和利時MACS系統在黔北火電廠新建工程中的應用
引言
和利時公司作為國內在DCS控制領域的領軍企業(yè)，在300MW以上的單元火電機組控制領域實現突破，先后承接了黔北、鴨溪、黔西、鶴壁電廠等多個300MW機組以及陜西國華錦界4×600MW煤電工程DCS控制系統項目，為電力企業(yè)實現規(guī)模經濟效益、降低運營成本、提高火電工程技術的自動化水平作出貢獻。
貴州黔北電廠300MW新建機組是西部大開發(fā)——西電東輸的重要項目之一。和利時派出了具有豐富現場實施經驗的工程團隊和專家組，用專業(yè)化的解決方案，先進、可靠、經濟的系統和產品，放心、滿意的服務，保證了兩臺機組順利投運，并實現了國內300MW機組試運期最短記錄。
項目概述
黔北電廠(4×300MW)新建工程#3、#4機組汽輪機、鍋爐、發(fā)電機分別由東方汽輪機廠、東方鍋爐廠、東方電機廠制造，熱控系統采用和利時公司HOLLiAS MACS大型集散控制系統。
黔北電廠#3、#4機組鍋爐是由東方鍋爐（集團）股份有限公司根據美國Forter Wheeler型300MW機組“W”火焰鍋爐生產，型號：DG1025/18.2-III5。
鍋爐型式：亞臨界、中間一次再熱自然循環(huán)、雙拱型單爐膛，倒“U”型布置，燃燒器布置于拱上、煙氣擋板調溫、“W”型火焰固態(tài)排渣。
汽輪機：東方汽輪機廠型號：N300-16.7/537/537型式：亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、再熱凝汽式汽輪機，抽汽級數：8級（3高加+1除氧器+4低加）。
項目規(guī)模
系統配置
黔北電廠（4×300MW）#3、#4機工程DCS系統采用和利時公司的第四代DCS系統HOLLiAS MACS系統。
工程共分為3個域，其中#3機組為1#域，#4機組為2#域，#3、#4機公用系統和循環(huán)水泵房遠程I/O為0#域。工程操作界面考慮#3、#4分開，#3機操作1#域，#4機操作2#域，公用系統0#域可以在#3級操作也可以在#4機操作。
黔北#3、#4機組及公用DCS系統共提供現場控制機柜28臺，端子柜28臺，服務器柜6個，配電柜2個，繼電器柜3個，接地柜1個，操作臺10個，打印臺4個。HMI設備：操作員站10臺；歷史站2臺；系統服務器6臺；工程師站2臺；72”大屏幕站2套；通信站8臺；SIS網關機2臺；24口網絡交換機16臺；GPS設備1套。
控制規(guī)模
每個單元機組配置13對冗余控制器，采用Profibus-DP總線掛接525個I/O模塊及中斷設備。接受DCS系統控制的設備數量為：電動機88臺，各類閥門、加熱器等設備441個，調節(jié)設備165個，斷路器、快切裝置等電氣設備67個，并可通過通信控制88個吹灰器和7個電動門。
公用系統配置2對冗余控制器帶46個I/O模塊，分別用于監(jiān)控兩臺機組的電氣公用部分和機、爐公用部分；DCS總計控制設備為1754臺。
其中3#機組及公用系統的物理點數和配置點數如下表：
| 類型 | 配置點數 | 實際點數 | 冗余率 | |
| AI | 4~20mA(對外供電型） | 464 | 375 | 19.18% |
| 4~20mA/0~10mA | 472 | 422 | 10.59% | |
| Pt100/Cu50 | 328 | 278 | 15.24% | |
| 熱偶 | 232 | 182 | 21.55% | |
| AO | 4~20mA | 248 | 209 | 15.73% |
| PI | TTL | 16 | 9 | 43.75% |
| DI | 干接點 | 3008 | 2672 | 11.17% |
| 220VAC | 1612 | 1401 | 13.09% | |
| SOE | 240 | 182 | 13.09% | |
| 合計 | 6620 | 5730 | 24.17% | |
整個工程（#3、#4、公用系統）實際的物理點數為：11016點，總配置點數為12664點。第三方設備的雙向冗余通信、遠程采集點及單向通信點數總計為：1300點。
控制組態(tài)產生的變量約8500點，顯示、報警、趨勢標簽總計：27000點。
分站原則
測點按功能分站如下表：
| 站號 | 實現功能 | 說明 |
| 10 | FSSS | 公用邏輯、A油組、A煤組 |
| 11 | FSSS | B/C/D油組 |
| 12 | FSSS | B/C/D煤組 |
| 13 | MCS | 協調、燃燒 |
| 14 | MCS | 送、引風，給水，過熱器減溫 |
| 15 | MCS+DAS | 再熱器減溫，汽機單回路，鍋爐部分DAS |
| 16 | MCS+TBC | 二次風門，旁路，小汽機單回路SCS |
| 17 | SCS/B | 鍋爐SCS |
| 18 | SCS/B | 鍋爐SCS |
| 19 | SCS/T | 汽機SCS |
| 20 | SCS/T | 汽機SCS |
| 21 | DAS | 汽機DAS |
| 22 | SCS/GA | 電氣SCS，SOE |
| 23 | SCS/GA | 公用系統電氣SCS、DAS |
| 24 | SCS | 循環(huán)泵房SCS |
各站點測點設備分配原則
＊危險分散：同一設備冗余的測點分配到不同的模塊；冗余設備的測點分配給不同的控制站或不同的模件組上；
＊接線方便：同一設備的非冗余的相關測點盡量安排在一起；
＊備用：基本保證各模塊保持≥10%的備用率；
＊系統間的重要信號，如：MFT、連鎖保護等，采用硬接線不同站、模件多路輸出；
＊DCS系統與其他系統（如：DEH）的模擬信號采用有源型隔離器進行隔離。
系統設計
采用Client/Server體系結構，控制管理網絡采用兩層結構，星型連接，控制網絡雙冗余配置。控制網絡和管理網絡的分離有利于將交換機設備故障風險分散，同時大大減少了數據處理量和網絡上的擁塞。遠程控制站（循環(huán)水泵房）采用100M以太光纖連入系統，網絡實際結構如圖：
采用HOLLiAS MACS系統作為監(jiān)控軟件平臺，其中：ConMaker部分完成算法的組態(tài)與下裝，而PlantView完成人機監(jiān)控和與控制器的通信。每個ConMaker工程用于單個I/O控制站的控制方案，共有28個ConMaker工程對應28個I/O控制站。
PlantView工程用于建立通信連接及人機交互界面，按照功能的不同，系統包括12個子工程，分別是：
＊QBDB1：#3機組數據庫工程，用于#3機組監(jiān)控數據接入；
＊QBDB2：公用系統數據庫工程，用于公用系統監(jiān)控數據接入；
＊QBDB4：#4機組數據庫工程，用于#4機組監(jiān)控數據接入；
＊
QBDB3：趨勢、報警服務器工程，用于整個DCS系統的趨勢記錄、報警檢測、時間服務等；＊QBDC4：#4機組操作員站圖形工程，用于操作員對#4機組及公用系統進行監(jiān)控；
＊QBDC：#3機組操作員站圖形工程，用于操作員對#3機組及公用系統進行監(jiān)控；
＊COMM1：#3機組#1通信站工程，用于吹灰、爐管泄漏、CEMS、空調系統通訊接入；
＊COMM2：#3機組#2通信站工程，用于DEH、廠用電、發(fā)變組系統通訊接入；
＊COMM3：#3機組#3通信站工程，用于IDAS、發(fā)電機勵磁系統通訊接入；
＊COMM41：#4機組#1通信站工程，用于吹灰、爐管泄漏、CEMS、空調系統通訊接入；
＊COMM42：#4機組#2通信站工程，用于DEH、廠用電、發(fā)變組系統通訊接入；
＊COMM43：#4機組#3通信站工程，用于IDAS、發(fā)電機勵磁系統通訊接入。
服務配置
本工程的PlantView完成五種服務、一種客戶請求，即：
＊ I/O服務：負責收集數據并根據請求發(fā)送；
＊ 趨勢服務：負責歷史數據的采集與存儲；
＊ 報警服務：負責處理數據異常報告；
＊ 報表服務：負責完成數據的紀錄與報告生成；
＊ 時間服務：負責系統的校對，保持數據的同一性。
客戶請求：人機界面接口，負責數據、報警、趨勢等顯示，提供給操作人員直觀的操作界面。
這五種服務通過計算機設置功能分散配置，參照網絡結構圖，設置服務功能為：
| I/O服務 | 報警服務 | 趨勢服務 | 時間服務 | 圖形服務 | ||||
| 主 | 從 | 主 | 從 | 主 | 從 | |||
| SERVER1 | √ | |||||||
| SERVER2 | √ | |||||||
| SERVER3 | √ | |||||||
| SERVER4 | √ | |||||||
| SERVER5 | √ | √ | √ | √ | ||||
| SERVER6 | √ | √ | √ | |||||
| SERVER7 | √ | |||||||
| SERVER8 | √ | |||||||
| 各操作站 | √ | |||||||
DCS系統對時設計
#3、#4機組統一對時，其中：控制器、服務器和客戶端采用網絡對時，每60分鐘以廣播方式發(fā)布時鐘服務器基準時間，時鐘服務器時間由GPS校準；SOE模件（FM161E_SOE_A01）第16路接受FM197集線器每間隔60秒發(fā)一次的脈沖對時信號，保證秒和毫秒精度。
校時流程
＊GPS天線收到時間信號；
＊從串口上發(fā)到FM197校時集線器中；
＊FM197校時集線器發(fā)到系統時間服務器中；
＊時間服務器定時或在本機時間改變時在網內廣播校時包；
＊設置同時間服務器同步的客戶機收到校時包后改變本機系統時間；
＊客戶機開始運行系統時向時間服務器請求校時。
校時特點
＊ 控制系統校時收發(fā)以網絡傳遞為主；
＊ SOE關鍵快速時鐘校對以硬接線發(fā)秒脈沖為主，保證站間SOE時鐘誤差≤1ms, ；
＊ 采用校時集線器接受GPS時鐘信號，給DCS時鐘服務器、SIS系統及其他設備同時進行校時；
＊ 網絡校時時鐘服務器唯一設置。
實現的控制功能
和利時HOLLiAS MACS系統實現數據采集處理（DAS）、事件順序記錄（SOE）、歷史數據存儲和檢索（HSR）、輔機順序控制（SCS）、模擬量控制（MCS）、電氣控制（ECS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控（FSSS）及機爐協調控制（CCS）、自動發(fā)電控制（AGC）等控制功能。
該系統以其良好的開放性、擴展性順利實現了與其他7個系統的通訊任務，分別為DEH/MEN監(jiān)控系統、爐管泄漏報警裝置、鍋爐吹灰控制系統、發(fā)電機勵磁裝置、廠用電監(jiān)控系統、溫度數據采集前端（IDAS）及廠級監(jiān)控系統（SIS）等。并與大屏幕EOS主機配合，實現了兩個大屏幕獨立于操作員之外即可雙屏分別顯示又可合為一屏顯示的功能。
SCS功能主要完成機組輔機、加熱器及各種閥門的操作、聯鎖、保護及程控等控制功能。
FSSS功能主要包括鍋爐自動吹掃邏輯、油檢漏試驗程控邏輯、MFT動作及首出邏輯、OFT動作及首出邏輯、冷卻風系統的保護聯鎖24個油角的點火程控啟、停等等，各功能均有專用的操作、指示面板。
ECS功能除了完成對60個斷路器的控制外，還對廠用電切換裝置、機組勵磁裝置及同期裝置等電氣設備進行操作控制。
MCS功能主要完成對165個調節(jié)設備的控制和50多套自動調節(jié)回路。其中主汽溫度采用3級PID控制，為使閥門開度與流量線性化特增加了一級流量控制PID；送風風量設定單獨采用了一個PID，通過參數設置實現風煤交叉功能；給水設計為全程控制，低負荷（＜14%ECR）時用給水旁路閥調節(jié)汽包水位同時給水泵調節(jié)給水壓力，負荷14～20%ECR時采用給水泵進行單沖量控制，高負荷（＞20%ECR）時采用給水泵進行三沖量控制。對于自動調節(jié)功能系統不僅給運行人員提供了清晰明了的操作界面，也為熱工維護人員繪制了類似SAMA圖式的調試界面，見下圖（給水全程控制調試畫面）：
后記
在項目相關各方單位的共同努力下，黔北電廠4×300MW工程#3機組的分部試運和整套啟動工作緊張有序，機組整個試運過程僅用時不到4個月。自于2004年2月13日進入整套啟動試運行，2月23日16：00達到滿負荷試運條件并進入168小時試運行，至3月1日16：00圓滿完成168小時試運，歷時僅17天。在168小時試運行期間，機組連續(xù)帶滿負荷運行時間為136小時，機組連續(xù)平均負荷為300.3MW，平均負荷率為100.1%，平均廠用電率5.28%，熱控自動投入率95%，熱工保護投入率100%，熱控、電氣儀表投入率為100%，電氣自動投入率100%，汽機各軸振、瓦振均達到優(yōu)良標準，汽機真空嚴密性試驗優(yōu)良（48Pa/min），發(fā)電機漏氫量7.08Nm3/d，補水率10.6%，汽水品質各項指標合格。
#4機組于2004年9月19日進入整套啟動試運行，9月22日14：00點達到滿負荷試運條件，9月29日14：00點圓滿完成168小時滿負荷試運，歷時10天。在168小時試運行期間，機組連續(xù)帶滿負荷運行時間為121小時，機組連續(xù)平均負荷為284.33MW，平均負荷率為94.78%，平均廠用電率5.787%，熱控自動投入率95%，熱工保護投入率100%，電氣自動、保護投入率100%，熱控、電氣儀表投入率均為100%，汽機各軸承，瓦振均達到優(yōu)良標準，汽機真空嚴密性試驗優(yōu)良（48Pa/min），發(fā)電機漏氫量5.1Nm3/d，補水率8.78%，汽水品質各項指標合格。HOLLiAS MACS系統運行穩(wěn)定正常，系統各項功能均投入使用。
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