浅谈火电及核电DCS

浅谈国内火电DCS与核电DCS的异同企业：北京广利核系统工程有限公司日期：2012-03-05领域：DCS点击数：4852摘要：DCS控制系统是随着现代工业生产自动化的不断发展和自动化控制需求不断提高应运而生的综合控制系统。不论是火力发电厂还是核能发电厂随着DCS系统的不断完善，基本在上世纪末期普遍采用DCS控制系统取代了传统的模拟仪表控制系统及PLC等控制系统。核电DCS与火电DCS由于控制对象的不同而各有特点。关键词：DCS；超临界机组；压水堆1引言1975年美国Honeywell公司推出了第一套DCS系统：TDCS-2000。经过多年的发展，当前全球约有数百家厂商推出了千余种DCS系统，广泛应用于电力、石化、冶金等工控领域。世界上第一座火力发电厂是1875年在法国巴黎建成的，距今有130多年的历史。第一座核电站是奥布尼斯克(Obninsk)核电站，于1954年在前苏联卡卢加州开始运行，距今有50多年的历史。到上世纪末期DCS系统逐渐成熟后，火电厂和核电厂的仪控系统开始普遍采用DCS。火力发电厂生产过程：煤等化石燃料在锅炉炉膛中燃烧加热水冷壁里的水使之变为蒸汽，锅炉产生的蒸汽进入汽轮机，汽轮机旋转带动发电机发电。核能发电厂(压水堆)的生产过程：反应堆中的核燃料经过核裂变反应产生热量来加热一回路的水，一回路的给水在蒸汽发生器中将热量传给二回路的给水使之转化为蒸汽，蒸汽推动汽轮机转动，从而带动发电机发电。这个过程与火力发电厂相似，因此核反应堆也被称为“核锅炉”。由于燃煤锅炉与核锅炉有着不同的能量转换特性，也就注定了火电DCS与核电DCS有着不同的特点。2DCS系统的基本特点2.1高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在不同的计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。2.2开放性DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中断开，几乎不影响系统其他计算机的工作。开放性另一方面表现在，当前主流的DCS产品几乎都可以通过组态直接无缝集成第三方系统和设备，无需更改系统程序。2.3灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系，从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。2.4易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。2.5协调性各工作站之间通过通信网络传输各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。2.6控制功能齐全控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。3火电DCS的侧重点以超临界百万火电机组为代表进行介绍。水的临界状态参数为22.12MPa，374.15℃，当机组主蒸汽压力参数高于这一临界状态参数时，通常称为超临界参数机组。对于超超临界参数，目前国际上尚无标准明确界定是多少，国内863课题把机组主蒸汽压力为25MPa以上、主蒸汽温度达580℃以上时，称其为超超临界机组。截止到2010年10月份，国内已经商运的百万超临界火电机组就达到了64台，这些机组的热控系统采用了四个厂家的DCS，其中采用西屋OVATION系统的44台、采用西门子SPPA-T3000系统的18台、采用和利时HOLLiASMACS系统的1台、采用国电智深EDPF-NT+系统的1台。综合以上四家的仪控系统，总结出当前国内百万火电机组DCS系统具有以下特点。3.1管控一体化成趋势常规火电厂按工艺生产流程分为单元机组部分、机组公用部分、电厂辅网部分，与之配套的传统DCS也主要应用于这三块主要生产流程上。而近年来，随着计算机网络技术、数据安全和容错技术、模型仿真技术、实时数据库技术不断提高和电厂经营管理需求的不断提高，火电厂DCS系统已经从单纯的生产过程控制系统逐渐演变为以集生产过程控制系统(DCS)、生产管理系统、经营管理系统于一体的火电厂数字化系统，暨管控一体化系统，如图1所示。在当前的火电DCS市场上，除了最基本的生产过程监控系统之外，DCS厂商还要提供客户集生产管理、经营管理、资产管理等于一身的全方位一体化控制系统(或留有与厂级数字网的通讯接口)。图1火电厂管控一体化示意图3.2仪控系统结构及子系统分类基本一致常规火电单元机组为一套仪控系统，按工艺分为炉、机、电三部分，按功能分为DAS（DataAcquisitionSystem数据采集系统）、MCS（ModularControlSystem模拟量控制系统）、SCS（SequenceControlSystem顺序控制系统）、FSSS（FurnaceSafeguardSupervisorySystem炉膛安全监控系统）、ECS（ElectroControlSystem电气控制系统）、DEH（DigitalElectro-HydraulicControlSystem数字式电液控制系统）、BPCS（By-passControlSystem旁路控制系统）、MEH（BoilerFeedpumpTurbineControlSystem给水泵汽轮机数字式电液控制系统）、ETS（EmergencyTripSystem紧急停机系统）、TSI（TurbineSupervisoryInstrumentation汽轮机监控仪表）等，以上多数功能都集中在一套DCS系统中实现，只有FSSS、DEH、ETS、TSI设置独立的监控系统。而近年来随着DCS系统可靠性和开放性的不断提高，有些机组的FSSS和DEH功能也纳入了DCS系统中，一般只保留ETS、TSI为独立的监控系统。3.3采用的控制算法先进相当一部分先进的控制算法、控制模式已经应用到火电厂的自动化控制过程中。（1）AGC自动发电控制(AutomaticGenerationControl)自动发电控制(简称AGC)是现代电网控制的一项基本和重要功能，是建立在电网调度自动化能量管理系统(简称EMS)与发电机协调控制系统(简称CCS)间闭环控制的一种先进的技术手段。AGC能控制机组自动响应电网调度发出的负荷指令，结合一次调频功能自动控制机组有功功率的增减，使电网频率维持稳定，同时使得发电和用电达到平衡。AGC提出虽已有10年时间，但前期应用自动化程度很不理想，近年来随着CCS功能的不断完善，使得AGC才开始名符其实。上海外高桥三期百万机组AGC应用是很成功的，另外，机组CCS功能还设置了热控智能保护，此项功能在不降低现有保护可靠性的同时还减少了机组误动和拒动的次数。（2）FCB快速甩负荷(FastCutBack)2008年3月，上海外高桥三厂百万机组分别完成了75%和100%负荷的FCB功能试验。试验时，控制人员未做任何干预，事先未采取任何预防措施，仅依靠自动控制系统良好的协调控制能力，使机组做到全甩供电负荷时，发电机带厂用电，锅炉和汽轮机运行平稳，真正实现了孤岛运行。2011年6月宁夏宁东电厂#2机组(660MW)100%额定功率快速甩负荷试验成功。机组FCB试验成功，表明机组主机设备、辅机设备、仪控DCS系统已经达到相当高的水平。试验显示：FCB功能不仅能显著提高电厂运行的安全系数，还大大增强了电力系统的安全性和稳定性。（3）优化控制由于当前电力市场的峰谷差日益增大，百万机组也要参与电网调峰，如某DCS在提高机组负荷的快速响应能力上就进行了控制优化，具体采用以下措施：①电网负荷指令变化后，调整汽轮机机前压力设定值，从而提高负荷的初始响应速度；②将给水量和燃烧率的相互作用减小，增加焓值调整和机组调整的稳定性；③采用负荷或分离器压力校正调节参数，用变参数调节来提高调节品质。4核电DCS的侧重点我国核电站经过30多年的发展，目前在进入商运的机组有11台，分布在秦山(5台)、大亚湾(2台)、田湾(2台)、岭澳(2台)。我国引进二代堆技术(法国M310)加以改进，形成了二代加压水堆CPR1000及CP1000(这两种堆型同宗同源，除燃料组件数目不一致外，主要结构基本一致)，同时我国也直接引进了三代堆技术AP1000和EPR。这四种堆型在我国都有项目在实施，会成为我国一定时间内的主流堆型。这四种堆型结构不同，所以他们采用的DCS仪控系统也不相同。本文提及的核电DCS选取AP1000、EPR、CPR1000这三种堆型采用的仪控系统为例。相比火电DCS，核电DCS具有以下不同之处。4.1核电厂DCS安全级别并非只有一类各国对核电仪控系统的安全级别分类并不统一，其中美国只有核安全级和非安全级，但是欧洲却将仪控系统分为A、B、C三个等级，目前我国核电仪控系统参照美国的做法也分为两类。无论是三代堆AP1000和EPR，还是自我改善的二代加压水堆(CPR1000、CP1000)，这几种堆型的核电厂DCS都包括以下部分，即核岛DCS、常规岛DCS和BOP(BalanceofPlant)。核岛DCS主体属于安全级设备范畴，常规岛DCS和BOP属于非安全级设备范畴。4.2核电厂DCS系统结构多样AP1000压水堆采用的仪控系统是西屋公司的CommonQ+OVATION平台；EPR压水堆采用的仪控系统是西门子的TXS+TXP平台；CPR1000压水堆采用的仪控系统是三菱公司与和利时公司提供的MELTAC-NplusR3+HOLLYSYSN平台，CP1000压水堆采用的仪控系统是INVENSYS公司提供的TRICON+I/A平台，下面对前三种平台进行详解。（1）AP1000采用CommonQ+OVATION平台，核岛DCS采用CommonQ平台，常规岛DCS采用OVATION平台，整套DCS包括8大子系统：OCS（OperationandControlCentersSystem运行与控制中心系统）、DDS（DataDisplayandProcessingSystem数据显示与处理系统）、PMS（ProtectionandSafetyMonitoringSystem保护与安全监督系统）、PLS（PlantControlSystem电站控制系统）、TOS（TurbineControlSystem汽轮机控制与诊断系统）、IIS（IncoreInstrumentationSystem堆芯测量系统）、SMS9SpecialMonitoringSystem专用监测系统0、DAS（DiverseActuationSystem多样化驱动系统)。系统结构如图2所示。图2AP1000仪控系统示意图（2）EPR采用西门子公司的TXS+TXP平台，核岛DCS采用TXS平台，常规岛DCS采用TXP平台，整套DCS包括8大子系统：PICS（ProcessInformationandControlCentersSystem过程信息和控制系统）、SICS（SafetyInformationandControlCentersSystem安全信息和控制系统）、PAS（ProcessAutomationSystem过程自动化系统）、RCSL（ReactorControl,SurveillanceandLimitationSystem反应堆控制监督和限制系统）、PS（ProtectionSystem保护系统）、TPCS（TurbineProtectionandControlSystem汽轮机保护和控制系统）、SAS（SafetyAutomationSystem安全自动化系统）、PACS（PriorityandActuatorControlSystem优先级和执行器控制系统）。系统