燃气发电论文.docx

济钢燃气-蒸汽联合循环发电过程掌握系统苗青(济南钢铁集团总公司自动化部)摘要:简要介绍济钢燃气一蒸汽联合循环发电工艺流程，重点叙述了发电工程掌握系统的硬件和软件构成，以及用掌握器实现发电工艺的集中掌握、远程通讯、数据共享等功能。该系统功能投入运行后能完全满意发电生产的需求。关键词：燃气一蒸汽联合循环；发电；过程计算机掌握；PLC0Subject:Computersystemofpowergenerationwithgas-steamcombinedcycleMiaoQing(JinanIronandSteelGroup,TheAutomationDepartment,ShangdongJinan250101)Abstract：Inthispaper,Itdescribessimplytheprocessofpowergenerationwithgas-steamcombinedcycleinJinanSteelPlant,andmakesadetaildescriptionoftheprocesscontrolsystem.Thispaperdescribestheconstructofthecontrolsystem'shardwareandsoftwareinparticular,realizescentralizedcontrol,remotecommunication,datashared.ThiscontrolsystemcancontentrequirementofpowergenerationKeywords:gas-steamcombinedcycle;powergeneration;processcontrolbycomputer;PLC0.前言济南钢铁股份有限公司“燃气一蒸汽联合循环发电工程”是济钢遵照我国产业政策,加快自身进展的又一大型节能环保工程，其主体包括两套由一台PG6561B-L型燃气轮发电机组(46MW)匹配一台混合煤气压缩机、一台余热锅炉和一台蒸汽轮发电机组(18MW)组成“1+1+1+1”建制的联合循环发电机组。该工程自2003年1月开工建设历时一年半的时间，于今年8月份投入正常生产，联合循环发电机组的顺当运行将充分采用济钢的副产煤气，既节省能源又爱护环境，制造巨大的社会效益同时也给济钢带来了显著的经济效益，为济钢实现跨越式进展培育了新的利益增长点。1 .工艺系统概述发电工程工艺流程图如图1所示。炼铁厂和焦化厂产生的高炉煤气、焦炉煤气经净化后由混合站混合成压力和热值相对稳定的混合煤气，送至煤压机加压至燃机要求的温度压力后送至燃机，在燃机燃烧室内与空气混合燃烧产生高温高压气体带动燃气轮机发电机发电。燃机排出的高温烟气经余热锅炉产生蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机发电。发电机出口电压为IOKV,经80MVA主变升至HOKV,再经GIS开关设施与IloKV济南电网并网。发电机总装机容量2X(46+18)MW,厂用电率25%,上网电量约IoOMM整套机组综合效率可达到45%左右，经济效益显著。1）煤气净化混合：来自焦化厂的焦炉煤气经过洗禁、除焦油、脱水处理后，含尘量降至40mgm3以下，焦油含量降至IonIg?以下，送入煤气混和站。自高炉煤气管网来的高炉煤气先经湿式板式电除尘器后，含尘量降至lmg/m，以下，再经丝网脱水器脱水后，进入煤气混和站与焦炉煤气混合形成混合煤气。此外为保证管网压力和平稳煤气供应，高炉煤气管网末端设置了高炉煤气柜用来平衡发电的煤气供应。2）煤气压缩：高炉煤气和焦炉煤气按肯定的比例混合后送至煤气压缩机压缩，压缩后的煤气压力2.35MPa,温度236。煤气压缩机为两缸三段10级,在煤气压缩机出口处设有防喘振回流系统,当机组正常启动、停机和减负荷运转时，一部分煤气或全量煤气经旁通减压送入煤气回流冷却器降温后再接人压缩机人口。3）燃气轮机发电：燃气轮机发电机组由燃料阀站、燃烧器、压气机、燃气透平、点火系统、发电机等组成。经煤气压缩机压缩后的煤气进入燃料阀站，它将混合煤气匀称地安排并输送到燃气轮机的各燃烧室。煤气燃烧所需空气经自洁式过滤器及消音器后进入轴流式压气机，升温升压后进入燃气轮机燃烧室，在燃烧室中与燃料喷嘴射入的混合煤气混合物燃烧，将燃料的化学能转化为热能，产生高温高压气体送到轴流式透平作功，推动发电机发电。4）蒸汽轮机发电：燃气轮机透平作功后的500°C左右高温烟气送至中压余热锅炉回收余热，产生的中压蒸汽压力3.43MPa、温度450、流量70t/h,其进入凝汽式蒸汽轮机组在汽轮机中膨胀作功带动发电机发电。汽轮机排汽进入凝汽器凝聚成水，再循环采用。低压锅炉产生压力0.2MPa,温度120、流量10.5t/h的低压蒸汽，进入85th热力除氧器用于给水除氧。5）电气系统：燃气轮发电机额定功率为46MW,出线电压IOkV,蒸汽轮机发电机额定功率为18州，出线电压IOkV,两台发电机以扩大单元接线方式，经共同的母线送至额定功率为80MW的升压变压器，升压至IlOkV,经母线与外电网并网。2 .自动化掌握系统2.1 系统构成发电工程Ll级基础自动化掌握系统采纳了全过程计算机掌握，并且预留L2级（生产管理级）的硬件通讯和软件接口。掌握系统包括几个部分：用于混合站混合煤气掌握的CSIoOO系统、用于燃气轮机掌握的MARKV系统、用于煤压机和锅炉汽机掌握的ClMPLICnY系统，其中MARKV系统是GE公司燃气轮机配套的专用掌握装置，由厂家负责机组的整体调试。Ll级系统采纳IOoMb/s冗余工业以太网将各个电气掌握站、仪表掌握站、人机接口操作站、工程师站、值长站、打印机等设施连接起来，各设施连接到交换机的通讯介质为超五类双绞线，分布在两地的交换机通过光缆和光电收发器相连接。Ll级主要负责工艺过程及设施状态的实时数据采集处理，完成各工艺过程及设施状态的画面显示及故障报警处理，并依据操作人员（在HMl上进行）的操作指令和现场各检测时钟同步装置CRT 口 CRT 口T 7ERP Server6#旦交换机L2级 操作员站（10个）值长站 SOL数据库1B-SSfl工程师站（6个）1.l级1# 汽 机、 锅 炉 电 控 PLC2# 汽 机、 锅 炉 电 控PLC2# 汽 机、 锅 炉 电 控PLC1#, 2# ETS 汽 机 紧 急 跳 闸PLC图2:Ll级掌握系统示意图器的信号完成各个工艺设施或者工艺过程的挨次掌握和PID调整掌握。依据系统工艺要求，部分关键系统采纳牢靠的冗余热备系统，使整个系统具有较高的平安牢靠性。LI级系统示意图如图2所示。2.2Cimplicity系统实现的原理整个发电过程掌握系统采纳了多套掌握器完成各区域的掌握功能，来自现场设施的联锁和过程信号通过专用网络或者端子接线引入各自的掌握器，经过CPU运算后依据HMI发布的操作指令掌握现场的设施运行。HMT操作站通过高速以太网连接到掌握站的以太网通讯模板，HMI的RTDB(RCalTimeDatabaSC)通过专用的EDl(EXternalDeviceInterface)驱动实现同PLC的数据读写通讯。储存在HMIserver实时数据库中的数据，可以通过OPC通讯管理器在多台HMlCIient上实现数据的实时交互，还可用于历史数据分析和趋势纪录等功能，数据流图如图3所示。其中Logger功能块将数据方案通过数据库登录器解析后，依据组态的HiStOrian方案的数据格式和数据流向，通过MiCrOSOft的ODBC连接到SQLServer实现了历史数据的存储和读取，还可以通过类似Basic语言的Math&logic功能块实现实时数据的简单处理，譬如量程转换、数学运算等。在各HMI客户端，也可以采用VB脚本编写较为简单的上位运算，此外系统还内嵌了ActiveX>OLE技术、AdvancedDDE功能，这就大大丰富了HMI画面的拓展空间，可以充分采用Microsoft以及其它支持软件生成的控件，使得HMl画面功能更加强大。Logger <-SQL数据库服务器图3:Ll级数据流原理图2.3Ll级系统的特点2.3.1多型号掌握器的集成应用CSlOOO掌握系统在本系统中针对不同的工艺要求采纳了不同型号的掌握设施，其中混合站掌握采纳了YOKOGWACSloOO集散掌握系统。该系统由现场掌握站FCS、操作员站、工程师站组成，含有三层网络结构(如图4所示)：最下面一层为总线结构，称为RIO总线；其次层为掌握总线CONTROLNET,称为VNET网,传输合同为横河公司专用合同，用于传送过程数据、信息互换及掌握信号；第三层为以太网总线，传输合同为通用TCP/IP合同，用于工程师站及操作员站的系统管理功能互传及该系统与分厂级管理机间的通讯等等。第三层：以太网，连接HMl与FCS掌握器及其他带有TCP/IP合同的通信设施其次层：V网总线结构，连接底层与FCS掌握器底层:远程输入输出设施图4：CS100O网络结构 MARKV掌握系统MARKV掌握系统是燃气轮机的核心掌握部分，为美国GE公司燃气轮机专用掌握设施。MARKV掌握系统所履行的功能包括了燃料、进气、排气等的掌握，同时还包括燃机在启动、停机和冷机等过程中燃料与帮助设施的挨次掌握，此外，其他诸如发电机励磁及涉及燃机运行的全部主、辅设施的掌握乃至防止违反程序操作和不利于平安运行工况的爱护措施。 GECimplicity掌握系统Cimplicity掌握系统是美国ge公司推出的具有完整生命周期的可编程掌握系统，它由S90-70或S90-30系列掌握器和开发软件组成，结合了PLC和DCS先进的软硬件的优点，具有丰富的过程掌握系统设计、实施、编档、维护工具，可实现全过程一体化自动掌握，建立经济的、企业级的系统集成。在发电工程中该掌握系统得到了广泛的的应用。依据设计需要，济钢燃气-蒸汽联合循环发电工程共采纳了11套S90系列掌握器其中1#、2#锅炉汽机仪控系统、公用工程系统及1#、2#煤气压缩机采纳S90-70PLC,剩余部分采纳S90-30PLCo2.3.2特点和优势相对于传统的基础自动化系统，济钢燃气蒸汽联合循环发电工程采纳了一些新技术和掌握理念，丰富了传统的掌握思路： 多种工业掌握网络一元化如图5所示，整个LJ级网络采纳总线结构，100Mbs工业冗余以太网,针对不同的掌握系统，底层输入输出设施通过掌握系统的专用网络传入掌握器，完成对现场输入输出设施的数据采集与处理。然后再经过掌握系统的以太网模板连接至交换机送入Ll级网络完成与上位监掌握系统的数据交换与读写功能。相对于燃机MARKV系统，其掌握器采纳MODBUS合同连接与燃机上位监控机，为实现与Ll级总线网络的数据共享与互锁，采纳一套GE公司生产的专用通讯PLC系统完成MODBUS与TCP/IP合同的转换，然后经过通讯PLC掌握器的以太网模板连接至交换机。至此，通过以太网连接实现了各个自动掌握系统的互联与集成。上位机上位机图5：掌握网络配置图 提高关键系统的可用性为了保证整个发电掌握机组的平安性，在Ll级掌握系统中，关键掌握设施采纳了以太网冗余、GENnJS总线冗余和掌握器冗余三层冗余体系（系统结构图见图6）,确保系统硬件或网络的牢靠性，即系统消失故障时，可以自动的从主系统切换到备用系统，而不影响程序及设施的正确运行，真正实现了无扰动切换。 实现了真正意义上的透亮工厂技术。采用GE的WEB服务器（CMM模板）供应的WEB页，我们可以从任何一台操作员站上调出HTML页，并在此网页上点击超级链接，就能看到来自于不同IP地址PLC数据，这些数据包括PLC硬件如CPU、网络模板的实时运行状况和I/O模板上输入输出点实际状态。类似信息能够在HTTP扫瞄器上显示出来,这就大大便利了维护工程师的远程诊断和监控,并且对于管理人员准时了解现场的生产信息也是供应了便捷的手段。带AutoCAD编辑器和预定义功能块库的连续掌握编程方式,智能SAMA掌握图表和梯形规律相结合的下位编程。Cimplicity的openprocess是为过程自动化而设计的一个开放式系统，openPROCESS组态软件采纳策略功能图(SAMA)开发方式，同时又可以采纳PLC的梯形图方式联合编程，因此是一个混合掌握系统。采用预定义块与符合技术要求的组态工具连用，生产技术人员与产品工程师就可设计组态出满意需要的掌握系统。常用的自动掌握组件,例如电机、掌握阀与PID掌握器，都有相应的软件功能块实现，只需要按掌握需要将它们连接在一起即可。Cimplicityopenprocess中这些掌握功能块的连接是通过全图形方式完成的(与AUTOCAD图形编辑极为相像)，在Ll级软件的实施中，我们大量采纳了这种掌握组件，转变的仅是输入参数和输出参数的变量名称，从而可节省大量的程序空间和故障查询时间，没有编程学问的技术人员也可以很快的完成这项工作。先进、完整的HMI掌握方案传统意义上的SCADA方案是一台上位机单独完成与一台或几台PLC的信息交换，而本系统的HMI采纳了GE公司的CIMPLICITYWorkbench开发系统，它的组成基于scada和C/S混合式结构。可以便利敏捷地搭建用户HMI操作站，通过复制粘贴等方法把分布开发的掌握项目融和成一个整体。在本系统的Ll级网络中，共分成了燃机发电区域、汽机发电区域。对于燃机区域，考虑到网络的带载力量和通讯速率，采纳SCADA结构。汽机发电区域采纳C/S结构，即由一台工程师站作为HMlSERVER,由它完成上位系统与PLC的通讯和数据处理，而其余十几台上位机则是完全采用100Mb/s的高速以太网同服务器进行数据交换，这样改善了网络结构，使得PLC的通讯负荷大大降低，网络负荷分摊到PC机上。依据设计需要，开发了多套HMl上位监控系统，例如混合站监控系统、煤压机监控系统、锅炉汽机监控系统、燃机监控系统、公用工程监控系统等等。上位机充分采用CIMPLICrrYWOrkbenCh的软件特点，互为备用，即上位机虽然具有不同的区域操作功能，只要进行肯定的权限身份登录确定便可相互切换，做到多机热备。此外，依据运行要求HMl上位监控系统还实现了以下管理功能：(1)运行操作指导：对典型的设施特别/事故提出指导性的处理意见，编制设施运行技术统计表，并推出相应的操作指导画面；(2)事故分析检索：对突发大事所产生的大量报警信号进行分类检索和相关分析，对典型事故宜直接推出事故指导画面；(3)在线设施分析：对主要设施的运行纪录和历史纪录数据进行分析，提出设施平安运行报告和检修方案。(4)模拟操作：供应电气一次系统及二次系统有关布置、接线、运行、维护及电气操作前的实际预演，通过相应的操作画面对运行人员进行操作培训；（5）基于EXCEL的报表系统。管理功能均满意用户要求，适用、便利、资源共享。各种文挡能存储、检索、编辑、显示、打印。3.关键技术作为大型节能工程，燃气-蒸汽联合循环发电自动掌握系统开发了面对目标的上位人机界面和多种应用掌握软件，其中关键掌握软件包括：1）混合站高炉煤气、焦炉煤气串级-比值调整掌握2）煤压机防喘振掌握3）氮气轻吹双阀组掌握4）SOE挨次大事纪录掌握5）锅炉汽包液位三冲量调整掌握6）GPS时钟同步对时掌握7）燃机MARKV掌握。以下简例一二：3. 1面对目标的图形编辑器在Ll级掌握系统中，将OpenProcess功能强大的管理工具和先进的HMI功能结合在一起，为客户端供应了优越的人机界面功能。经过编译的工程可自动生成系统的数据库，自动导入上位HMI生成掌握变量标签，自动生成报警点，无须程序设计人员在HMI重新组态。在画面的编辑中，考虑到操作的有效性和快捷性,采用HMl的强大的图形编辑功能,我们共组态了十多种掌握面板,诸如画面切换菜单、PID调整面板、水泵掌握面板、电动阀掌握面板，低压供电断路器操作面板等，并统一了界而操作的格式和标准，操作人员只要学会一套掌握系统的上位机操作，对其他系统的操作即可举一反三。图7为CIMPICITYOPenPrOCeSS功能结构图，OPenProCeSS和HMl独特的功能降低了程序员的编程负担。级掌.图7：Cimplicity OPenPrOCeSS 结构图间，在LI.的PLC及HMI时钟同步。图8为GPS时钟同步实现机理图。分为两种同步方式，对于HMI用C语言编程通过RS232串口将GPS的时钟信号采至一台上位机进行时钟同步，其他上位机的时钟则通过以太网同步于HMI-I,而PLC则采用脉冲开关量信号采至SOE大事纪录PLC（PLC-I）,在PLCT内通过编写应用程序完成对脉冲开关量信号的读写功能，以实现PLC内的时钟同步，对于其他PLC通过以太网在PLC之间采用EGD（PLC数据通讯）广播方式接受PLCT的时钟信号来进行时钟同步。图8：GPS时钟同步实现机理图3. 3MARKV掌握掌握系统功能结构图见图9,作为燃机的核心掌握系统，MARKV掌握是三重冗余型。三重冗余型结构由8套微处理机模块组成。分别是RXST三台掌握处理机、VC公用数据处理机、VI接口数据处理机、VP爱护处理机和VCD、VQD数据输入输出模块。独立的爱护模块VP其内部也是三冗余的，它自速度传感器、火焰探测器、电压互感器处取得输出信号以作为供应事故电子超速爱护、火焰检测及同期并网等功能的依据。VRVSVT是完全相同而又是独立的三台处理机，透平掌握中全部关键的掌握算法、主要的爱护功能都是由VRVSVT来完成的。软件掌握功能：MARKV主控系统软件掌握功能包括起动掌握、加速掌握、转速掌握、温度掌握、停机掌握、手动掌握、压比限制掌握、功率变送器坏时掌握、负荷限制掌握。顺控系统包括起动掌握和停机掌握的规律。爱护系统包括五项主要爱护（超速爱护、超温爱护、振动爱护、熄火爱护和燃烧监测爱护）和一系列其它爱护功能（起动失效爱护、火灾监测系统、电源和接地监测、轮间温度爱护、不同期爱护、润滑油系统温度压力监测、其它各种管路系统参数的监测等等）。STAGE LINK图9：MARKV掌握系统功能结构图网络通讯方式：MARKV掌握系统设置了三种数据通讯网络，外部网络叫级间链（STAGELINK）,这是操作员接口VI和掌握盘VC处理机之间的通讯通道。其次种DEnet（数据交换网络），实现盘内各处理机之间的通讯、数据交换功能并执行掌握信号的表决功能。MARKV的SIFT（软件容错）掌握方案就是通过该网络的数据交换来实现的。第三种网络是盘内的I/ONET（输入输出网络），是用菊花链配置连接的一种串行通讯网络。网络维系着VCVRVSVT各掌握机的CPU板、VP爱护机和数字输入输出的VCDVQD之间I/O信号的通讯传输。4.结束语燃气-蒸汽联合循环发电工程以济钢能源结构调整中节余的焦炉煤气和高炉煤气为燃料，采纳高效率的联合循环发电机组发电实现了能源的综合采用。济钢燃气-蒸汽联合循环发电计算机掌握系统实现了集中显示、集中操作、设施集中管理、数据共享、报表自动生成打印、大事纪录报警、事故追忆分析、时钟同步等功能。极大减低了操作人员的操作负担，为整个发电生产工序供应了保障，同时济钢燃气蒸汽联合循环发电工程的建设在济钢能源采用、环境爱护方面走出了一条新路子，对增加企业经济效益、改善人类生存环境都将发挥乐观的作用。发电工程的综合效率在钢铁行业达到了国内领先水平。联系电话：0531-8868056济钢自动化部：自动化所2004,9,2