现场总线技术在1 000 MW二次再热机组的应用研究

徐 龙

（广东大唐国际雷州发电有限责任公司， 广东 雷州 524255）

引言

按照国际电工委员会IEC61158的定义，现场总线（fieldbus）是：“安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线”；由现场总线和现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统，通称为 FCS（Fieldbus Control System）[1]。适用于发电厂过程控制的现场总线型式，目前的主流产品有三种：FF型现场总线、Profibus型现场总线、WorldFIP现场总线（相应的总线设备尚未开发）。目前较普遍应用的是FF型现场总线、Profibus型现场总线。

1 现场总线技术在电厂的应用概况

现场总线技术经过了从电厂辅助车间逐步过渡到主车间的应用过程。从辅助厂房的个别系统试用到辅助厂房的全面应用，再到主机系统的应用，已广泛应用于整个电厂。目前，国内一些电厂也开始广泛使用现场总线技术。如：九台电厂和金陵电厂，在主机系统及辅控系统全范围使用了现场总线技术，涉及全厂各系统的多类设备，如电动执行机构、电动马达保护器、变送器和电磁阀箱等。

华能南京金陵电厂2×1 030 MW超超临界燃煤机组1号机于2009年12月23日通过168试运行。该项目在主辅系统全面采用Profibus现场总线，是我国第一个超超临界机组总线应用示范项目。该项目的主系统控制器配置26+2对控制器、35个总线通讯柜、51个冗余DP网段、11个单总线DP网段、124个PA网段、358个DP总线设备、628个PA总线设备，涵盖25个系统和流程，采用了13种类型的总线设备，基本包括主机的所有典型设备。辅控系统包括锅炉补给水处理、凝结水精处理、净水、废水处理、脱硫采用现场总线控制系统。

2 雷州发电公司的现场总线工程

2.1 雷州发电公司工程概述

广东大唐国际雷州发电有限责任公司（以下简称“雷州发电公司”）一期工程建设2台1 000 MW国产燃煤超超临界汽轮发电机组。锅炉采用哈尔滨锅炉厂生产的超超临界、二次再热、变压直流π型炉，型号为HG-2764/33.5/605/623/623-YM2。汽轮机采用上海电气生产的超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、十级回热抽汽、双背压凝汽式汽轮机，型号为N1000-31/600/620/620。发电机采用上海电气生产的THDF125/67型号发电机。投产后，实现供电煤耗265.55 g/kWh、烟尘排放质量浓度≤10 mg/m3、SO2排放质量浓度≤35 mg/m3、NOx排放浓度≤50 mg/m3。

2.2 本工程现场总线实施范围

雷州发电公司采用国电智深的EDPF-NT Plus控制系统，在全厂范围使用Profibus现场总线技术，目前是国内使用总线设备数量最多的大型火电厂，主机系统总线设备超过1 800台。本工程现场总线的主要应用范围如下：

1）广泛采用总线型变送器。除接入专用系统（如DEH）或用于炉压保护外，所有智能变送器均采用现场总线接入分散控制系统（DCS）。

2）除涉及机组安全的电（气）动门外均考虑采用现场总线控制。重要的电（气）动门保留硬接线紧急操作指令接口或配置紧急操作电磁阀等附件，例如磨煤机出口门增加硬接线紧急关闭接口，凝汽器真空破坏门增加硬接线紧急打开接口。

3）380VAC低压电动机采用现场总线控制，重要的低压电动马达保留硬接线控制回路（如火检冷却风机、汽机润滑油泵、发电机定子冷却水泵及密封油泵等）。

4）集中式电磁阀阀岛采用现场总线控制（如水处理和除灰系统气动阀门电磁阀）。与机组启停联锁的气动阀不采用现场总线控制（如汽机疏水阀等）。

5）开关量测点不采用现场总线(如液位、温度、压力开关等）。

6）温度信号不采用现场总线，集中分布的温度测点采用DCS远程IO接入控制系统。

7）影响机组安全运行的系统不采用现场总线（如 FSSS、MFT、DEH/ETS、TSI、MTSI、SOE 等）。

2.3 网络结构及网段划分原则

1）网段划分原则。按照工艺系统划分调节回路控制策略和设备控制逻辑，并在各DCS控制器中实现。现场总线也按照工艺系统来划分网段，属于同一个工艺系统且空间位置临近的设备可划分在一个网段上。把控制系统中关联的检测仪表和执行机构划分在同一网段中，可以提高运算速度。冗余配置的同类设备，配置在不同网段中。

2）网络结构。PROFIBUS DP现场总线网段主干网采用光纤和DP总线电缆连接。PROFIBUS PA现场总线网段采用PA电缆，形成树形、总线形和两者的复合结构。现场总线网段设计应尽量降低单点故障率，连接和断开总线上的设备不应影响有关的现场总线网段工作。雷州发电公司现场总线控制系统的总体结构如图1所示。

图1 国电智深现场总线控制系统的总体结构

2.4 保证系统安全的措施

1）有要求连锁保护的重要执行机构，例如危急疏水门、减温器喷水门等调节型阀门应设置快速动作电磁阀。

2）紧急情况下需操作的电动门，如真空破坏电动门，应预留紧急操作接口。

3）对于支持双口冗余的设备，均采用双网双卡的冗余结构。

4）所有接口卡均按冗余设置。

5）每块接口卡占用的接口不超过2个。

6）为提高抗干扰能力，由DCS机柜到现场通讯箱的总线主干电缆均采用光纤连接。

7）PROFIBUS DP总线的每个网段上挂接的现场总线设备数量不超过12台；对于PA总线网段，每个网段接入的PA设备数量最多6个，且同一网段上接入的执行机构数量最多2个。

2.5 现场总线工程实施中应注意的问题

1）各类现场总线设备接入FCS前应先进行相关的测试。

2）由于新建电厂辅助车间系统，如化学制水系统、加药系统、精处理系统和除灰渣系统等一般采用分岛招标形式。辅助车间的现场总线系统应采取统招分签的方式，有利于系统的功能完整和质量把控。

3）总线电缆应尽量采用独立槽盒敷设，如不能采用独立槽盒，应在槽盒中增加金属隔板。

4）在安装、调试前，应由厂家或者总线咨询单位对相关人员进行培训，特别是电缆敷设、屏蔽线的处理和连接、接地线的处理，良好的安装质量可以为后续的设备调试打下基础，大大节省设备的调试工期。

3 采用现场总线技术的意义

现场总线并非只是把众多仪表挂接在一根总线上，节省电缆不是真正目的，因为采用DCS系统的远程I/O也可达到节省电缆的效果。它真正意义在于现场总线采用数字式智能通讯，可以从现场设备采集丰富的数据信息[2]。现场总线设备可以开发多种故障自诊断功能，并通过数字网络将故障诊断信息送至控制器，管理人员可以在通过资产管理系统（AMS）查询已连接的总线仪表设备的参数、故障信息。通过增加相应的诊断模块，还可以二次开发状态检修系统，根据状态检修系统的指导意见，可以缩短停机维修时间，节约检修费用，降低生命周期成本。现场总线系统不仅提供高级别的控制、管理功能，且系统在发电厂的全生命周期中的投资远低于常规DCS。从电厂的长期综合经济性和效益来看，现场总线的价格优势就会非常明显。

4 结语

雷州发电公司在基建和运维期间采用三维建模、物联网、大数据分析等先进技术来建设智慧型电厂，而现场总线系统的应用是实现智慧电厂的数据基础。通过对大数据的深度挖掘，可提高电力生产过程中的可控性，减少人工干预。通过智慧决策，优化系统运行方式，必将大幅提高系统的经济性和安全性。