超超临界1000MW机组控制方案浅谈

[ 摘要] 文章简要说明了超超临界百万机组的发展历程 ,根据超超临界 1 000 M W 机组技术特 点 ,提出并分析了全厂控制网络方案 ,并阐述了主要控制设备选择应注意的问题 。

1 国内外超超临界机组发展概况

在机组的可靠性 、可用率 、热机动性 、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美 , 并有了较多的商业 运行经验 。目前 ,国际上超超临界机组的参数能够 达到主蒸汽压力25 ～ 31 M Pa , 主蒸汽温度 566 ～611 ℃,热效率 42 %～ 45 % 。我国将超超临界机组的研究设定在蒸汽压力大于25 M Pa ,蒸汽温度高于80 ℃ 的范围 。

欧美国家发展超超临界火电机组已有50多年的历史 ,早期投产的超超临界机组在投入运行后不 久 ,便多次出现受热面爆管事故及高温腐蚀等材料 问题 , 不得不降参数运行 。直至 20 世纪 80 年代中 期 ,随着能源价格的不断上涨 ,各种材料的制造技术 及机组控制系统的成熟与完善 , 运行良好的超超临 界机组才在欧洲及美国不断涌现 。

而日本对超超临界火电机组的研究始于20世纪 80 年代初 ,由于借鉴了欧美国家的成功经验及失败教训，走了一条引进、消化、模仿、材料研究优先的路子，取得了巨大成功。日本在 1967 年从美国引 进第一台超临界机组 , 进行消化吸收及工业化试验 的基础上 , 于 1989 年和 1991 年投运了两台容量为700 M W ,参数为 566 ℃ 566 ℃ 538 ℃ /的超超临界机组 ,机组运行可用率及可靠性较好 ,经过多年稳定运 行考验及对材料 、 控制系统 、 运行方式的工业性试验 后 ,于 1998 年投运了参数更高的超超临界机组 , 容 量为 1 000 M W , 参数为 600 ℃ 600 ℃ 600 ℃, 机组效率达 44. 7 % ,取得了一次性成功 。

我国自 20 世纪 80 年代以来已有发展大功率亚临界火电技术的经验和引进超临界机组的实践 , 先 后引进多台大容量超临界机组 , 并陆续投运 。经过 多年的运行实践 ,国内已经掌握了超临界火电机组 的运行及检修技术 , 并开始了在技术引进基础上的 超临界机组国产化研制工作 , 2004 年 10 月和 12 月 ,国产化首批超临界机组 —— — 华能沁北电厂 1 、 2 号机组分别投入运行 。我国超超临界燃煤火力发电 机组的研制工作也已经开始 ,国家计委在 2002 年国 家 863” “ 项目中将超超临界燃煤火电机组立为专项 ,2006年11月28日首台国产化1000MW超超临界火电机组——华能玉环电厂1号机组顺利投产发电。

2 超超临界火电厂全厂控制网络方案

超超临界机组较超临界机组的工艺参数要求相 对高一些 ,对材料的选择和使用要求更为重要 。而 对热控方案设计而言 ,1 000 M W 超超临界机组和 600 M W 超/ 超超临界机组两者在基本控制方案上 没有太大的差别 。

分散控制系统 ( DCS) 和可编程控制器 ( PL C) 在 火电厂自动化控制中已得到大量应用 , 随着大型火 电机组炉 、机 、电的运行和管理水平不断提高 ,DCS 和 PL C 系统极高的可靠性 、 丰富的控制功能和对运 行操作的简化 ,为减员增效提供了诸多的方便 ,并取 得了良好的效果 。因此 1 000 M W 机组的控制方式 都采用分层分级的网络结构 。全厂控制网络由厂级 监控信息系统 ( SIS) 以及机组级的控制网络 ( DCS) 、 辅助系统控制网络三层构成 , 实现全厂监控系统的 网络化管理和信息共享 。

通过对控制系统的选择和控制点的设置 , 分别 介绍几个典型的 1 000 M W 机组全厂网络控制方案 如下 :

( 1) 方案一 : 设置厂级管理信息系统 ( M IS) 、 厂 级监控信息系统 ( SIS) 。单元机组和机组公用部分 采用 DCS 系统控制 。设置全厂集中辅控网络 ,辅助 系统网络采用 PL C + 交换机 + 以太网组成控制网 络 ,辅控网络的控制点也设在集中控制室 。脱硫系 统采用独立的 DCS 控制 ,脱硫系统的控制点也设置 在集中控制室 。全厂采用集中控制室一个控制点 。 单元机组 DCS 网路包括锅炉控制 、 汽机控制 、 发变 组及厂用电源等 。公用 DCS 网络包括电气公用厂 用电源 、 循泵房等 。辅助系统集中控制网络包括供 气中心 、 燃油泵房 、 汽水取样及加药系统 、 凝结水精 处理 、 锅炉补给水系统 、 工业废水处理 、 综合水泵房 、 制氢站 、 循环水加氯系统 、 生活污水处理系统 、 除灰 渣系统部分 、 输煤系统等辅助车间系统 。脱硫系统 控制采用独立 DCS 控制系统 。此方案为当前大型 火电机组采用较多的方案 , 其特点是全厂网络符合 大多数电厂的生产管理方式 , 除脱硫系统外所有辅 助车间系统均采用 PL C 控制 ,并组成辅网 。而脱硫 系统采用独立 DCS 系统符合当前脱硫整岛招标 、 建 设的施工模式 , 接口清晰 , 控制点均设在集中控制 室 ,有效地减少了运行人员 。

( 2) 方案二 : 在方案一的基础上 , 将脱硫主机控 制的子系统纳入机组 DCS 控制网络 。

与方案一相比 , 主要区别在于脱硫纳入了主机DCS控制网络。随着国家对环境保护的更加重视，脱硫系统基本上与主机同步建设 , 而很多工程均采 用了引风机和增压风机合并 、 取消脱硫旁路的设计 方案 ,使得脱硫系统与主机系统密不可分 。此方案 能统一协调脱硫和主机系统的控制 , 消除了两套系 统分别运行 、 接口较多且相互影响的隐患 ,便于运行 人员能根据排放指标调整主机的控制策略 。

( 3) 方案三 : 将脱硫和其它所有辅动系统均采 用 PL C 控制 ,构成辅网 。

与方案一相比 ,其特点是全厂网络结构清晰 ,所 有辅助车间系统 ( 包括脱硫) 均采用 PL C 控制 ,并组 成辅网 ,同时控制点均设在集中控制室 ,使主控和辅 控职责分明 ,减员增效效果明显 。但国内大型机组 ( 600 MW 以上) 脱硫系统采用 PLC 控制方式的较少 。

( 4) 方案四 : 辅控网络的控制点根据实际管理需要设置独立的辅控控制室 。脱硫系统独立组网 , 控制点设置在脱硫控制室 。输煤系统也独立组成PL C 控制网络 ,控制点在煤场就近设置 。

与方案一相比 ,考虑到输煤系统的控制与就地巡 检人员的关系相对密切 ,联系较多 ,输煤独立组网 ,同 时输煤、 脱硫和辅控网均采用独立的控制室 。这样设 置可减少集中控制室的面积 ,减少控制室内操作员站 数量 ,避免各系统运行繁忙时相互影响 ,同时降低了 操作员的劳动强度 ,但也无可避免地增加了控制室的 总体使用面积 ,提高了土建 、 暖通费用 ,各分散点的增 加也导致运行人员的增加 ,人工成本也会相应增加 。

3 000 MW 机组主要控制设备的选择

无论什么控制方案 , 最终离不开控制设备的选 择 。不同的控制设备选择会产生不同的控制方案 。

3. 1 DCS 和 PLC 系统的比较

控制系统的主要控制设备可采用 PL C 或 DCS 。DCS 和 PL C 的设计原理区别较大 , PL C 是从模仿

继电器控制原理发展起来的 , 而 DCS 是在运算放 大器的基础上得以发展的 ,把所有的函数 、 各过程变 量之间的关系都设计成功能块 。DCS 和 PL C 控制 器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上 , 即使 后来两者相互有些渗透 ,但是仍然有区别 。20 世纪 80 年代以后 ,PL C 除逻辑运算外 , 也增加了一些控 制回路算法 ,但要完成一些复杂运算还是比较困难 , 但在解算逻辑方面 ,表现出快速的优点 。而 DCS 使 用功能块封装模拟运算和逻辑运算 , 无论是逻辑运 算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰 , 但相 对 PL C 来说逻辑运算的表达效率较低 。

虽然国内小型机组主机有少量采用 PL C 控制 , 但由于百万机组其控制点数 、 控制逻辑和模拟运算 的复杂是小型机组无法比拟的 , 因此主厂房的控制 采用 DCS 实现 。

对于辅助车间系统 ,其程序控制许多是由 PL C 实现 。随着 PL C 硬件和软件的迅速发展 ,不断更新 换代 ,具备了较强的模拟量控制 、 网络支持能力 , 完 全可以满足组建辅助系统控制网络的要求 。在电厂 应用较多的 PL C 品牌有 SIEM EN S 、 MODICON 、 A - B 、 RON 等 ,这些产品质量可靠 , 在电厂输煤 、 OM 气力除灰 、 锅炉补给水 、 凝结水精处理等大型控制系 统中已有过许多成功运行经验 。随着网络应用的发 展 ,各硬件生产商都推出了支持开放标准网络的产 品 ,可提供成熟 、 可靠的网络接口 , 能支持多种网络 协议 ,可以方便地组成网络控制系统 。从单一辅助 系统的工艺特点来看 ,成组的 、 有时序的开关量控制 占绝大多数 ,且不需要象单元机组那样大量的数据 计算 ,选择 PL C 进行控制更合适 。

3. 2 DCS 的选择和配置

对 DCS 系统的选择还应该考虑到控制器的分 布和数量 。由于 1 000 M W 机组 DCS 系统的输入/ 输出 ( I/ O ) 点数相比 600 M W 机组有较大的提高 , 而且不同的主机其控制策略也不同 , 控制器的选择 应参照国内已投产的百万机组的配置 , 结合工程实 际 I/ O 点数 ,根据具体控制功能和控制对象的多少 而定 。实际配置时 ,要考虑所使用的 DCS 控制站的 功能高低 、 控制站的负载能力大小 、 主要指标 ( 如内 存、 CPU 等级 、 主频 、 通讯速率 、 I/ O 点的能力) 等 带 因素 ,在保证控制站功能的分散度的前提下合理分 配 ,避免数据通道的繁忙和拥堵 。

3. 3 锅炉壁温

在超临界机组上 ,锅炉壁温一般由锅炉厂设计 ,业主方直接采购 , 大致点数约在三四百点左右 。而 在超超临界机组上 ,由于工艺参数的提高 ,锅炉爆管 的危险性增加 ,因此对锅炉受热面的温度分布监控 就显得尤其重要了 ,在实际应用中 ,国内投产的 600 M W 超超临界机组均增加了 1 000 点左右锅炉壁温 检测点 。而 1 000 M W 超超临界机组其受热面更 大 ,对受热面的监控要求更高 ,在设计和施工中应根 据锅炉的受热面分布特点 ,适当增加锅炉壁温检测 , 实时了解锅炉受热面的温度分布情况 , 可有效避免 爆管等重大事故 ,同时对燃烧控制和锅炉经济运行 有参考意义 。

3. 4 就地设备

1 000 M W 超超临界机组就地设备选择时 , 一定要充分了解其工艺技术参数 , 同时考虑其工作温 度和工作压力范围 , 避免设备在恶劣工况环境中无 法长期连续工作 。 由于超超临界 1 000 M W 机组的主蒸汽 、 热再 热蒸汽管道均采用 A335 P92 材质 , 管道上的仪表 导管也多采用相同的材质 , 仪表导管的规格确定时 应与工艺专业密切配合 , 经过工艺专业的核算后选 定 。而且由于 P92 材质的仪表导管数量较少 , 规格 较小 ,采购时宜与工艺四大管道配管时同时采购 ,减 少日后采购的难度 。

4 结语

超超临界技术作为国内最新的火力发电技术 , 在国内 1 000 M W 机组上的应用越来越多 , 了解其 特点对控制系统方案确定起着重要的作用 , 而控制 系统本质上是为工艺系统服务的 。控制网络的设置 必须符合工艺要求和生产管理要求 。只有充分理解 主辅机工艺特点 、 辅助车间的设置方式和电厂的管 理模式 ,才能制定出一个行之有效的整体控制方案 。