　DCS 系统接地图
2.4　XDPS⁃400+与外系统通讯接口
本中心3炉2机DCS 控制系统与其它系统对接均采用高速以太网进行。

DCS 系统采用VD⁃PU 与锅炉吹灰系统、炉水加药系统、煤泥输送系
统进行通讯,采用ASDPU 与SIS 系统进行通讯。

2.5　机组DCS 远程I /O
热电生产中心为节约水资源,2台机组用采用直接空冷技术。

因空冷岛距离电子室较远,考虑费用问题,系统设计采用新华公司FIO(Field Input⁃Output)技术实现远程I /O 控制,整体结构
如图
4。

图4　整体结构图
新华公司XDPS⁃400+的远程I /O 系统经过多个工程的应用考验,其基于现场总线技术,结构灵活,维护简单。

它不但满足各种过程控制、逻辑控制、数据采集的功能要求,而且还能大幅度降低系统的成本,充分体现当今技术发展的先进性、开放性、经济性。

目前已有:FIO (Field Input⁃Out⁃put)、FCS(Field Control System)等系列产品,应用
于电厂和其它不同的领域。

FIO 是将I /O 放置在就地,通过通讯电缆(双
绞线、光缆)与DPU 相连,完成远程监控功能,是
DPU 的一个I /O 站。

FCS 是将整个控制系统DPU、I /O 均放置在就地,通过通讯电缆(双绞线、
同轴电缆或光缆)与XDPS 系统的实时网相连,完成远程监控功能,是XDPS 系统的一个子系统或子功能站。

FIO 和FCS 具有如下特点:(1)易用性,简化了系统配置、应用、维护;(2)一体化无缝的软件集成,DCS 可将远程I /O 看着是DCS 系统的一个子I /O 站或子功能站,所有组态、调试均与
DCS 一样;(3)带电插拔、即插即用,逐个通道配置,且有自诊断至通道级的功能。

运行温度范围
达-20~70℃(超过温度范围,机柜带有空调);(4)支持现场总线接口标准和无线发送功能;(5)电源及接地,由系统电源柜供两路220VAC 电源,由于FIO 总线采用光缆连接,系统间相互隔离,因此每个远程I /O 柜可就近单点接地,接地电阻<4Ω。

3　DCS 系统硬件配置
DCS 各子功能站点采用相同类型的硬件、软
件配置,硬件上的互换性使机组可减少备件,提高
维护性。

3.1　DPU 配置
中心DCS 系统所采用的上海新华XDPS400
+V6.0SP1共设计了28对DPU。

每对DPU 互
为冗余,可最多挂8个I /O 站,本中心最多挂3个站。

28对DPU 的分配情况如下。

(1)#0炉及公用系统设有8对DPU(#1⁃#8,#
21⁃#28),其具体分配为:#1/#21为#0炉FSSS 的
控制,#2/#22⁃#5/#25为#0炉的其它控制和公用除氧器的控制,#7/#27⁃#8/#28为公用系统电气部分,#6/#26为全中心公用系统控制。

(2)#1炉及#1发电机组设有10对,其具体
分配为:#11/#31为#1炉FSSS 的控制,#12/#32⁃#
15/#35为#1炉的其它控制和#1除氧器的控制,#
·
315·第4期 郭　伟等:XDPS400+DCS 系统在煤制油热电中心母管制机组中的应用
16/#36⁃#17/#37为#1汽机部分控制,#18/#38为#1发电机ECS部分的控制,#19/#39为#1机组空冷部分的控制,#20/#40为#1机组DEH部分的控制。

(3)#2炉及#2发电机组设有10对,其具体分配为:#61/#81为#2炉FSSS的控制,#62/#82⁃#65/#85为#2炉的其它控制和#2除氧器的控制, #66/#86⁃#67/#87为#2汽机部分控制,#68/#88为#2发电机ECS部分的控制,#69/#89为#2机组空冷部分的控制,#70/#90为#2机组DEH部分的控制。

3.1.1　电源配置　控制系统中有3种高性能、高可靠开关电源(如表1),每种电源冗余配置,每对电源可互为备用。

每种开关电源提供的电压等级和供电能力,每对DPU所处站配置2块+5VDC、±15VDC电源模块,同时配置2块+24VDC、+ 48VDC电源,互为备用。

表1　开关电源一览表
种类
应用
范围
标称值
/V正常范围
/V输出功率
/W +5V,
±15V电源I/O卡件
5,
±15
5.20±0.15,
±14.8±0.5300 +24V电源端子板、
手操器
2424±1.0150 +48V电源端子板4848±1.0150
电源配电箱采用两路220VAC输入(A路为UPS所供,B路为相应段厂用所供),经过滤波之后作为DPU和I/O电源,并提供一路切换后的电源,作为应用设备和其它调试设备的电源。

同时,配电箱还设有报警功能,可分别输出各路电源的掉电报警。

供电原理如图5所示。

图5　供电原理图3.1.2　卡件配置　整个系统采用206块16路模
拟量输入卡件(CCC2.907.245⁃SS),62块8路模
拟量输出卡件(CCC2.906.384⁃JS),6块8路PI
开关量脉冲计数(CCC2.908.249⁃JS)85块32路
开关量输出卡件(CCC2.907.340SS),148块32
路开关量输入卡件(CCC2.907.409⁃SS),116块
BC⁃NET通讯卡(CCC2.908.242A⁃JS)组成。

具体
I/O使用如表2所示。

表2　I/O使用一览表
信号类型卡件
类型
I/O点
总数
I/O点
使用数
使用率
/%
MA⁃V CCC2.907.245⁃SS1632137384 AO CCC2.906.384⁃JS49619940 DI CCC2.907.409⁃SS4736421489 DO CCC2.907.340SS2720216279 TC CCC2.907.245⁃SS62450881 RTD CCC2.907.245⁃SS104089886 PI CCC2.908.249⁃JS482144%3.1.3　MMI站配置　本系统共设置16台MMI 站,其中主控室布置11台,操作员站(OPU)10台,值长站(SOPU)1台(如图6);工程师站布置了5台,DCS工程师站(ENG)1台,#1发电机组DEH工程师站(DEH⁃ENG1)1台,#2发电机组DEH工程师站(DEH⁃ENG2)1台,网桥站(GTW) 1台,历史数据站(HSU)1台。

集控室MMI站布置图如图6所示,工程师站MMI布置图如图7所示。

图6　集控室MMI站布置图
·415·江　西　科　学2012年第30卷
图7　工程师站MMI布置图
3.1.4　系统设计硬点　本系统设计硬点数11568,已使用9392,使用率为81%;模拟量共3792,已使用2978,使用率为78.5%;开关量共7504,已使用6397,使用率为85.2%。

3炉2机正常运行时DPU负荷率如表3所示。

4　3炉2机协调
中心母管协调控制设计的总体思想为能量平衡(流量平衡)及输入母管的蒸汽总量与输出母管的蒸汽总量的平衡。

主蒸汽母管压力恒定是表征锅炉供汽量和汽机汽耗量平衡的标志,因此,母管压力控制系统担负着统一指挥、并列运行各台锅炉加减负荷的任务,该系统的输出就是所有并列运行锅炉的给定负荷指令。

母管制机组负荷指令是通过机组运行工况、要求的限制等加以处理的信号构成的。

各炉之间负荷控制(燃烧控制)来完成母管制机组负荷分配控制,从而保证母管压力恒定。

由于热电生产中心机组需要为煤制油供汽,并要求母管压力稳定;机组采用3炉2机母管方式运行;循环流化床的大迟延大惯性;汽轮机的快速调节等特点;选取1台有调节余量的汽机(汽机负荷在4~9MW之间,具体数值由运行人员根据实际情况决定进行母管压力控制,另一台汽机采用负荷控制,锅炉均使用负荷控制。

以保证母管压力和机组的稳定运行。

表3　DPU负荷率
DPU号负荷率/%
#1/#2117
#5/#2512
#11/#3117
#15/#3517
#19/#399
#63/#835
#67/#879
#2/#227
#6/#2612
#12/#327
#16/#3610
#20/#4013
#64/#8412
#68/#889
#3/#236
#7/#278
#13/#336
#17/#379
#61/#8116
#65/#8514
#69/#8910
#4/#2412
#8/#288
#14/#3413
#18/#389
#62/#827
#66/#8610
#70/#90
12
图8　母管制符合控制中心画面介绍(下转第535页)
·515·
第4期
郭　伟等:XDPS400+DCS系统在煤制油热电中心母管制机组中的应用
Advances in knowledge Discovery and Data Mining,Cambridge:AAAT /MIT Press,1996:1-34.[4]
SPSS URL[EB /OL]. last
visit time:2007,9,13,12:33.
[5]
Srikant R,Agrawal R.Mining Quantitative Association
Rules in Large Relational Tables.Proceedings of the Acm Sigmod Conference on Management of Data (SIG⁃
MOD′96)[M].New York:ACM Press,1996:1-12. (上接第515页)
5　结束语
5.1　整体评价
神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司热电生产中心采用美国GE 上海新华XDPS⁃
400⁃DCS 控制系统以来机组运行稳定,未发生因控制系统故障导致机组停运或减负荷事件,整体DCS 控制网络和系统的电源配置还是比较合理的,可以为同类型电厂的设计提供一定的参考。

5.2　存在问题
(1)由于#0炉及公用系统使用同一电源及网
络,公用部分的DCS 硬件与#0炉的DCS 硬件也不完全独立(有共用一面机柜的现象),所以导致在#0炉检修过程中部分机柜与硬件无法彻底断电,这就给热控人员的检修工作带来不便,还必须严格执行检修规程避免出现误动。

(2)DCS 系统当初设计时备用I /O 富裕量不
是很充足,在经历了后期的改造新增加远传监测和控制仪表后使得系统I /O 备用率很低,给改造和日常维护等带来不便。

(3)DCS 尚不能覆盖全中心各个辅助PLC 系
统,3炉2机DCS 与其它各PLC 系统间通讯时的接口通讯协议等种类繁多,这就对热控人员也提出更高的要求;同时由于各个系统对参与经济核算的测点累计时,算法上存在差异,导致累计量偏差较大,这样就给整个生产中心的汽水平衡和经
济核算工作带来很大的麻烦。

(4)本中心协调控制虽已调试完毕,但由于
供汽的要求严格,流化床锅炉调蒸汽负荷时反应速度较慢,而且惯性较大,加上用汽机进行调节母管压力时,发电机负荷波动较大,经过实践证明当蒸汽量波动较大时,给系统带来诸多不稳定因素,因此目前本中心协调控制仍无法正常投入。

希望今后能与同类型电厂进行技术交流,尽早解决本中心存在的问题。

参考文献院
[1]　北京国电华北电力工程有限公司.神华神东煤制油自备热电厂(神华鄂尔多斯煤制油分公司热电生产
中心原名称)控制系统设计[Z].2009.
[2]电力规划设计总院.神华神东煤制油自备热电厂工程初步设计审查意见[Z].
[3]
DL /T5175⁃2003.火力发电厂热工控制系统设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,2003.
敬告作者·读者
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《江西科学》编辑部　
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535·第4期 左　颖等:Apriori 算法和矩阵分析在医学数据分析中的应用比较。