数字化电厂一种整体解决方案

苏丹Garri（吉利）石油焦电站工程位于苏丹首都喀土穆东北70km的Algli镇，尼罗河以东13km，是中国机械进出口公司向苏丹国家电力公司提供的1座总装机容量为110MW发电厂，配有2台240t/h燃石油焦CFB锅炉、2台55MW凝汽式汽轮机和2台55MW风冷式发电机。该发电厂主要热控系统（I&C岛）由上海发电设备成套设计研究院分包，并提供相关的设计、组态、工程、服务等工作。

现代化的火力发电机组，其复杂程度越来越高，对机组的操作、控制、检修和优化的要求也越来越高。传统的控制理念限于主要过程测点监控，而大量设备则就地分散监控，管理信息和维修信息采用手工完成或缺失，因此很难对机组进行统一的全面性信息管理，对机组的优化运行操作、优化检修无法起到有效的指导作用。

基于数字化理念设计的电厂信息与控制系统，凭借其强大的智能现场仪表和设备，将传统分散控制系统（DCS）信息采集、诊断监控范围大大扩展，从而可以有效地获取现场的设备管理和维修的信息。通过高速通信网络，这些信息可以送到厂级监控信息系统（SIS）、信息管理系统（MIS）等上层软件，同时融合智能变送器管理系统（STMS）、锅炉炉管泄漏监测系统（ALDS）、振动监控和分析系统（VMS）、气象站监测系统（WMS）、全厂闭路电视监控系统（CCTV）和电子巡查系统（GTS）等，为机组安全、优化、高效的监控和维护提供进一步的指导和保障。

仪表及控制（I&C）系统的设计，要保证电厂在操作规程下的安全、高效、可靠地运行，即启停操作、常规操作、局部负载操作、紧急状况等条件下，保证以zui优化燃料供给和降低排放等级，低成本、高效率地运行。

一、电厂控制水平

在Garri4电厂中运用全厂一体化的数字化理念来设计整个电厂的I&C方案。全厂I&C主要涵盖如下系统：

（1）分散控制系统（DCS）―主控系统；

（2）安全停车系统（ESD/MFT、ETS）―保护系统；

（3）分承包商控制系统（MPCS）―辅控系统（BOP）；

（4）办公室网络（OFFICELAN）；

（5）卫星定位授时系统（GPS）；

（6）智能变送器管理系统（STMS）

（7）烟气连续排放监测系统（CEMS）；

（8）锅炉炉管泄漏监测系统（ALDS）；

（9）振动监控和分析系统（VMS）；

（10）大屏幕显示系统（LVS）；

（11）全厂闭路电视监控系统（CCTV）；

（12）智能电子巡查系统（GTS）；

（13）广播寻呼系统（Paging）；

（14）气象监测系统（WMS）；

（15）现场仪表和现场控制设备；

（16）仪表实验室。

电厂采用一体化的DCS和必要的专用控制设备来控制全厂的热力设备和热力系统，组成一个操作控制和运行管理二位一体的管控系统。DCS提供全面的、综合的和一致的系统来操作、监视和控制锅炉及辅机、汽轮机及辅机、汽水系统和全厂其余部分（BOP）。

电厂设中央控制室（CCR），按操作、维护和管理的需要，下设若干就地控制室或机柜间。所有监视和操作都可在中央控制室完成。

二、控制系统设计原则

采用DCS作为电厂主控系统，集成了BOP，采用分设备商的专用控制装置作为专用设备的控制器。人机界面（MMD）是操作员的主要监控界面，不设置常规仪表盘（台）类型的操作界面。

DCS具备基于操作员站的LCDTFT显示器和2台机组各4台1250mm大屏幕监视器的人机接口、键盘和鼠标操作，具有快速反应、在线的设备诊断和在线维护等基本特性。

汽轮机电液调速系统（DEH）与DCS采用同种类型的系统，DEH系统只要挂在DCS主干网上，就可以实现与DCS一体化。DEH不但可以与DCS共享网络数据，完成一体化操作，而且还作为DCS中一个独立的控制器，具有相对的独立性。

采用满足于TǖV认证的AK6（等同于IEC61508SIL3）要求的ESD和安全联锁设备，应用于锅炉的MFT和汽轮机的ETS，zui大限度地实现了安全、容错和可靠。

DCS和ESD是采用挂接在同一条以太网上，通信协议、控制软件和组态软件等都是在同一平台上，故它们是完全一体化的。

三、生产和管理分层原则

生产和管理共分三个层面：*层为控制层面，它又分为三个子层面，直接作用于现场生产设备的监控；后两层为生产管理层面。生产和管理分层图见图1。

3.1*层面―过程操作控制层

过程操作控制层主要包含电厂内部针对某设备运行或某操作过程的数字化监控功能，包括三个子层面：现场的设备分包商控制包（MPCS）、主控系统、运行监视、操作及维护。

采用机、炉、电的一体化。在该层次上的部分数字化监控系统大都是相对独立的控制系统，为充分保护现有的软、硬件投资，在现有过程控制系统与统一规划的可视化电厂信息平台之间增加数据操作转换接口，以实现数字化电厂对传统过程控制系统的兼容。

3.1.1现场的设备分包商控制包（MPCS）

这些控制包采用可编程序逻辑控制器（PLC）及基于微电脑技术的专用控制器控制，控制设备一般布置在现场机柜间或现场控制室内，其中包括有：

（1）锅炉石油焦燃料输送系统控制包；

（2）锅炉床料输送系统控制包；

（3）飞灰气力输送和储存系统控制包；

（4）化学水处理系统控制包；

（5）压缩空气制备系统控制包；

（6）烟囱排放连续检测系统测量包；

（7）废水排放检测系统测量包；

（8）环境检测系统；

（9）轴系监控系统。

3.1.2主控系统

主控系统是电厂控制的核心，采用DCS控制。DCS本地控制站设备布置在主厂房运转层的电子机柜间内；部分系统也可按需要采用DCS远程I/0站的方式控制，其设备一般布置在现场机柜间内。由DCS主控系统控制的内容或功能包括有：

（1）锅炉燃烧管理（BMS）；

（2）汽轮机调速系统（DEH）；

（3）停机保护系统（ESD/MFT、ETS）；

（4）闭环控制系统（MCS）；

（5）数据采集系统（DAS）；

（6）程序控制系统（SCS）；

（7）电气控制系统（ECS）。

3.1.3运行监视、操作和维护

该层主要设施是基于个人电脑技术的人机界面（MMD和计算机外设。操作员MMI设备布置在中央控制室内，DCS工程师站布置在中央控制室边的工程师站室内。设如下MMI和外设：

（1）值长管理站（SS）；

（2）单元操作员站（OS）；

（3）大屏幕监视站（MS）；

（4）工程师站（ES）；

（5）打印机。

3.2第二层面―厂级监控及生产管理层

该层OFFICELAN（SIS）是为电厂专业人员设置的，作为提高机组运行效率、二次数据分析管理使用。发电厂在实现各个局部生产过程监控和统一信息平台的基础上，可以面向整个发电厂对实时的控制系统进行整体优化和分析，为过程控制提供操作指导；同时基于整个发电厂的实时状态和资源信息，可以实现资源优化配置、资产维护管理等，以实现全厂的安全、高效、经济生产。该层可以规划为两大应用系统：厂级监控系统（SIS）和可视化资源管理（全厂CCTV和保安巡查系统）。

3.3第三层面―运营决策支持层

该层OFFICELAN（MIS）是为电厂管理人员设置的，作为电厂运行管理用。采用联网技术，将若干管理层和技术人员的计算机连成局域网，将DCS系统控制的电厂部分运行工况通过远程传送方式传送给MIS，供管理层人员的决策和技术层人员的维护做参考；同时，该局域网可以提供给管理层人员一个信息交流的平台，对电厂实时状态、历史信息、经营数据、资源信息数据进行综合挖掘分析，实现企业综合成本的实时计算、分析、控制，对电厂的经营、生产、目标和发展规划提供决策支持，实现企业较完善的管理，这是数字化电厂zui高层次的作用和效果。

MIS的主要设备是OPC接口、数据库设备和商用个人电脑（PC）。这些PC只能看到电厂部分运行数据和部分画面，但不能对系统进行操作。设置端口设备的区域有：

（1）管理办公室；

（2）仪控仓库；

（3）仪表实验室。

四、数字化理念下的系统优化

4.1DCS和PLC系统的一体化

系统原设计中考虑电厂的辅控系统（BOP）中的原水系统、燃料油系统、输渣系统和压缩空气系统在DCS公用网上实现，而由承包商控制系统（MPCS）的化水系统、加药系统、输灰系统和石油焦输送系统采用PLC系统，然后各个子系统采用BOP组网方式，通过DCS和PLC之间的Modbus通信方式融入主控系统中。这是国内电厂中较常用的一种方式。

因为不同系统之间的通信会造成可靠性下降，按照国内惯例，MPCS在主控系统中只是监视而不操作，如果要操作的话则采用硬接线方式；同时不同的承包商完成的监控画面由于风格不同和采用不同的操作软件，使得运行人员培训、工程师维护和设备的备品备件成倍增长。因此，将这些MPCS从设备供应商中切除，由专业的I&C总包方采用统一的DCS完成监控功能，达到控制设备统一、监控画面风格统一、网络系统平台统一和备品备件统一。

具体方案为加药系统具有加氨、加联氨和加磷酸盐装置，该控制纳入单台机组DCS，化水系统和石油焦输送系统采用远程控制站，直接纳入公用系统。在系统的配置中，化水车间和石油焦输送车间配备独立的交换机，布置在电子间的公用系统网，通过光纤与化水车间和石油焦输送车间的交换机连接，保证系统的抗干扰性。在项目执行期间，由于化水系统和石油焦输送系统在主控系统投用之前就要事先运行，因此在这两套系统各配置1台独立的工程师站（兼作操作员站），在主控DCS没投用之前，各自独立为一套小型DCS，当主控DCS投用后，将这两套系统并入主控DCS，形成一个整体。

4.2DCS系统双环网四路径网络结构

冗余通信可增强互连系统之间可用性，zui简单的办法是采用冗余系统网络，当一条网络链路损坏时，系统可自动切换到另外一条网络链路。为提高系统的可靠性而提供了双层冗余系统网络，见图2。

图2中的网络走向流程图、类似的电路流程图和网络连接路径流程图显示：无论哪条路径（网络设备）故障，系统都有另外三条路径可走，显示网络层的超高可靠性。

4.3多层面下多系统之间的融合

I&C岛为电站全厂中所有办公室、秘书室、会议室、培训室、计算机房、仓库管理员办公室、工厂车间和其他具有与上述功能的场所安装一套完整局域网，为所有的管理人员、维护人员、后勤保障人员和辅助人员提供了一个网络平台；同时在主服务器内提供一个统一实时数据库，采集现场的所有有用数据，以供SIS和MIS使用。

在整个系统结构中，辅助分析管理系统通过以下方式与数字化电厂层面进行融合，见图3。

五、结语

在整个电厂初步设计时，就数字化理念综合考虑电厂热控设备的选型和配置，采用大量智能设备将设备的管理信息（如设备KKS（*的）编号、量程设置、线性处理等）及设备诊断维修信息（如设备故障状态等）进行统一管理，并进一步上传到上层SIS、MIS等软件。

DCS系统尽可能地将全厂所有的控制纳入其范围，使得全厂的控制理念统一。

所有的专业辅助系统一方面对设备进行数据分析管理、故障诊断或安全防范，另一方面将数据进一步上传到上层系统中进一步分析，使得各个系统在数字化概念下充分完全地融合，以便对电厂的操作运行、管理和维修起到指导和促进作用。