1 引言

    2004年6月16日，北京和利時系統工程股份有限公司在陜西國華錦界煤電項目4X600MW火電機組DCS招標中中標 ，承接陜西國華錦界煤電項目4X600MW火電機組分散控制系統（DCS）項目。#1機組計劃將于2006年底前投運，這將是我國首次采用國產DCS系統投運的第一臺600MW火力發電機組，這也將成為我國工控領域推進國產華進程的重要里程碑。

2 項目概述

（一） 鍋爐
    亞臨界參數Π型控制循環汽包爐，一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式、燃燒器擺動調溫、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構、緊身封閉布置的燃煤鍋爐。

    制造廠：上海鍋爐有限公司
    鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）：     2093t/h 
    過熱器出口壓力（BMCR）：      17.5MPa(a)
    過熱器出口溫度（BMCR）：      541℃
    再熱蒸汽流量（BMCR）：   1743.3t/h
    再熱器進/出口壓力（BMCR）：  3.96/43.78MPa
    再熱器進/出口溫度（BMCR）：  331/541℃
    給水溫度（BMCR）：    277℃
    排煙溫度（BMCR）：    135℃
    鍋爐效率（BMCR）：    93.45％
    制粉系統采用中速磨煤機冷一次風機正壓直吹式系統設計，每臺爐配備6臺中速磨煤機，其中一臺備用。
    煙風系統按平衡通風設計。空氣預熱器系三分倉轉子回轉式，因此分為一次風、二次風和煙氣系統。一次風系統設兩臺50%容量的動葉可調軸流式一次風機，二次風系統設有兩臺50%容量的動葉可調軸流式送風機，煙氣系統設有兩臺50%容量的靜葉可調軸流式引風機。

（二） 汽輪機

    亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，汽輪機具有七級非調整回熱抽汽，汽輪機額定轉速為3000轉/分。

    制造廠：上海汽輪機廠
    額定功率：     600MW
    最大功率：     667.2MW
    額定轉速：     3000rpm
    主汽門前壓力（VWO）：  16.67Mpa(a)
    主汽門前溫度（VWO）：  538℃
    再熱汽門前溫度（VWO）：  538℃
    額定排汽壓力（VWO）：  15kPa(a)
    冷卻水溫度（VWO）：   20℃

    熱力系統除輔助蒸汽系統外，其余系統均為單元制。主蒸汽、再熱蒸汽冷段及熱段管道均采用2－1－2連接方式；抽汽為7級非調整抽汽；給水系統采用單元制，每臺機組配置三臺50%容量的電動調速給水泵，各給水泵前均設有前置泵，三臺電動調速給水泵組互為備用，設有三臺高壓加熱器采用大旁路系統；凝結水系統設兩臺100%容量立式定速凝結水泵，三臺低壓加熱器，一臺軸封冷卻器，一臺內置式除氧器，一臺300m3凝結水貯水箱，兩臺凝結水補充水泵和一臺凝結水輸送水泵，其中兩臺凝結水補充水泵一臺運行，一臺備用。高壓加熱器采用逐級串聯疏水方式，最后一級至除氧器，每臺高加均設有至凝汽器的事故疏水；低壓加熱器采用逐級串聯疏水方式，7號低加疏水至凝汽器，每臺低加均設有至凝汽器的事故疏水。
    汽機采用高低壓串聯2級旁路系統，旁路系統容量為30％B－MCR；本工程旁路系統為簡化旁路，僅在機組啟停時使用。

（三） 直接空冷系統

本工程為機械通風直接空冷系統，設有56臺冷卻風機。

    制造廠：德國GEA能源技術有限公司
    輔機循環冷卻水系統，四臺機組共設有六臺輔機循環冷卻水泵，為擴大單元制供水。

（四） 發電機

    型式：3相、同步、水－氫－氫冷卻方式、靜態勵磁
    制造廠：上海電機廠
    額定功率：       600MW
    額定電壓：       20kV

（五） 熱控系統

    熱控系統采用和利時公司的第四代DCS產品HOLLiAS-MACS系統。

3 工程的系統設計

    根據陜西國華錦界煤電項目4×600MW火電機組（1＃、2＃機組）分散控制系統《合同》及《技術協議書》，本套DCS系統軟件和硬件配置如下:

（一） 系統結構設計
1. 項目規模
    現場I/O信號數量如下：

遠程I/O的供電與接地

    由現場附近的熱工電源盤供給，或由布置于控制室里的DCS電源柜供給。為保證遠程I/O柜內各采集模塊的電源穩定，電源經過UPS電源穩壓后供給，該路電源失去時UPS仍可保證遠程I/O能正常工作一段時間。
遠程I/O柜布置于現場，離控制室里的DCS系統接地柜的匯流總排較遠，因此遠程I/O柜的地就近接入現場的地網。遠程I/O的安全地、屏蔽地和邏輯地在柜內一點匯流后作為接地點，該接地點由專用的接地電纜接入現場地網，接地電阻要求不大于4歐姆。

4 熱控系統的設計

（一） 控制功能

    工程套DCS系統監控功能包括數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、爐膛安全監控系統（FSSS）、順序控制系統（SCS）、汽機空冷控制系統（ACC）、旁路控制系統（BPC）及電氣控制系統（ECS）等。

FSSS控制功能

    FSSS控制系統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和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。

CCS控制功能

    CCS負荷管理中心對設定負荷指令進行限速、限幅、閉鎖增減等處理后得出實際負荷指令。同時也可實現RB、一次調頻、風煤交叉等功能。自動發電控制（AGC）以機爐協調控制方式為基礎，可接受電網發來的負荷指令，快速響應電網負荷的需要。CCS控制功能的主要設計如下：

一、CCS機組負荷指令ULD

1、ULD的產生
    設有機組主控手自動站。自動時負荷指令來自AGC（通過RTU），手動時，負荷指令由操作員給出。自動或手動產生的負荷指令經高、低限幅和速率限制后，并行地送往汽機主控和鍋爐主控以及其它系統。

2、調頻控制
    當操作員選擇“轉速控制方式”時，控制汽機轉速以維持系統頻率。這時機組負荷指令自動跟蹤汽機實發功率以避免出現擾動。在調頻瞬間過去后，系統返回AGC控制時無擾動。

3、高低限幅
    高低限可調。當機組負荷指令達到高限或低限時，被阻止進一步增加或減少，并報警。

4、機組負荷指令變化率
    正常工作時，機組負荷指令受最大變化率的控制。此上限值由操作員可調。負荷變化率的預設值暫定如下：

（1）正常負荷變化率

    a．變壓運行時為2.5%/分；
    b．定壓運行時為3%/分；
    c．正常負荷變化允許持續5分鐘，然后保持5分鐘。

（2）最大負荷變化率
    a．變壓運行時為3%/分；
    b．定壓運行時為5%/分
    本設計采用限制變化率為 0的手段實現負荷指令的閉鎖加、減和保持功能。當機組負荷指令確已受到升、降速率限制時，有相應的確保安全措施并報警。

5、輔機故障減負荷（Runback）
    當兩臺引風機中突然有一臺跳閘，僅一臺維持運行時，而這時機組負荷指令ULD又大于單引風機所能承受的負荷時，發生引風機RB。相似的有送風機RB、一次風機、給水泵RB。當RB產生時，機組將由機爐協調控制方式轉換到機跟爐方式，同時切除若干鍋爐燃燒器。

6、設備能力對機組負荷指令的限制

在下列情況下閉鎖負荷增：
（1）汽機調門位置在最大；
（2）機組指令比實發功率大一定值；
（3）機前壓力比設定值低一定值（暫定1MPa）；
（4）爐膛壓力比設定值低一定值；
（5）爐膛壓力比設定值高一定值；
（6）機組指令被上限幅。

在下列情況下機組負荷指令閉鎖減：
（1） 機前壓力比設定值高一定值；
（2） 實發功率比機組指令高一定值；
（3） 給水流量比設定值高一定值；
（4） 爐膛壓力比設定值高一定值；
（5） 爐膛壓力比設定值低一定值；
（6） 機組負荷指令被低限幅；
（7） 汽機調門開度在最低點；
設有Go/Hold按鈕，當按下Hold時，同時閉鎖增和減。

二、汽機主控TM

汽機主控系統的目的是建立汽機閥位指令。
1、協調方式下的汽機指令
    遵循如下模型：
     汽機指令=ULD+（MWe-Tpe）+∮（MWe-Tpe）
     ULD――機組負荷指令
     MWe――機組負荷指令減去實發功率
     TPe――機前壓力設定值減去實際機前壓力

2、汽機跟蹤方式下的汽機指令
    鍋爐主控在手動，汽機主控在自動，汽機主控用來控制機前壓力，這屬于汽機跟蹤方式，用機前壓力偏差的比例積分作用實現。鍋爐指令作前饋的基本信號，此信號被機前壓力設定值除作為最終前饋，機組指令跟蹤實發功率。

3、鍋爐跟蹤方式下的汽機指令
    鍋爐主控在自動，汽機主控在手動，操作員在汽機主控器上設置汽機閥位指令，這屬于鍋爐跟蹤方式，用機前壓力設定值作為最終前饋。機組指令跟蹤實發功率。

4．基本方式下的汽機指令
    這時鍋爐和汽機功能獨立，鍋爐主控和汽機主控均在手動，可分別改變鍋爐和汽機的負荷。

5．機前壓力設定值的形成
    機前壓力設定值由操作員在操作員站上用TPSP給定器給定，但在基本方式下，跟蹤實測機前壓力。當操作員選擇變壓運行方式時，TPSP給定器跟蹤ULD對應得F(x)函數，函數關系參見汽機廠提供的熱力系統平衡圖，其變化率受限。從TPSP給定器送出的信號經高低限幅和限速后作為最終機前壓力設定值。如果希望機前壓力設定值不再變化，操作員可按動操作員站上的機前壓力Go/Hold按鈕。

6．自動升負荷方式
    在變壓運行被選定后，操作員可以選擇三種方式升負荷：

（1）固定閥位／可變壓力方式
    操作員將汽機調門置于某一固定位置，系統在升負荷過程中，主汽壓力按F(x)規律升壓至額定值，負荷升至85％時，主汽壓力設定值為定值，汽機調門無擾動地開始調節。

（2）固定閥位±10％調節
    在升負荷至85％期間，為了響應機組負荷波動和保證頻率穩定，汽機調門可在±10％范圍調節。

（3）程序方式升負荷
    在低負荷情況下（＜25％負荷），保持主汽壓力在一低壓設定值，調節汽機調門去滿足負荷指令，負荷上升至25％時，以方式（2）運行，負荷增至85％時，系統轉為全定壓方式。

7．與DEH接口

（1）DO，CCS：ASKDEH           CCS請求控制汽機。
（2）DI，DEH：REMOTE           DEH可由CCS控制。
（3）DI，CVS：SLIDE             汽機調門在滑壓位置。
（4）DI，DEH：TRIPPED           DEH跳閘。
（5）AO，CCS：TURBLO           CCS對DEH的調門指令。
（6）AI，MW1、MW2：TODEH     由DEH來得實發功率信號。
（7）AI，TURBLO：REF            高壓調門反饋參考信號。
（8）AI，TURBPOS：LIMIT         汽機閥位上限。
（9）AI，SI3710                     汽機轉速。
（10）AI，LDRATE     汽機負荷速率上限。

三．鍋爐主控BM

鍋爐主控系統的目的是產生燃燒率指令，以控制燃燒。
1．協調方式下的鍋爐指令
遵循如下模型：                      
鍋爐指令＝FFULD＋△+∮△
     FFULD ：目標負荷前饋信號
     △ ：能量偏差信號
      ：調速級后第一級壓力
      
      P₁：汽包壓力
      P_T：主汽門前壓
      P_S：主汽門前壓力設定值
       C_K：汽包等的儲熱系數

2．鍋爐跟蹤方式下的鍋爐指令
    鍋爐主控在自動，汽機主控在手動，ULD以實際負荷代替，用來作機組燃燒率的前饋指令。除此之外鍋爐指令遵循的模型與CCS 方式相同。

四．MCS控制功能

MCS功能主要完成對調節設備的控制和多套自動調節回路，主要模擬量控制包括了：

    送風機控制FDF
    爐膛壓力控制IDF
    一次風機控制RAF
    給水控制FW
    主汽溫度控制SH
    再熱汽溫控制RH
    磨煤機負荷控制
    球磨機出口溫度控制
    除氧器水位DA
    輔助系統控制等等

SCS控制功能

     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。

ECS控制功能

    ECS功能除了完成對斷路器的控制外，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。

ACC控制功能

    ACC功能主要完成機組空冷系統的監控，該機組空冷系統共配置56臺冷卻風機及其配套閥門、變頻調速控制器等設備。56臺冷卻風機共分為8組，每組均可實現程控啟、停順控，機組空冷系統可實現功能組級程控啟、停；ACC可根據機組負荷、環境溫度控制汽機背壓在允許范圍內，通過控制空冷凝汽器的風機轉速實現汽機背壓的控制；空冷系統排汽背壓、凝結水溫度控制也由ACC功能完成。

（二） 控制分站

    該DCS項目單元機組控制站28個，公用系統控制站4個。各控制站功能分配按以下原則進行：1、在機組工藝系統機、爐、電分開的基礎上，以工藝系統為主，結合控制功能的原則分站。2、考慮各現場控制站負荷相對均勻的原則。3、考慮機組設備互備、承擔總負荷百分比等情況，考慮危險分散的原則。4、機組互備的設備控制分在不同的控制站，MCS調節中多個執行設備維持同一參數時可放在同一個控制站里。5、ＳＯＥ點與控制邏輯點分開，機組重要設備狀態點ＳＯＥ記錄為單獨提供的測點。初步分站配置如下：
    單元機組：共28個控制站
    FSSS功能站：共6個控制站
10站包括：鍋爐保護，爐側SOE和爐側部分DAS點
11站包括：A、B層油系統控制
12站包括：C層油系統控制及煤火檢、助燃系統，爐側部分DAS點
13站包括：#1、2磨煤機系統
14站包括：#3、4磨煤機系統
15站包括：#5、6磨煤機系統
    鍋爐側控制站：共6個控制站
16站包括：協調控制系統，燃料控制，風煙系統調節
17站包括：A側風煙系統
18站包括：B側風煙系統
19站包括：鍋爐對空排放、鍋爐疏水系統，爐側部分DAS點等
20站包括：連排流量調節，燃油壓力，磨煤機控制
21站包括：爐減溫系統，給水系統，
    汽機側控制站：共8個控制站
22站包括：機側給水除氧系統，高低加系統，
23站包括：A電動給水泵系統，再熱冷段系統
24站包括：B電動給水泵系統，軸封系統，本體預暖系統
25站包括：C電動給水泵系統，工業水系統，汽機疏水系統
26站包括：A凝結水泵系統，凝結水調節系統，汽機油系統，抗燃油系統
27站包括：B凝結水泵系統，
28站包括：汽機抽汽系統，低壓缸噴水系統，，輔助蒸汽系統
29站包括：旁路控制系統，SOE和機側部分DAS等
    電氣系統控制：共4控制站
30站：發變組、同期裝置及AVR調節
31站：柴油機、直流系統、UPS及外圍斷路器等
32站：電氣A段斷路器
33站：電氣B段斷路器
    空冷系統：共4個控制站（布置于空冷配電室）
34站：14臺冷卻風機及相關空冷系統設備
35站：14臺冷卻風機及相關空冷系統設備
36站：14臺冷卻風機及相關空冷系統設備
37站：14臺冷卻風機及相關空冷系統設備
    公用系統：共4個控制站
38站：電氣公用系統與#1（#3）機組聯系的廠用電開關等設備，A、B空壓機系統
39站：電氣公用系統與#2（#4）機組聯系的廠用電開關等設備，C、D空壓機系統
40站：A、B泵系統 （布置于輔機循環冷卻水泵房）
41站：C泵系統 （布置于輔機循環冷卻水泵房）

5 結束語

    火力發電機組主要燃用大量煤炭，同時，也耗用大量水資源。常規濕冷火電廠全廠耗水量按設計裝機容量計算，每百萬千瓦約為一噸每秒。按年運行8000小時計，年耗水量約3000萬噸，可供一座中型城市50萬居民的生活用水。如果火力發電廠汽輪機采用空氣冷卻系統作為冷源，其耗水量僅為常規濕冷火電廠的三分之一左右。我國水資源相對匱乏，特別在煤炭儲量比較集中的地區更是短缺，在我國西北的缺水富煤地區興建煤礦坑口電站，特別適合發展這種節水、高效、低排放的空冷機組，以滿足電力持續增長的需求，實現“西電東送”戰略規劃并節省日益寶貴的水資源，利于實現西北電力與環境和諧與可持續發展。
    自2001年國內首次采用直接空冷系統的山西交城義旺電廠6 MW機組投運以來，大型機組機械通風直接空冷系統目前在國內還沒有運行機組，但由于其投資少、防凍性能好的特點，近年來在國內有了良好的發展勢頭。陜西國華錦界煤電工程4×600MW機組是國內首批采用機械通風直接空冷系統的大型機組，和利時公司在該機組DCS工程實施中將不斷總結經驗，為在嚴重缺水地區采用大容量空冷機組積累成功的案例，同時樹立一個DCS監控系統的樣板工程，為我國火電行業的全面和諧發展做一點貢獻。