濟鋼燃氣-蒸汽發電電氣系統設計與應用

1 燃氣-蒸汽聯合循環發電工藝簡介
　　濟南鋼鐵集團總公司（簡稱濟鋼）燃氣-蒸汽聯合循環發電是以平衡利用后的富裕煤氣作為燃氣輪機的燃料，即：煉鐵產生的大量低熱值高爐煤氣；煉鋼產生的部分轉爐煤氣；大量的高熱值焦爐煤氣。發電工藝流程為：高爐煤氣和焦爐煤氣混合（熱值必須達到5528kJ/m3），經電除塵器除塵后，干凈的混合煤氣經煤氣壓縮機壓縮（2.1MPa）后進入燃氣輪機，膨脹做功后排出。燃氣輪機同軸帶動空壓機、發電機。
　　燃氣輪機排出的高溫廢氣（約540℃）作為余熱鍋爐的熱源，余熱鍋爐為雙鍋筒鍋爐，產生中溫中壓和低溫低壓蒸汽，中溫中壓蒸汽用于帶蒸汽透平發電；低溫低壓蒸汽用于鍋爐給水的除氧[1，2]。
2 DCS電氣系統設計
　　濟鋼燃氣發電工程的I級基礎自動化由電氣和儀表自動化系統組成，采用電儀一體化的DCS控制系統及雙網卡冗余工業以太網。根據工藝系統劃分及控制要求，主要包括兩套爐機系統，兩套電氣系統和一套公用系統。下面主要介紹電氣系統的設計。
2.1 系統組成
　　燃氣輪發電機額定功率50MW，出線電壓10kV，蒸汽輪機發電機額定功率18MW，出線電壓10kV，經共同的母線送至額定功率80MW的升壓變壓器，升壓至110kV，經母線與外電網并網。機組啟動時，外電網通過80MW變壓器向電廠供電。發電廠自用10kV高壓電引自發電機出口，由電抗器經電纜送至10kV配電裝置，向發電廠高壓設備供電。10kV配電裝置為單母線接線，發電廠自用380/220V低壓電由10kV配電裝置接入低壓變壓器，向低壓負荷供電。
　　DCS電氣系統的主要設備有：汽輪發電機、高壓廠用電源、低壓廠用電源、煤氣壓縮機饋線。由以下子系統組成：1#/2#汽輪發電機；10kV機壓母線I段/II段；10kV廠用母線I段/II段；0.4kV廠用母線I段/II段；UPS系統；直流系統。
　　兩套機組的供電來源分別是歷城電和韓倉電，高壓電經過兩臺主變壓器（110kV/10kV)，到10kV機壓母線I/II段，分別帶動1#/2#蒸汽輪發電機和1#/2#燃氣輪發電機；另外一路經過電抗器到10kV廠用母線，帶動煤氣壓縮機和廠內其它設備，并經過10kV/0.4kV變壓器到達0.4kV廠用母線，供給廠內其它用電。電氣主接線如圖1所示。

圖1電氣主接線
2.2 硬件配置
　　兩套機組的電氣系統均采用GE Fanuc Series 90TM 90-30 系列PLC，雙機熱備，工作時一主一從，同步運行，互為冗余。一旦主PLC因故障掉電，另一PLC立即由從變主，繼續工作；主PLC恢復以后，兩套PLC仍然保持原來的主從關系。其冗余配置由Max on軟件完成。
　　I/O子站使用GE Fanuc的控制軟件Versamax，進行PLC的編程和配置。Versamax既可以作為單獨的PLC控制機，又可以作為I/O子站，通過現場總線受控于其它主控設備，還可以構成由多臺PLC組成的分布式大型控制系統。Versamax I/O 通用靈活，可用于本地和遠程控制現場，并且具有自動地址分配組態特性。系統的I/O布置如圖2所示。

圖2 1#機組的I/O布置（2#同）
2.3 軟件配置
2.3.1 控制軟件 下位編程、硬件組態軟件采用基于WINDOWS95/98/NT（或更高）環境下的Versapro，運用梯形圖邏輯（Ladder）和功能塊（FBD）相結合的編程方式，實現對現場設備的邏輯判斷和控制。
2.3.2 上位監控軟件 上位監控軟件為GE Fanuc的CIMPLICITY Plant Edit，用于單一的人機界面到完全網絡化的監督控制和數據采集系統，用來進行工藝過程及設備狀態的實時數據采集和處理,完成工藝過程數據分析、操作數據設定和運算控制。
2.4 系統通訊配置
　　各子系統之間的數據交換通過通訊網絡實現，采用VME總線技術實時采集現場的數據，信號分兩路接入兩個配置完全相同的VersaMax I/O站；I/O子站與S90－30系列PLC之間，采用Genius總線技術，雙線冗余，確保了PLC與遠程I/O之間的數據與控制的正常進行；再通過100M TCP/IP以太網實現PLC之間及PLC與上位機之間數據交換及共享。
2.5 系統功能
　　DCS電氣系統可根據HMI的操作指令和現場監測器信號，完成整個發電工程供電系統的順序控制和邏輯控制,并進行工藝過程及設備狀態的實時數據采集和監控,完成工藝過程數據分析以及設備和網絡的故障診斷。
　?。?）電氣控制：根據HMI的操作指令和現場監測器的信號，完成供電系統包括電動機回路、低壓廠用變壓器回路及備用電源回路、高壓電抗器回路及高壓廠用電源聯絡回路、汽輪發電機出口斷路器及同期回路、發電機勵磁控制回路、汽輪發電機啟動、升壓、并網及停機等子系統的自動控制。
　?。?）設備監控：通過動態顏色顯示，實現主控室對現場各設備的狀態監控，當某一設備回路通電以后，操作工可從HMI畫面上看到該回路顯示為紅色，未通電的線路則顯示黑色，醒目直觀，便于監控。
　?。?）實時數據監視：HMI中設計了工藝過程及設備狀態的在線數據顯示，利用CIMPLICITY P.E.的實時數據采集功能，將現場各監測點的數據實時顯示。
　?。?）設備在線診斷及實時報警：系統對重要設備都設置報警監控，并對產生報警的設備進行在線分析，查出故障原因后，在HMI上動態閃爍，提醒用戶及時處理，系統自動記錄近期設備所有報警信息，便于監測設備的不良狀態，查明故障點和故障原因。
　?。?）故障診斷：對系統故障能夠做出診斷，如對系統有硬件故障、I/O故障表中有故障、I/O故障表滿、遠程I/O通訊故障、系統模塊有硬件故障等均可做出診斷，并在上位機顯示，便于查找故障原因。
　?。?）數據記錄：對重要數據系統可以進行記錄，記錄周期為1h?？蓪祿４嫦聛?，每條記錄在系統內可以保持10天，10天后自動刪除，以.csv文件形式保存在指定目錄下，用于日后查詢。數據庫采用SQL Server 2000，通過ODBC接口與HMI連接。
　?。?）歷史趨勢/快速趨勢：系統對每一數據都可作快速趨勢和歷史趨勢圖。趨勢圖能從Cimplicity數據庫登錄器中的成組表、當前數據、CSV文件和參考文件取得數據，并將它們顯示成趨勢曲線。用戶可以查詢某一時間段、某些變量的數據，并打印報表；或實時顯示某些變量的數據曲線，用于比較和分析。
　?。?）用戶權限設定：系統對人員進行權限分類，根據不同的權限可以進行不同操作，如操作工的權限相對較小，只能瀏覽主要的操作畫面進行操作；維護工程師可進行故障診斷的查看及故障清除；系統管理員的權限最大,可對系統進行修改、組態。
3 結束語
　　濟鋼利用燃氣-蒸汽聯合循環發電，一期發電系統裝機容量2×66MW，2004年8月兩套機組全部并網發電，性能穩定，運行良好。DCS電氣系統基于對生產過程進行數據采集、順序控制、連續控制、監控操作、人機對話和數據通信（包括接受過程自動化系統的設定值和發送實際過程數據給過程自動化系統），其應用實現了整個發電廠供電系統電氣設備的在線實時監控、故障診斷、故障預報及遠程信息傳送，并提供了故障診斷系統信息指導功能。