火力发电厂中集散式控制系统的应用

潘召涛

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山发电厂，山西方山 033102）

0 引言

随着国家综合国力的不断提升，对能源的需求也逐渐增多，火力发电则是推动城市快速发展的关键动力[1]。传统的火力发电厂在运行过程中存在智能化控制程度低、操作复杂、故障检修耗时较多、人员劳动强度大、操作安全保障性低等问题，将当前更加先进的控制技术应用到发电厂的生产作业中，提升火力发电厂的自动化控制水平，已成为当前政府鼓励、企业提升改进的重要方向[2]。经过调研，集散式控制系统（DCS）则是相对成熟、可靠的控制系统。为此，开展了基于集散式控制系统（DCS）在火力发电厂中的应用研究，进行了该系统的实际运行测试，验证了该控制系统的可行性及可靠性，对提高发电厂的集中控制水平及生产安全具有重要意义。

1 集散式控制系统（DCS）选择分析

集散式控制系统是一种充分将通信系统、分散式控制分系统、信息处理及管理系统等集合在一起的利用微型计算机进行分析计算的新型远程控制系统，具有信息处理量大、配置灵活、组态方便等特点，已在各个领域的工业控制中得到了广泛应用[2]。目前，市场上开发较为成熟的DCS系统相对较大，知名品牌包括如下几点：（1）OC6000e系统是由新华设计研究的最早的集散式控制系统，具有可靠性高、集成度高、智能化程度高等特点，运用了667 MHz控制器和以太网进行进行通讯连接控制，数据传输相对较快[3]。（2）HS-2000则是由北京和利时集团开发的集散式控制系统，该系统具有可靠性高、操作方便等特点，在国际上得到了广泛应用，但成本相对较高[4]。

由于本次应用场景为火力发电厂，需对蒸汽锅炉、给水、温度等进行实时控制，根据发电厂的现场特点及使用情况，综合价格优势基础上，优选了新华设计的OC6000e集散式控制系统[5]。发电厂中集散式控制系统将基于此系统进行有针对性的设计应用，以更快、更稳定的满足发电厂的控制需求，有效提高发电厂的生产效率及作业安全。

2 发电厂中集散式控制系统（DCS）设计

根据火力发电厂中的实际情况，有针对性的开展了基于OC6000e系统的火力发电厂集散式控制系统（DCS）的总体设计研究。该控制系统框架结构主要由操作层、控制层及I/O接口层、网络系统等组成，各层之间包括了硬件、软件、数据采集分系统、模拟量控制分系统、汽包水位调节分系统等部分，各分系统之间的相互配合，完成了对整个火力发电厂的智能化远程控制操作。

其中，操作层采用了Windows7控制系统，配备了操作员站和工程师站相结合的人机界面站，是整个系统的上机位部分。经过处理后的相关运行状态及参数均会通过人机界面进行实时显示及数据分析处理，并绘制成对应的变化曲线。I/O接口层是基于以太网进行通讯连接的接口层，可灵活的布置在该系统的不同位置，以提高信号传输质量及通讯电缆的而网络系统采用了实时控制网（UDH）方式，主要负责将各分系统、硬件及软件分系统等进行有效、实时连接和数据通讯，具有反应速度快、运行稳定可靠等特点，能较好的完成各分系统之间的连接及接口扩展。网络系统的连接框架如图1所示。

图1 网络系统的连接框架

3 控制系统主要分系统设计

3.1 系统硬件

集散式控制系统的硬件部分是整个系统的核心，主要包括了DPU控制器、I/O接口、网络、控制箱、RS485总线等组成，DPU控制器控制器主要安装在控制箱中底板上，内部设计了3个IO接口、2个UDH型以太网接口、2个T型以太网接口及1个RS485接口，1个USB接口等，可分别与控制系统的网络连接、控制器之间的双机跟踪、控制与其他部件之间连接、数据参数的实时传输等功能操作；同时，前端检测到的相关数据信号传输至处理器后，通过内部设计的算法能对数据进行分析、判断及处理，并将计算后的信号发送至执行单元及显示器中。所选用的控制器具有较高的计算速度及精度，能较好地满足发电厂中控制系统的大数量计算及处理需求。控制系统的组成框架如图2所示。

图2 控制系统的组成框架

3.2 模拟量控制分系统

模拟量控制分系统主要负责汇总收集所检测的相关电信号信息。所设计的模拟量控制分系统包括机组负荷指令系统、锅炉主控系统（BM）、汽机主控系统（TM）等部分，其中，组负荷指令系统是整个分系统的上层部分，会根据发电厂中电网的实际负荷情况，自动地向下一级（BM和TM）系统发送相应的锅炉负荷指令和送风量指令。锅炉主控系统（BM）和汽机主控系统（TM）在接收到相应指令后，执行对锅炉及汽机的实时控制，以调节锅炉的燃烧率，整个过程为自动调节控制，无人员参与。而子控制回路级则负责对送风机、给水、排水、蒸汽温度、磨煤机等设备运行回路的控制。由此，完成采集电信号的模拟量输入及输出控制，其控制流程如图3所示。

图3 模拟量控制分系统控制流程

3.3 汽包水位调节分系统

由于火力发电厂中会使用到蒸汽锅炉及大量的自来水，故在该控制系统中进行了汽包水位调节分系统的设计。该分系统主要负责蒸汽锅炉与给水量的实时调节，保证汽包中水位处于合理范围内对提高发电机组的安全高效运行至关重要。因此，该分系统主要由PID调节算法、调节阀、RS485总线等组成，并配备了2套水位计及4套锅炉中汽包水位计。通过检测主蒸汽流量和给水流量参数，作为PID调节算法中的反馈信号输入，执行对调节阀的循环调节控制，实现对蒸汽锅炉中给水量的调节，从而达到保证汽包中水位能满足发电机组运行的目的。汽包水位调节分系统原理如图4所示。

图4 汽包水位调节分系统原理

4 运行效果

为进一步验证所设计的控制系统的综合性能，将其在发电厂中进行了为期半年的应用测试，主要是该控制系统集成到火力发电厂中，对集成该控制系统后的机组负荷、蒸汽流量、主汽压力、总给煤量、汽包水位等主要的相关参数进行了实时测试。运行结果表明：该控制系统运行良好，能准确、快速地对火力发电厂中的主要参数进行实时采集及检测，所采集数据运行平稳，所运行指标满足火力发电厂中相关设备安全运行指标，主要参数的数据变化曲线如图5所示。据该发电厂人员介绍，该控制系统的应用，使得发电作业过程中的故障率降低了将近60%左右，发电量大大提升，人员的劳动强度也降低，实现了整个发电厂的集中远程稳定控制，得到人员的一致好评。由此，验证了该控制系统的可行性。

图5 火力发电厂中控制系统测试效果

5 结束语

不断提升火力发电厂的智能化控制水平，将更加先进的控制技术应用及推广到整个发电厂中，是提高发电厂生产效率及作业安全的重要任务。而集散式控制系统（DCS）作为当今成熟、先进的控制系统，结合发电厂的实际情况，有针对性地进行该控制系统在火力发电厂中的应用研究，是当期企业重点考虑方向。为此，本文介绍了开展发电厂中集散式控制系统（DCS）的总体设计及关键分系统设计，通过该系统的实际应用测试表明，该系统具有更高的运行稳定性及控制效果，实现了整个发电厂的集中远程控制，对提高发电厂的生产效率及经济效益起到重要保障作用，实际应用价值巨大。