DCS在30MW高炉煤气发电项目中的应用

杨鹏翔（北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京 100029 ）

孙小青（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

王 晖（北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京 100029 ）

DCS在30MW高炉煤气发电项目中的应用

杨鹏翔（北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京 100029 ）

孙小青（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

王 晖（北京中冶设备研究设计总院有限公司，北京 100029 ）

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。

DCS；高炉煤气发电；控制策略

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。

图1 高炉煤气发电项目装机方案

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。

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。

图2 DCS系统网络拓扑图

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。

2.2.3 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。

图3 FSSS系统结构示意图

3.2 炉膛负压控制系统

炉膛压力控制是煤气发电燃烧控制系统的重要组成部分，该系统的目标即：通过控制引风机入口的风门档板来控制引风量，保证锅炉炉膛出口的压力。为了提高该系统的可靠性，炉膛压力测量采用了三台变送器，取其中间值作为被调量。

送风量改变时，如果仅依靠炉膛压力的变化来调节引风档板，则在动态过程中炉膛压力就会波动较大，对安全运行不利。因此，采用了送风档板开度指令信号作为本系统前馈信号，以使引风量和送风量几乎同时动作，这样在送风量变化时，炉膛压力波动不大，动态偏差很小。炉膛压力控制器起校正作用，可以使炉膛压力等于给定值。它的输出作为该系统的输出，去控制引风机档板。炉膛负压的控制原理SAMA如图4所示。

图4 炉膛负压控制原理图

3.3 锅炉给水控制系统

该子系统的控制目标即：维护锅炉汽包水位为定值。

汽包水位测量采用二台差压变送器，经选择器输出并经过汽包压力修正形成锅炉汽水位信号。主汽流量信号经温度和压力补偿后相加作为总主蒸汽流量。给水流量信号及减温水流量信号经温度补偿后作为总的给水流量。

锅炉汽包水位自动控制回路采用“串级三冲量”控制方式，以汽包水位为主冲量，辅助冲量蒸汽流量为前馈量，辅助冲量给水流量为反馈量，以水位为给定值，输出控制给水调节电动阀门。这样，迅速消除由于蒸汽负荷扰动所产生的“虚假液位”现象，提高了控制回路的调节品质，锅炉给水系统的控制原理如图5所示。

3.4 汽轮机组控制

在本工程中，汽轮发电机组的汽机调节系统（DEH）也采用了上海新华控制技术（集团）有限公司的XDC800控制系统。DEH是一个多输入多回路的反馈控制系统，从功能上主要可划分为：测量部分、给定部分、调节部分和伺服驱动四个部分，其结构如图6所示。其中，最为关键的部分即调节功能，由其完成汽轮发电组的转速控制、阀位控制、主汽压力控制、负荷控制、功率控制、一次调频功能、阀位限制、首出判断、启动超速保护及试验功能，从而保证30MW汽轮发电机组完成从启机到并网的整个控制过程。

图5 锅炉汽包水位控制原理

图6 DEH控制系统结构图

4 结语

充分利用企业剩余高炉煤气资源，通过合理配置进行发电，能够有效节约能源，降低钢铁企业用电所产生的高额费用，并为企业创造了良好的环境效益。某钢铁企业30MW高炉煤气发电工程自2013年成功投运至今，DCS控制系统工作正常。实践表明，XDC800作为新华第四代DCS系统，继承了上一代DCS的优点，不仅减少了控制系统设计、安装、维护的成本，提高了生产的自动化水平，而且具有生产操作方便、直观、组态修改灵活等优点，取得了良好的控制效果，有效地保证了生产的稳定和产品的质量。同时，也为高性价比国产DCS在同类节能减排项目中的推广与应用积累了宝贵的经验。

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[4] 范建强．DCS执行周期和时序对成组机组负荷控制的影响及改进[J].电工技术，2013(11): 58 - 59.

杨鹏翔（1987-），河北邢台人，助理工程师，工学硕士，现就职于北京中冶设备研究设计总院有限公司，主要从事能源环保项目电气自动化系统设计及实施方面的研究。

图4 用户界面

5 结语

本文以滚球法为基础，建立了用于计算单只接闪杆最小高度的数学模型，并以MATLAB/GUIDE为平台，开发了计算程序。程序采用模块化结构，方便调试，易于扩展和改进，并且具有友好的用户界面，操作简单。

通过程序对接闪杆进行辅助设计，可以方便地计算得出接闪杆的最小高度，省去了繁琐的计算过程。以最小高度为依据，确定接闪杆的设计高度，并再次通过程序对单只接闪杆的保护半径进行验证，既保证了接闪杆对被保护物的有效保护，又避免接闪杆太高而造成浪费。

参考文献

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[2] 中国机械工业联合会. 建筑物防雷设计规范 (GB50057 - 2010) [S]. 北京：中国计划出版社，2010.

[3] 于涛, 张泳, 高杰. 基于MATLAB的道路照明计算程序[J]. 自动化博览, 2015.

作者简介

于涛，男，助理工程师，从事电气及自动化设计及研究工作。

来瑞鹏，男，高级工程师，从事电气及自动化设计及研究工作。

肖亮，男，高级工程师，从事电气及自动化设计及研究工作。

Application of DCS System in 30MW BF Gas Power Generation Project

Aiming at utilization status of the BF gas in iron and steel plant，this article introduces emphatically the design and application of Shanghai xinhua’s fourth generation DCS products TiSNet-XDC800 in gas power generation project. The DCS system configuration of this kind of power generation project, the network structure, the mainly control function and accomplished method, the nuclear control strategy are introduced and described detailedly in this paper, with the example of a steel plant 30 MW BF gas power project in Hebei．

DCS; BF gas power generation; Control strategy

B

1003-0492(2016)01-0096-04

TP273