貝加萊 APROL DCS在黑山生物質發電廠中的應用

0 前言

　　秸稈是一種可再生能源，每年，大量的秸稈在田間被燒掉不僅僅是能源的耗費，而且是對環境的污染，同時也給高速公路和機場航空造成了一定影響，并且焚燒秸稈還容易引發火災。2004年開始，國能生物質能發電有限公司擔負起國家關于以秸稈、林業廢棄物為原料的生物質發電項目的重任。發展農作物秸稈直燃發電，不僅節能、環保、而且效益顯著。有專家指出，可供直燃發電的2億噸秸稈折合標準煤1億噸。以秸稈代替煤炭作為發電新能源，是我國生物質能發電領域的重要突破，是利用可再生資源、大力發展循環經濟的重要嘗試，有利于經濟增長方式的轉變和農村經濟的發展。

　　通過生物質發電項目的逐步實施，使得焚燒得到控制，在獲得電能的同時，環境污染、有害氣體排放方面也得到了有效的控制，其廢料-灰渣可以作為高效復合肥返回農田，在將能量轉化為電能后，其生物體依然可以作為生物廢料返回農田，真可謂一舉多得。

1 工藝流程與系統需求

　　1.1生物質電廠的工藝流程

　　黑山生物質發電廠項目中配置了一臺12MW的凝汽式汽輪發電機組和一臺48噸高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工藝段，同時包括上料、爐前料倉、化水、電氣等輔助工段。該系統涉及到DCS的I/O點數約2600點，其中模擬量699點。具體的工藝流程如圖1所示。

　　1.2控制系統的需求

　　在系統的前期論證過程中，黑山生物電廠和系統集成方——中國電科院以及貝加萊（中國）的工程師們進行了深入的探討和技術交流，并對系統需求進行了確認。簡述如下：

　　（1） 該系統需要提供針對數據服務器、DPU、現場總線和I/O總線的冗余;

　　（2） 汽輪機、鍋爐主控，可自定義功能設計;

　　（3） 設置GPS校時和SOE事件順序記錄;

　　（4） 滿足標準要求的審計追蹤功能設計;

　　（5） 具備與第三方設備通訊的能力;

　　（6） 具備系統自診斷功能，包括服務器、CPU和I/O的自診斷能力。

　　對于上述復雜而嚴格的要求，B&R APROL DCS系統憑借其良好的性能和快速的功能響應，提供了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案，并得到實施。

2 系統解決方案

　　APROL DCS作為搭建該系統的軟硬件平臺，滿足了復雜控制工藝和功能的要求。針對具體的系統需求構建了優化的冗余控制設計方案，取得了良好的控制效果和穩定性。

　　2.1系統拓撲架構與配置

　　2.1.1系統總體架構與配置

　　對于連續生產過程，DCS系統必須保證數據的連續性和過程記錄的可追溯性，這就對系統的冗余提出了要求，而B&R的APROL DCS系統很好地滿足了這些嚴格的要求，提供了以下能滿足電廠需求的配套冗余方案。該系統的網絡拓撲結構圖如圖2所示。

　　該系統包括2臺操作員站、1對冗余數據服務器（同時兼作操作員站）、1臺工程師站、1臺值長站、5對冗余DPU站，采用了過程數據服務器冗余、控制總線和I/O總線冗余的網絡架構，提供了穩定可靠，符合電廠生產要求的數據采集監控和現場級控制工藝設計。

　　該系統配置了HP370高性能數據服務器，雙SCSI硬盤，支持RADI1數據冗余和帶電熱插拔，高效地存儲全部實時和歷史數據;在中央控制室內的操作員站采用HP7600高性能PC，提供了針對汽輪機和鍋爐主控及輔控單元的操作應用。

　　2.1.2冗余配置的網絡架構

　　操作網絡（操作員站、冗余數據服務器和工程師站服務器之間）、過程網絡（DPU和冗余運行服務器以及工程師站服務器之間）、I/O總線（DPU和I/O站之間）均采用雙100M以太網， DPU冗余對之間的同步總線和I/O總線共用;操作網絡，過程網絡和I /O總線都配置成冗余結構。

　　過程網絡冗余保證了最關鍵的DPU到現場控制設備的數據連續性;所有I/O站通過冗余雙以太網總線將數據快速實時地保存到冗余DPU中，對于危險和影響安全操作的參數而言，是至關重要的。

　　2.1.3 冗余配置的DPU控制器

　　對于需要連續性生產的大型電廠而言，DPU的冗余是必不可少的，一旦某個工作的冗余站主站發生故障，系統能自動地以無擾動方式，快速切換至與其互為冗余的從站，并在操作員站報警。當發生故障的處理器修復后，系統將自動進行狀態拷貝并使其處于冗余運行方式。

　　該系統實際共配置了5對冗余DPU站：其中鍋爐配置一對冗余DPU，下面掛接3個I/O站;FSSS部分配置一對冗余DPU，掛接4個I/O站;汽機部分配置一對冗余DPU，掛接7個I/O站;電氣配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站;化水配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站。所有的DPU均選用高性能的2005系列CP382，該模塊的任務周期可以達到200us，配置3塊3IF781.9，擴展 成4個以太網口，采集所有的過程信息。智能I/O站CPU選用2005系列的CP360，配置1塊3IF781.9，擴展成2個以太網口，以1ms的高速掃描周期處理SOE變量。.

　　2.1.4過程數據服務器冗余

　　在APROL系統中對于實時數據、報警記錄、事件記錄等提供了數據庫冗余方案，以確保在故障時能夠對于相關實時參數快速保存，并為工藝追溯和改善提供數據分析基礎，便于系統分析師對系統進行調整和改善。

　　2.1.5 系統I/O點配置

　　該系統的I/O點配置如表1。

　　表1 系統I/O點配置

　　2.2控制單元及其功能

　　生物質能電廠與常規火力發電廠最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質燃料的水分含量較高且不穩定，其熱值不固定，進而導致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發電機、電氣和輔助車間等系統的控制方式與相同規模的常規電廠并沒有太大的不同。機組控制采用機跟爐的調節方式，鍋爐調負荷，汽機隨鍋爐負荷的變化而保持進汽的壓力基本保持不變。

　　機爐協調控制機制是貝加萊應用APROL DCS為該生物質電廠項目制訂的控制策略，具有閉環調節主蒸汽壓力和機組功率控制功能，機組負荷指令被送到汽輪機主控回路作為前饋信號，從而使系統獲得蒸汽壓力和主機功率快速達到目標值的調節能力。該生物電廠DCS系統由鍋爐、汽機主控系統以及電氣和化水輔控系統的各子系統構成。

　　2.2.1鍋爐主控單元

　　鍋爐主控包含以下單元：

　　FSSS（爐膛安全監控）實現了主燃料跳閘（MFT）、點火前及停爐后吹掃控制以及火焰檢測等功能，有效的確保鍋爐爐膛的安全運行。

　　BPS（旁路控制功能）實現了再熱器保護、維持機前壓力、限制鍋爐升壓速率、高旁閥出口溫度控制等;

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協調機制、燃料量、爐膛負壓、汽包水位、主汽壓力等的自動調節能力。

　　SCS（輔助設備順序控制單元）實現了送風、引風自動啟停及連鎖保護。

　　上面的子系統分別由兩對冗余DPU站控制，原則上根據實際的占多數I/O處于哪一個冗余站，該系統就分屬此冗余站;但是實際實施過程中，由于設計院設計點數的時候并不會按系統功能嚴格劃分I/O點，以及不同的系統之間存在邏輯上的互用，項目中通過定義全局交叉變量的方法，來實現不同DPU之間的數據交換。

　　鍋爐控制系統中關鍵環節是汽包水位控制，正常情況下系統汽包水位始終應在0位，用戶要求控制精度在±5mm。汽包液位采用三沖量控制，這樣可以使系統達到很高的精度，它將汽包的液位作為主回路，把鍋爐產生的蒸汽流量乘以相應的系數和主回路的輸出作副回路的設定值， 給水流量作水位調節的副回路，構成三沖量調節。采用自定義開發的專用PID模塊可容易地實現上述控制功能，而且控制精度完全能滿足用戶系統的要求。汽包的水位在將調節器參數整定合適的基礎上可以穩定在±3mm范圍之內。

　　在項目實施中，由于其中一個冗余DPU站運行的PID數量多達三十幾個，使得冗余控制器的同步數據量劇增，導致冗余切換時間過長，PID調節參數在切換過程不平穩，后來通過優化同步數據以及指定部分功能塊運行于服務器中的方法，保證了同步的可靠性和切換的平穩性。

　　2.2.2汽機控制單元

　　汽機主控包含以下單元：

　　DEH（汽機數字電液控制）單元，通過升速控制、超速限制與超速保護、主汽壓力控制、單多閥、自動同期控制等多個功能塊提供了針對汽輪機的轉速和負荷控制，確保機組安全高效運行。采用和利時公司的DEH系統，該系統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統。

　　ETS（汽輪機危急遮斷保護系統），當有危急及汽輪機安全運行的狀態和參數出現時，迅速關閉汽輪機進氣閥門，及時切斷汽輪機所有進氣的保護系統。采用江蘇眾陰公司的ETS系統，該系統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統。

　　TSI（汽輪機安全監視系統），能連續地檢測汽輪機的各種重要參數，幫助運行人員判明機器故障，使機器能在不正常工作引起的嚴重損害前遮斷汽輪機發電機組，保護機組安全。另外，TSI監測信息提供了平衡和在線診斷數據，維護人員可通過診斷數據的幫助，分離可能的機器故障，減少維修時間。TSI還能幫助提出機器預測維修方案，預測維修信息能推測出旋轉機械的維修需要，使機器維修更有計劃性，其結果是減少了維修費用，提高了汽輪機組的可用率。采用本特利公司的TSI系統，該系統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統。

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協調機制、除氧水位、減溫減壓溫度閥和壓力閥等的自動調節能力。

　　SCS（輔助設備順序控制單元）實現了凝結水泵、循環水泵、射水泵、調速油泵、潤滑泵、高加、低加進汽閥等一系列輔助設備的順序啟停。

　　汽機控制主要涉及到給水泵和射水泵的雙泵切換以及自動起雙泵，為此特地根據具體的工藝要求設計了一個雙泵切換的超級宏來控制雙泵切換。

　　2.2.3 輔控系統

　　電氣輔控主要是采集一些刀閘開關的分合狀態，增磁、減磁以及發送同期指令等。

　　化水輔控主要是采集一些泵和閥的狀態，細沙過濾器的順控、細沙過濾器沖洗順控和混床再生順控等。

　　APROL DCS集成了以上各部分的控制，實現了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案。

　　2.3 系統的其它功能

　　2.3.1 SOE事件順序記錄

　　該項目中對于發電機出口開關事件，真空低壓、ETS故障、主汽門關閉、軸向位移大停車、MFT保護停機、AST磁力斷路油門等關鍵點提出了SOE日志記錄的要求，涉及到總計57個SOE數據點的數據高速采集，現場配置的B&R DI476模塊可以達到500uS的數據掃描能力，實現了SOE站內分辨率小于1mS，站間分辨率小于2mS的特殊性能要求。

　　2.3.2 GPS校時

　　SOE（事件順序記錄）提供了在系統故障如：跳閘、安全報警等狀態下提供實時數據記錄，為故障分析提供非常重要的數據分析基礎，而GPS校時則是配合SOE及其它報警功能所必須的。

　　通過為第三方中瑞科技的GPS自動校時設備CP220 E模塊提供驅動程序，將GPS信號接入到其中一臺數據服務器。操作站、工程師站，現場DPU單元通過XNTP網絡與該服務器對時，實現時間標簽功能。

　　2.3.3 與第三方系統之間的數據通訊

　　對于大型系統應用而言，開放性是絕對不可缺少的能力，APROL DCS提供了靈活便捷的與第三方系統實現數據通訊的能力。

　　系統內嵌了INA Connection、FMS Connection、HPC Connection、OPC Connection、3946R、Modbus Plus Driver、Simatic S5/S7 Connection、TI Driver、Profibus- DP master/slaver、Modbus RTU/ASCII等眾多驅動程序。

　　（1） 與除塵系統通訊

　　在該項目中除塵系統采用了SIEMENS S7-300 PLC作為控制單元，APROL子模塊提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 現場控制單元為DP Master，S7-300 PLC站為DP Slave的方式實現了數據交換鏈接。

　　（2） 與輔助上料系統通訊

　　通過Modbus總線與上料系統的第三方破碎設備實現通訊，APROL內控制其為Modbus Master站，第三方設備為Modbus Slave站，通過RS485總線連接，實現對輔助上料系統的控制連接。

　　2.3.4 系統的自診斷能力

　　對于一個高效而成熟的系統而言，系統應具備極強的自診斷能力。APROL DCS系統就提供了豐富的自診斷功能，不但增強了系統的易維護性，同時也減少了維護人員工作量。

　　（1） 冗余服務器狀態和性能監測

　　通過APROL系統內置的功能調用，可以對冗余數據服務器的狀態，如CPU負荷、資源利用狀態，報警等進行自行記錄，并通過聲光報警方式提供給操作員站，以便及時對系統進行調整和相應的操作。

　　（2） CPU狀態和I/O模塊自檢

　　對于關鍵點的CPU和I/O模塊而言，自檢能力非常必要，它使得用戶可以在線把握系統的故障點，并及時作出調整的響應。

　　2.3.5 審計與追蹤功能設計

　　為了有助于用戶發現干擾系統的故障并且能夠實時跟蹤操作員動作，APROL提供了審計追蹤功能模塊;

　　（1） “Audit Trail”功能

　　APROL提供“AuditTrail”, 它能將 “4W” （who, where, when, what）信息完整無誤地保存起來，提供事后的系統干擾來源數據分析基礎。

　　（2） APROL 完全滿足 “FDA 21CFR Part 11”標準

　　FDA 21 CFR是一項旨在確保電子數據有效性和可靠性的標準，遵照此標準而保留的數據方可作為通過檢驗或者今后追溯的有效數據來源，APROL滿足此標準的設計使有效數據得到很好的保存。

　　APROL的標準設計滿足能力使得過程監控在一種通用標準下得到實現。

3 結束語

　　APROL DCS系統提供了高度的數據透明性和可追溯性設計，具有能適應靈活的現場硬件架構和軟件組態變化的能力，它豐富的圖形界面、靈活的配置參數、工藝功能塊超級宏設計、審計和追蹤功能、報警與趨勢分析以及系統自診斷功能，使得其在生物質發電廠的應用中完全滿足了苛刻的技術要求。

　　該項目的成功實施，充分體現了B&R APROL系統對于復雜系統的整體控制和適應能力，一期項目已在2008年11月完成， 2008年12月該機組投入實際商業運行，預計年發電量可達77GW，可利用秸稈10萬噸，提供10.05×104 GJ的供熱能力。