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DCS在30MW高爐煤氣發電項目中的應用針對國內鋼鐵企業高爐煤氣利用現狀，重點介紹了上海新華第四代DCS產品TiSNet-XDC800在煤氣發電項目中的設計與應用情況，並結合河北某鋼廠30MW高爐煤氣發電項目的應用實例，從該類項目的DCS系統配置、網絡結構、主要控制功能、實現方法以及核心的控制策略等方面進行了詳細的分析和闡述。

關鍵詞： DCS；高爐煤氣發電；控制策略

案例背景介紹

鋼鐵企業生產過程中一直存在着高能耗、高排放等問題，隨着國家對能源的調整，如何利用企業富餘熱能已成為各鋼企的當務之急。目前，鋼鐵企業的能源利用主要集中在富餘煤氣、燒結煙氣及煉鋼飽和蒸汽上，其中高爐煤氣的產量較大，因而企業可建設以高爐煤氣為主燃料的自備型電廠。這樣不僅消耗大量的富餘煤氣，充分解決了環境污染等問題，而且減少企業購電量，降低了生產成本。本文結合近年來完成的該類EPC總承包項目，以河北某鋼廠30MW高爐煤氣發電工程為例，對上海新華第四代DCS產品XDC800在高爐煤氣發電工藝流程中的應用及控制策略等關鍵問題進行了探討。

1、 工程概述

在本煤氣發電項目中，根據企業提供的煤氣平衡表可知，該廠的高爐煤氣剩餘15.78×104 Nm3/h。本工程通過配備一套150t/h中溫中壓燃煤氣鍋爐及一套30MW汽輪發電機組，利用高爐煤氣進行發電，裝機方案如圖1所示。通過將煤氣以適當比例混合熱風送至鍋爐內部燃燒產生大量的高溫煙氣，煙氣通過兩段省煤器與兩級過熱器與鍋爐給水進行換熱，最終產生過熱蒸汽進入汽輪發電機組膨脹做功並發出10.5kV的高壓接入到廠內110kV變電站10kV母線上，從而完成能量轉換。

從儀表自動化的角度來看，本工程可劃分為多個子系統，由於各個子系統功能相對獨立，所以就要求各系統能完成相對獨立的數據採集和設備控制功能。結合具體情況考慮，根據對國內同類項目運行情況的調查，通過詳細比較多家DCS系統的軟硬件功能，最終決定選擇上海新華的TiSNet-XDC800系統用於本項目。

案例實施與應用情況

2、 DCS系統配置及主要功能

針對上述各系統進行分析並結合實際情況設計DCS系統，依據高爐煤氣發電各個子工藝的特點，在電站主控室中設有控制櫃與工程師站、操作員站等。其中，監控主機包括液晶顯示器、鍵盤鼠標、UPS等，保證操作人員在控制室能夠監控整個系統的工藝流程、實時數據和運行狀態；對於重要的參數採用定值控制，進行自動控制；具有各種冗餘措施，易於和計算機管理網絡相連，便於全廠優化管理。

2.1、系統配置

新華TiSNet-XDC800系統網絡利用開放冗餘的工業以太網和現場總線作為系統的通訊網絡。網絡系統分為控制層網絡XDCNET和現場層IO網絡，每層完成其特定的功能。在本煤氣發電項目中，DCS系統的網絡結構設計如圖2所示。

2.1.1 XDCNET網絡

由圖2可知，位於系統兩層結構中的控制層網路XDCNET用於連接系統中的節點，實現系統的網絡通訊。XDCNET分為實時數據網XDCNET A、B和非實時數據網XDCNET C。

XDCNET A、B採用冗餘快速以太網，用於連接控制器XCU與人機接口站HMI，負責實時數據的廣播、報警、設備狀態通告、傳遞組態信息、控制指令，是系統的實時主幹網。本發電項目採用環形網絡，連接控制器XCU和HMI節點，將操作網絡與控制網絡合二為一，所有節點直接上網，無中間服務器等數據通訊瓶頸。

根據發電機組的實際大小，在後台設計有6台操作員站，兩台工程師站和一台打印機，各冗餘控制器通過10M以太網與XCC（數據通訊模塊）相連。此外，根據現場實際的調試情況，組建了非實時數據網XDCNET C。

2.1.2 IONET網絡

IONET用於XCU與I/O模件之間的數據傳輸，冗餘配置。在本工程中，設計6台新華控制櫃，即6個現場控制分站，各分站主控制器(XCU-net)採用主備雙模冗餘配置，2個控制器進行熱備份，同時接收網絡數據，一旦發生故障，自動進行無擾切換；電源冗餘(XPR150-24)，多個電源並聯使用，保證系統供電安全性；採用以太網交換機(XFES-1005DU)，用於100Mbps以太網及10Mbps 以太網之間的網絡互聯。xCC-net是應用於XDC800系統中採用以太網形式的通訊模件，它位於XCU與各I/O模件之間。

2.2、主要控制功能

本工程分散控制系統（DCS）功能包括：數據採集處理（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）與熱工保護功能（包括鍋爐與汽機的聯鎖保護）。

2.2.1 數據採集處理（DAS）

DAS是機組安全運行的主要監視手段，具有高度的可靠性和實時響應能力。

（1）能夠連續監視機組的運行參數，提供完整的報警信息。

（2）對所有輸入量進行必要的處理，如：標度、調製、檢驗、線性補償、數字化處理及工程單位轉換等。

（3）具有豐富的屏幕顯示功能，包括顯示各種參數、表格、曲線、棒狀圖、趨勢圖和模擬圖等畫面及操作指導。

（4）提供跳閘事件的順序記錄、指定參數的定時制表，趨勢記錄和事故追憶等。

（5）具有在線制表打印功能。

2.2.2　模擬量控制（MCS）

MCS系統確保系統快速和穩定地滿足工況的變化，並保持穩定的運行，主要自動調節項目包括：鍋爐給水調節系統；鍋爐燃料量調節系統；鍋爐爐膛壓力調節系統；鍋爐過熱蒸汽調節系統；汽機凝汽器水位調節系統；除氧器壓力調節系統；除氧器水位調節系統；減溫減壓器壓力、溫度調節系統。

2.2.2 順序控制（SCS）

順序控制系統的主要功能是滿足機組啟動、停止及正常運行工況的控制要求，並能實現機組在異常工況下的事故處理和緊急停機的控制操作，保證機組安全。

順序控制按驅動級、子組級水平進行設計，設計遵循保護、聯鎖操作優先的原則。順序控制具體功能滿足以下要求：

（1）實現泵、風機、閥門、擋板的順序控制。

（2）在發生設備故障跳閘時，聯鎖啟動和停止相關的設備。

（3）實現狀態報警、保護及聯鎖。

2.2.4　熱工聯鎖保護

本工程設置的保護項目主要包括：鍋爐聯鎖保護，汽機緊急跳閘保護與各重要輔機的聯鎖保護(由SCS實現)等。

其中，鍋爐聯鎖保護主要有：汽包水位保護、主蒸汽超壓保護、爐膛壓力保護和主燃料跳閘保護等。而汽機聯鎖保護（ETS）則主要包括如下項目：汽機轉速超速保護、推力軸承油溫超高保護、前後軸承油溫超高保護、汽機軸向位移保護、汽機潤滑油壓超低保護、主汽門關閉保護、緊急停機按鈕按下等。

3、 主要控制方案說明

上文提到，本煤氣發電的DCS系統由若干個子系統組成，這些子系統協調運行，並具有前饋特徵，使整個發電系統能靈敏、安全、快速與穩定的運行。因此在設計過程中，採用基本控制策略都能直接快速地響應代表負荷或能量指令的前饋信號，並通過閉環反饋控制和其它先進策略，對該信號進行靜態精確度和動態補償的調整。以下就這幾個核心子系統的控制方案進行重點闡述。

3.1、鍋爐爐膛安全監控系統

本工程中，鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）採用PLC完成，即設置了一套單獨的Siemens公司S7-300系列PLC作為系統的FSSS主控制器，FSSS系統主要由主控工作站、工控機、火焰檢測及冷卻風系統、點火系統等組成，系統的總體結構設計如圖3所示。該系統在鍋爐啟動運行時，為操作人員提供符合安全規範的點火模式；在鍋爐正常運行時，一方面，根據負荷變化的要求，操作人員可在FSSS操作站對燃燒器進行加減、負荷管理；另一方面，FSSS系統對爐膛火焰、爐膛壓力、送、引風機、水位、燃料供應等涉及鍋爐安全運行的工況信息進行嚴密監測，操作人員可在FSSS操作站直觀的掌握鍋爐安全運行的工況信息，一旦這些工況信息發生異常，FSSS將及時地向操作人員發出警告，必要時發出MFT跳閘指令以切斷燃料，為鍋爐安全運行提供可靠的技術保障。