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發電廠電氣系統監控納入DCS的應用

未知 2019-07-13 10:53

  300 MW及以上容量機組的熱工控制已全面采用DCS控制系統,逐步形成了數據采集(DAS)、模擬量控制(MCS)、順序控制(SCS)、燃燒器管理(BMS)四大系統。從實際運行情況來看,DCS較好地實現了其控制功能,并發揮了安全經濟、使用可靠的優點,取得了良好的效果,而電氣控制仍然采用較常規的控制手段,使用盤臺上一對一硬手操方式。隨著計算機的快速發展和控制技術的不斷提高,使得機爐控制與電氣控制日益顯得不協調,控制水平也逐漸拉大。為了解決這一矛盾,有效的辦法就是將電氣納入DCS控制之中,這樣既利用DCS已成熟的分散控制技術,又能提高電氣控制水平。電氣控制納入DCS以后,可充分利用DCS的手段,使電氣防誤操作等功能實現更方便、更完備,并且將相關量的顯示報警與電氣設備的控制調節有機地結合起來,有效提高整個電氣控制的安全性和可靠性。電氣設計與DCS的有機配合,可實現爐、機、電集中管理,使電廠主控室爐、機、電控制水平協調發展是必要的而且在現有技術和裝備條件下是可行的,可以起到省人、省主控制室面積,便于集控值班運行的作用,而且不提高造價。

一.氣系統控制的特點

 電氣系統與熱工自動化相比在控制要求及運行過程中有著很多不同點,電氣的主要特點表現為:

 (1) 相對熱工設備而言控制對象少,操作頻率低,有的系統或設備運行正常時,時常幾個月或更長時間才操作一次。

  (2)電氣設備保護自動裝置要求可靠性高,動作速度快。發變組保護動作速度要求在40 ms以內;自動準同期采用同步電壓方式,轉速、電壓調整和滑壓控制要求在5 ms以內;電壓自動調整裝置快速勵磁要求時間極短;廠用電快切裝置快速切換時間一般小于60~80 ms,同步鑒定相位差5~20。

  (3)300 MW及以上機組一般每2臺機組共用1臺起/備變,任一機組檢修都不能影響另1臺機組的正常運行,因此DCS控制應考慮其控制方式,確保只能有1臺機組的DCS實現對共用部分的控制,同時另一機組DCS能夠實現實時監視,并且這種操作控制權能實現切換。

 (4)電氣設備電氣系統的聯鎖邏輯較簡單,但電氣設備本身操作機構復雜。

  因此,機組的電氣系統納入DCS控制,要求控制系統具有很高的可靠性。除了能實現正常起停和運行操作外,尤其要求能夠實現實時顯示異常運行和事故狀態下的各種數據和狀態,并提供相應的操作指導和應急處理措施,保證電氣系統自動控制在最安全合理的工況下工作。

二.氣系統納入DCS監控的范圍

 根據單元機組的運行和電氣控制的特點,在工程的應用中采用將發電機變壓器組和廠用電源等電氣系統的控制都納入DCS監控。

 從升壓站(不包括升壓站)至電廠側的所有主廠房內電氣系統均納入DCS監控,主要系統歸納為發變組系統(不包括變壓器本身的通風系統);高壓廠用  電源系統(包括廠用電源正常切換);低壓廠用電源系統和400 VPC;高壓啟/備變電源系統(2臺機共用);柴油發電機組和保安電源(僅監視);直流系統和UPS系統(僅監視)。

  電氣主要保護安全自動裝置因要求DCS實現其功能目前尚有一定的難度,并且要增加相當大的費用。原則上不要求通過DCS實現其功能,仍保留其裝置,但它們與DCS之間要有接口,常規方式采用硬接口。保留的保護自動專用裝置主要有發變組保護裝置;自動準同期裝置(ASS);自動電壓調整裝置(AVR);廠用電快切裝置;故障錄波裝置。

 主廠房外輔助系統的電氣系統如輸煤、化水、制氫、電除塵等暫不納入DCS系統中。

三.入DCS控制水平及技術要求

  機組整套啟動時從鍋爐點火至發電機并網帶初始負荷能夠實現全過程的自動程序控制,以及機組停機時DCS能安全停機。

  3.1機組自啟停控制的要求

  機組正常起動時,當發電機達到額定轉速時,DCS將投入AVR。當發電機電壓達到額定值時,DCS將投入同期裝置。發電機與電網的同期是由同期裝置自動實現,在同期過程中通過ASS控制AVR、DEH,當同期條件滿足時,ASS向發電機斷路器發合閘指令。在同期合閘成功,發電機電負荷達到一定值之后,DCS將高壓廠用電系統快速從啟備變切換到高壓廠變上。

  機組正常停機時,DCS控制降低機組負荷,當機組負荷降到某一定值時,DCS將高壓廠用電系統快速切換到啟/備變系統供電;當機組負荷繼續降到零,跳開主開關,聯跳汽輪機(主汽門關閉),發電機滅磁。

  3.2對于廠用電源系統控制的要求

  在機組啟動時通過啟/備變向廠用負荷供電;在機組正常用電時,由廠變供電并經低壓廠變向400VMCC低壓負荷供電以啟動機組所必需的輔機;在廠用電消失時,為了保護設備和系統的安全,廠用電快切裝置應快速將廠用工作負荷自動切換至啟/備變;當確認保安段母線失壓后,應啟動事故備用柴油機供電以保證設備安全。

  依據以上控制水平的要求,電氣監控納入DCS 技術的要求是:

 (1) 發電機系統能實現程序控制和軟手操控制使發電機由零起升速、升壓直到并網帶初始負荷。

  (2)廠用電系統能按啟動/停止階段和正常運行階段的要求程序控制和軟手操來實現。

 (3)時顯示和記錄上述發變組系統和廠用電系統的正常運行、異常運行和事故狀態下的各種數據和狀態,并提供操作指導和應急處理措施。

  (4)單元機組(爐機電)實現全CRT監控。

四.DCS軟件、硬件要求

  為了較好地說明電氣納入DCS對軟件、硬件的要求,特別是為了對軟件作進一步的詳細說明,擬定工程規模為2臺單元機組,電氣主接線采用發電機-變壓器組單元接線,接至220 kV/500 kV配電系統,主廠房6 kV高壓廠用母線采用設兩工作段及專用公用段的接線方式。

 4.1對硬件配置的要求

  按傳統功能劃分,電氣納入DCS監控之后,其功能可分為數據采集(DAS)和順序控制(SCS)兩部分,由于電氣量同熱工量相比并沒有特別的要求,而相對動作速度快、可靠性高的控制功能通過保留的電氣專用裝置來實現,因此原則上對DCS的硬件無特殊要求。對硬件的配置要求同熱工一致,其功能分別融入DCS的功能之中。但基于歷史的原因DCS由熱工人員負責,而熱工人員對電氣的控制原理知之不多,在設計、調試、生產維護等各個環節中,這部分工作仍需電氣人員來完成。加上在工程建設過程中電氣有關廠用電受電部分需提前調試投入運行,在電氣的控制功能部分即順序控制(SCS)仍建議設置電氣單獨的控制器,便于實際工作的順利進行。其數據采集部分要求同熱工融為一體。

  4.2對軟件功能描述

  4.2.1數據采集系統DAS功能

  數據采集系統(DAS)應連續采集和處理所有與電氣系統有關的重要測點信號及設備狀態信號,以便及時向操作人員提供有關的運行信息,實現機組安全運行。一旦機組發生任何異常工況,及時報警,提高機組的可利用率。一般有下列功能:

  (1) 顯示:包括操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示、報警顯示等。
  (2)制表記錄:包括定期記錄、事故追憶記錄、事件順序(SOE)記錄、跳閘一覽等。
 (3)歷史數據存儲和檢索。
  (4)次計算與機組性能。

  4.2.2順序控制系統SCS(G/A)功能

  電氣部分順序控制主要由3個功能組組成:

 (1) 發電機-變壓器功能組。發-變組高壓側斷路器及刀閘子組項:該子組項包括發-變組高壓側斷路器及高壓側Ⅰ母及Ⅱ母隔離開關等。

  同期子組項:該子組項包括發電機同期系統,發電機的自動同期控制由電氣專用裝置(ASS)完成,DCS應留有操作窗;勵磁子組項:該子組項包括發電機勵磁系統及AVR等。

 (2)廠用電源功能組。高壓廠用電源子組項:該子項包括高壓廠用工作及備用分支等;低壓廠用電源子組項:該子組項包括6 kV所聯接的廠用變壓器的6kV側斷路器、380 V側斷路器及380 V側分段斷路器等;保安電源子組項:該子組項包括保安段的工作及備用進線的斷路器、儀控變進線斷路器及儀控分段斷路器等。

 (3)廠用公用及備用電源功能組。高壓啟動/備用電源子組項:該子組項包括啟/備變高壓側斷路器、隔離開關及6kV側斷路器、啟/備變有載調壓開關等;低壓廠用公用段子組項:該子組項包括6 kV所聯接的變壓器6 kV側斷路器、380 V側斷路器及380 V側分斷路器等。

五.備監控設備的配置

 根據已建成300 MW機組的運行經驗,電廠機爐控制中采用DCS以CRT和鍵盤監控為中心后,盡可能地減少控制盤臺上的顯示儀表、操作器/開關、報警窗等,僅保留的后備監控設備如下:

  (1) 模擬量信號全部進DCS顯示,盤上僅保留少量顯示儀表。

 (2)保留少量的重要電氣開關并取消電氣控制屏/盤,控制功能在DCS實現。關于手動同期開關的保留與否,由于自動準同期裝置產品的可靠性已越來越高,建議取消手動同期開關。保留的后備手操開關為:發變組斷路器緊急跳閘按鈕;發電機滅磁開關跳閘按鈕;柴油發電機緊急按鈕。

 (3)報警光字牌數量保留20個左右,與熱工報警合并在一起,既減少了設備的種類,又便于布置。

六.用系統控制方式

 對于2臺機組的公用系統,如廠用公用及備用電源系統等與熱工控制系統一樣,DCS的配置能夠實現機組停止時,另一臺機組的運行人員能對公用系統進行監控,并且要求采用可靠的措施,確保其控制命令的唯一性,即在同一時間只允許一套DCS系統對公用設備起控制作用。不能因為公用系統的存在,而使2臺機組的DCS耦合在一起。

  在工程設計實際應用過程中,依照DCS的特點采用了以下2種典型的方法來實現對公用系統的控制。一種是,在DCS的配置中,在2臺機組中配置相同的硬件和軟件,通過切換開關來實現操作權的轉換。外部設備的信號通過冗余配置(模擬量)或通過擴展轉換(開關量)分別送入2套DCS系統。同時因保證不出現誤操作事故,還增加了相當部分的判據條件和I/0測點,這種方式的優點是當一臺機組停運或檢修,可以較方便地對DCS進行檢查,同時也增大了控制的可靠性,缺點是增加了外部設備的數量,增加了費用。增加一個環節也就意味著增加了故障發生的可能。另一種為公用系統的控制全部通過公用環配置來實現,2套DCS通過Tagnumber來實現控制,這樣較好地解決了耦合問題,這種控制方式的優點是配置較少,外部設備也不用增加,有效地利用了信息資源,缺點是公用環的設備不能停電檢修,除非2臺機組均停機檢修,加重了設備運行安全性的要求。

七.CS投入與廠用電受電工期配合

  廠用電源控制納入DCS后,由于不設獨立于DCS的硬手操,在倒送廠用電時,DCS一般尚未投運,此時高壓啟/備變、高/低壓廠用電源操作無法實現,故要求DCS設備安裝、調試及投運在工期上予以配合。在廠用電設備安裝調試的同時,開展DCS的安裝調試,特別是與廠用電有關的子系統的調試,使其投運在倒送廠用電之前,以滿足電氣倒送廠用電、廠內各工藝系統的分部試運行的要求。

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