1000MW火电机组电除尘控制系统一体化改造分析

郑卫东，李海洋，熊志成，杜 璞

（华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江 台州 317604）

0 引言

《浙江省人民政府关于印发大气污染物防治行动计划（2013—2017）的通知》（浙政发[2013]59号）要求[1]，浙江省区域电厂粉尘排放质量浓度（以下简称“浓度”）不大于 5 mg/m3（标准状态，下同），要实现该目标，电除尘改造是电厂环保改造的重点之一。某发电厂4×1000MW超超临界燃煤火力发电机组建成于2007年，每台机组原配套2台3室4电场电除尘器，1—4电场工频电源，2012年将1、2电场改造为高频电源，设计保证除尘效率为99.7%。

电除尘提效改造中，对电除尘入口气力分布均流进行改造，灰斗电加热器改造为蒸汽加热器；电场进行分区改造，左右布置，最终将24个电场改造为36个电场（12个大电场、24个小电场）；电除尘器全部电场电源更换为高频电源。采用低低温电除尘器并配合电源改造后，保证除尘效率不低于99.925%，出口粉尘浓度不大于15 mg/m3；电除尘器本体阻力不大于200 Pa，电除尘本体漏风率不大于2%。

1 电除尘控制系统改造的必要性

1.1 电除尘控制系统概况

电厂主机及脱硫采用DCS（分散控制系统）控制，系统选用艾默生过程控制公司的Ovation系统。化水、灰渣、电除尘及输煤系统采用PLC（可编程逻辑控制器）系统，其中化水、灰渣、电除尘通过辅网进行集成，实行集中控制，如图1所示。

电除尘控制系统大致可以分为两部分，即电除尘高压部分（电源部分）和低压部分（振打、加热、热风吹扫、灰斗等）。其中，高压部分3、4电场的工频电源控制器为单片机，1、2电场的高频电源控制器为西门子S7-200PLC。高压部分由就地控制器控制，同时与电除尘PLC通信，实现PLC远方控制和就地操作，低压部分直接由PLC控制[2]。电除尘控制系统网络结构如图2所示。

1.2 电除尘控制系统存在的问题

图1 辅网网络结构

图2 电除尘控制系统网络结构

电除尘控制系统并入辅网，存在以下几个方面问题：一是操作员站响应速度慢；二是网络不稳定[3]，每年均发生网络中断故障，其中2013—2014年发生网络中断故障6次。

辅网采用PLC控制，IFIX服务器上共配置超过36 000个通信点，根据IFIX性能设计，超出20 000个通信点将造成整个通信轮询过程的缓慢。由于数据库大导致丢包现象集中发生在辅网内各子系统。而且辅网网络结构复杂，PLC型号不统一，最终导致操作员站响应缓慢，一般需要5 s左右方可收到反馈。

辅网IP地址的分配缺乏统一性，由于辅网各子系统的改造和扩容，备用IP地址资源不足，一方面增加了系统使用和维护的难度，另一方面也导致一些系统改造后难以接入辅网，例如本次电除尘高频电源改造项目，最少需要增加3个IP地址，辅网已经没有合适网段。

另外，PLC控制系统组成的辅网相对孤立，历史数据的存储、曲线调取、时钟统一等也不同程度存在问题。

1.3 电除尘控制系统一体化改造优势

电除尘进行提效改造后，增加12个高频电源，如果采用PLC控制系统并入原有的辅网系统，每个高频电源大约增加20个模拟量通信点，辅网的负荷将进一步加重，控制系统不同步进行改造，必将成为薄弱环节。为了提高电除尘控制系统可靠性，在电除尘改造中配套实施了电除尘PLC控制系统与主机DCS一体化改造[4]。

首先将双极性 DVB/CAR/PDMS（50/30 μm）固相微萃取头置于GC-MS仪进样口进行老化处理，老化温度250 ℃，老化时间为30 min，载气流速为1.3 mL/min，载气为氦气。

通过电除尘控制系统一体化改造[5-6]，可以有效解决存在的系统老化问题，提高系统可靠性。

2 电除尘PLC改DCS控制的要点

2.1 改造后的电除尘控制系统结构

改造后电除尘DCS基本结构与主机DCS保持一致，考虑到主机版本较低，电除尘系统采用最新版本系统，待主机升级后进行合并。

以2号机组为例，将电除尘PLC控制系统改造为Ovation 3.5 Windows版本系统。电除尘DCS配置包含1套服务器、2套历史站、2套操作员站、1套工程师站。时钟接入电厂GPS（全球定位系统）中心，配置2台控制站，分别控制1-3室（A侧）及4-6室（B侧）电场，2对控制器实现A侧与B侧电场分散控制。控制器定义为DROP35/36，方便与主机DCS合并。电除尘低压部分（原PLC控制）直接进入DCS控制，高压部分保留原有控制器，通过通信方式进入DCS，DCS电源取自主机UPS（不间断电源）。在不改变电除尘控制策略基础上，结合目前DCS的设计理念，重新设计电除尘画面，重新进行电除尘组态和系统调试。改造后的电除尘控制系统结构如图3所示。

2.2 电除尘控制系统改造施工

图3 改造后的电除尘控制系统结构

硬件方面：由发电厂技术人员负责核对原有I/O（输入/输出）清册的正确性，确保正确后作为DCS设计的基础。原有PLC控制根据模拟量和开关量划分，分别放置不同控制柜，DCS设计时，根据A侧、B侧分散设计。使用原有旧电缆，为防止电缆长度不足，控制柜沿着电缆来向移动1 m后布置。为保证扩展性，以便后期将除渣、输灰系统并入电除尘系统，电源柜、网络柜、控制柜分开布置，保留约20%的I/O端口裕量。控制柜、网络柜、电源柜如图4所示。改造淘汰的PLC作为化水系统的备件。

图4 网络柜、控制柜、电源柜

施工前，核对图纸及资料，做好开工前准备工作，确认无误。施工步骤如下：

（1）系统备份，确认无误后停电。

（2）核对控制站所有接线，做好标识。

（3）拆除原有的控制器、相关硬件及电缆。

（4）安装DCS机柜及必要硬件。

（5）核对电缆并接线。

（6）网线敷设及系统连接，检查无误，系统上电。

（7）电除尘DCS逻辑组态，软件下装。

（8）系统联调，整体调试。

软件方面：电除尘DCS搭建、逻辑组态、历史数据转换等由DCS厂家技术人员现场完成。原电除尘厂家人员负责提供PLC控制逻辑及控制说明，DCS厂家人员根据原控制图纸及控制说明进行转换，编写改造逻辑控制说明，发电厂相关人员进行审核，确保与原有控制方案一致后开始组态。流程图画面、控制逻辑的组态由DCS厂家人员提供模板，发电厂人员选择组态风格后实施。

2.3 电除尘控制系统改造的难点

DCS操作与高频电源控制器就地控制切换如何实现，是电除尘控制系统改造的一个难点。在原有的PLC控制模式下，通过电除尘PLC对高频电源就地控制器（S7-200PLC）内部地址进行读写操作，PLC指令执行一次，需要就地操作时，就地控制面板直接写入控制器内部地址，容易实现远方就地控制。但DCS与控制器通信时，DCS每个扫描周期内都会输出当前数，导致就地控制器内部地址不断被写入指令，就地操作面板无法有效写入。

为了使高压部分实现就地、远程控制，改设DCS通信卡（ELC 卡）中“EXCEPTION”功能， 即设置为更改优先，可实现上位机与就地并列操作。模拟量指令时，利用通信读取就地控制器寄存器实际数值，实现跟踪。当需要DCS输入设定值时，通过确认按钮将操作员指令写入，确认之后指令保持当前值，如图5所示。开关量控制中，高频部分也存在同样问题，可以读取就地控制器指令，复位DCS指令，实现就地、远程更改优先，如图6所示。

图5 模拟量指令DCS逻辑

图6 开关量指令DCS逻辑

高频部分通信的可靠性是首要问题，也是另一个难点。整台机组的2个除尘器，每个3通道（室），每通道6个电场，共6个高频电源，设置1个JHNet-Ⅲ型RS485/TCP通信适配器，即A侧3室18个电场高频电源控制器通信并联后进入3个适配器，转换成以太网进入控制系统，适配器的IP地址独立，接至通信箱的交换机上，适配器通信箱如图7所示，2个除尘器共6个适配器。通信箱交换机与DCS柜交换机之间采用光纤连接，为保证通信响应速度，每个适配器对应1只ELC卡，分别和DCS的6只通信卡进行通信。

2.4 调试中遇到的问题

电除尘的操作、显示、报警功能在DCS中实现。工程师站设置在电控楼，1台操作员站设在主控DCS，由集控值班员监盘，电除尘并入单元机组控制模式。操作员站可以设置每台高频电源工作电压、电流等。另外，设计了除尘器粉尘闭环控制功能[7]，即每个通道根据粉尘浓度，选择电压、电流大小，在满足排放要求前提下，降低能耗。由于粉尘控制滞后等原因，没有投运该功能。

图7 适配器通信箱

调试中遇到了就地控制器与DCS通信的问题。虽然通信正常，但指令执行到反馈到达的时间较长，一般6 s左右。由于涉及就地控制器、通信及DCS几个环节，经过反复排查和试验，将DCS组态及通信点移入控制器三区，扫描周期修改为250 ms，通信速率提高明显，指令发出到反馈到达的时间小于2 s，可以满足日常控制需求。

3 改造后的效果

改造后电除尘DCS的CPU（中央处理器）负荷率小于5.6%，I/O端口裕量大于20%，电源裕量大于70%，通信总线负荷率小于5%，各性能指标均优良。

系统改造后的优势包括：

（1）对辅网通信有利。4台机组进行电除尘改造后，辅网数据库减少超过9 000点。辅网通信负荷降低，有效降低了系统通信传输延时。

（2）提高了环保数据可靠性，降低了环保风险。改造后电除尘历史站双冗余配置，其中1台历史服务器故障不影响数据存储，数据可存储4年以上。历史数据与标准时间同步，消除了因辅网没有GPS授时导致的历史数据时间不同步的现象。

（3）提高了机组热工自动化水平，机组整体协调性提高[8]。一体化改造后，主机与电除尘作为一个整体进行控制，电除尘运行情况可第一时间在主机报警，提高了电除尘故障预警及应急能力。

（4）人机界面友好。PLC控制辅网集成时，画面不友好，历史曲线调取不便，改造后可以方便地进行电除尘相关数据查阅，为电除尘运行状况的分析提供了便利，运行人员反映良好。

改造前后性能对比见表1。

表1 改造前后性能对比

4 结语

电除尘PLC控制系统改造为DCS控制可以在大型火电机组上实施，实现一体化控制后，可以实现电除尘单元制方式，减少辅网运行人员，提高电除尘控制系统可靠性。电除尘实现DCS控制，可以为电厂实现全厂一体化控制、消除信息孤岛奠定基础。高压部分通过通信进入DCS实现远程控制，低压部分直接进入DCS控制，可以在减少投资的情况下取得较好的可靠性。本案例可为同类型电厂电除尘控制系统改造工程提供借鉴。