DCS在30MW高炉煤气发电项目中的应用

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DCS在30MW高炉煤气发电项目中的应用针对国内钢铁企业高炉煤气利用现状，重点介绍了上海新华第四代DCS产品TiSNet-XDC800在煤气发电项目中的设计与应用情况，并结合河北某钢厂30MW高炉煤气发电项目的应用实例，从该类项目的DCS系统配置、网络结构、主要控制功能、实现方法以及核心的控制策略等方面进行了详细的分析和阐述。

关键词： DCS；高炉煤气发电；控制策略

目录

案例背景介绍

钢铁企业生产过程中一直存在着高能耗、高排放等问题，随着国家对能源的调整，如何利用企业富余热能已成为各钢企的当务之急。目前，钢铁企业的能源利用主要集中在富余煤气、烧结烟气及炼钢饱和蒸汽上，其中高炉煤气的产量较大，因而企业可建设以高炉煤气为主燃料的自备型电厂。这样不仅消耗大量的富余煤气，充分解决了环境污染等问题，而且减少企业购电量，降低了生产成本。本文结合近年来完成的该类EPC总承包项目，以河北某钢厂30MW高炉煤气发电工程为例，对上海新华第四代DCS产品XDC800在高炉煤气发电工艺流程中的应用及控制策略等关键问题进行了探讨。

1、 工程概述

在本煤气发电项目中，根据企业提供的煤气平衡表可知，该厂的高炉煤气剩余15.78×104 Nm3/h。本工程通过配备一套150t/h中温中压燃煤气锅炉及一套30MW汽轮发电机组，利用高炉煤气进行发电，装机方案如图1所示。通过将煤气以适当比例混合热风送至锅炉内部燃烧产生大量的高温烟气，烟气通过两段省煤器与两级过热器与锅炉给水进行换热，最终产生过热蒸汽进入汽轮发电机组膨胀做功并发出10.5kV的高压接入到厂内110kV变电站10kV母线上，从而完成能量转换。

从仪表自动化的角度来看，本工程可划分为多个子系统，由于各个子系统功能相对独立，所以就要求各系统能完成相对独立的数据采集和设备控制功能。结合具体情况考虑，根据对国内同类项目运行情况的调查，通过详细比较多家DCS系统的软硬件功能，最终决定选择上海新华的TiSNet-XDC800系统用于本项目。

案例实施与应用情况

2、 DCS系统配置及主要功能

针对上述各系统进行分析并结合实际情况设计DCS系统，依据高炉煤气发电各个子工艺的特点，在电站主控室中设有控制柜与工程师站、操作员站等。其中，监控主机包括液晶显示器、键盘鼠标、UPS等，保证操作人员在控制室能够监控整个系统的工艺流程、实时数据和运行状态；对于重要的参数采用定值控制，进行自动控制；具有各种冗余措施，易于和计算机管理网络相连，便于全厂优化管理。

2.1、系统配置

新华TiSNet-XDC800系统网络利用开放冗余的工业以太网和现场总线作为系统的通讯网络。网络系统分为控制层网络XDCNET和现场层IO网络，每层完成其特定的功能。在本煤气发电项目中，DCS系统的网络结构设计如图2所示。

2.1.1 XDCNET网络

由图2可知，位于系统两层结构中的控制层网路XDCNET用于连接系统中的节点，实现系统的网络通讯。XDCNET分为实时数据网XDCNET A、B和非实时数据网XDCNET C。

XDCNET A、B采用冗余快速以太网，用于连接控制器XCU与人机接口站HMI，负责实时数据的广播、报警、设备状态通告、传递组态信息、控制指令，是系统的实时主干网。本发电项目采用环形网络，连接控制器XCU和HMI节点，将操作网络与控制网络合二为一，所有节点直接上网，无中间服务器等数据通讯瓶颈。

根据发电机组的实际大小，在后台设计有6台操作员站，两台工程师站和一台打印机，各冗余控制器通过10M以太网与XCC（数据通讯模块）相连。此外，根据现场实际的调试情况，组建了非实时数据网XDCNET C。

2.1.2 IONET网络

IONET用于XCU与I/O模件之间的数据传输，冗余配置。在本工程中，设计6台新华控制柜，即6个现场控制分站，各分站主控制器(XCU-net)采用主备双模冗余配置，2个控制器进行热备份，同时接收网络数据，一旦发生故障，自动进行无扰切换；电源冗余(XPR150-24)，多个电源并联使用，保证系统供电安全性；采用以太网交换机(XFES-1005DU)，用于100Mbps以太网及10Mbps 以太网之间的网络互联。xCC-net是应用于XDC800系统中采用以太网形式的通讯模件，它位于XCU与各I/O模件之间。

2.2、主要控制功能

本工程分散控制系统（DCS）功能包括：数据采集处理（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）与热工保护功能（包括锅炉与汽机的联锁保护）。

2.2.1 数据采集处理（DAS）

DAS是机组安全运行的主要监视手段，具有高度的可靠性和实时响应能力。

（1）能够连续监视机组的运行参数，提供完整的报警信息。

（2）对所有输入量进行必要的处理，如：标度、调制、检验、线性补偿、数字化处理及工程单位转换等。

（3）具有丰富的屏幕显示功能，包括显示各种参数、表格、曲线、棒状图、趋势图和模拟图等画面及操作指导。

（4）提供跳闸事件的顺序记录、指定参数的定时制表，趋势记录和事故追忆等。

（5）具有在线制表打印功能。

2.2.2　模拟量控制（MCS）

MCS系统确保系统快速和稳定地满足工况的变化，并保持稳定的运行，主要自动调节项目包括：锅炉给水调节系统；锅炉燃料量调节系统；锅炉炉膛压力调节系统；锅炉过热蒸汽调节系统；汽机凝汽器水位调节系统；除氧器压力调节系统；除氧器水位调节系统；减温减压器压力、温度调节系统。

2.2.2 顺序控制（SCS）

顺序控制系统的主要功能是满足机组启动、停止及正常运行工况的控制要求，并能实现机组在异常工况下的事故处理和紧急停机的控制操作，保证机组安全。

顺序控制按驱动级、子组级水平进行设计，设计遵循保护、联锁操作优先的原则。顺序控制具体功能满足以下要求：

（1）实现泵、风机、阀门、挡板的顺序控制。

（2）在发生设备故障跳闸时，联锁启动和停止相关的设备。

（3）实现状态报警、保护及联锁。

2.2.4　热工联锁保护

本工程设置的保护项目主要包括：锅炉联锁保护，汽机紧急跳闸保护与各重要辅机的联锁保护(由SCS实现)等。

其中，锅炉联锁保护主要有：汽包水位保护、主蒸汽超压保护、炉膛压力保护和主燃料跳闸保护等。而汽机联锁保护（ETS）则主要包括如下项目：汽机转速超速保护、推力轴承油温超高保护、前后轴承油温超高保护、汽机轴向位移保护、汽机润滑油压超低保护、主汽门关闭保护、紧急停机按钮按下等。

3、 主要控制方案说明

上文提到，本煤气发电的DCS系统由若干个子系统组成，这些子系统协调运行，并具有前馈特征，使整个发电系统能灵敏、安全、快速与稳定的运行。因此在设计过程中，采用基本控制策略都能直接快速地响应代表负荷或能量指令的前馈信号，并通过闭环反馈控制和其它先进策略，对该信号进行静态精确度和动态补偿的调整。以下就这几个核心子系统的控制方案进行重点阐述。

3.1、锅炉炉膛安全监控系统

本工程中，锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）采用PLC完成，即设置了一套单独的Siemens公司S7-300系列PLC作为系统的FSSS主控制器，FSSS系统主要由主控工作站、工控机、火焰检测及冷却风系统、点火系统等组成，系统的总体结构设计如图3所示。该系统在锅炉启动运行时，为操作人员提供符合安全规范的点火模式；在锅炉正常运行时，一方面，根据负荷变化的要求，操作人员可在FSSS操作站对燃烧器进行加减、负荷管理；另一方面，FSSS系统对炉膛火焰、炉膛压力、送、引风机、水位、燃料供应等涉及锅炉安全运行的工况信息进行严密监测，操作人员可在FSSS操作站直观的掌握锅炉安全运行的工况信息，一旦这些工况信息发生异常，FSSS将及时地向操作人员发出警告，必要时发出MFT跳闸指令以切断燃料，为锅炉安全运行提供可靠的技术保障。