PLC控制系统在CCPP中的应用.pdf

自 动 化技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 经 验 交 流 T e ch nic aI Co m mUn i c a t i o ns P L C控制系统在 C C P P中的应用 赖英 重庆钢铁集团电子有限责任公司系统部， 重庆 4 0 0 0 8 4 摘要 本文主要介绍了重钢集团股份有限公司的CC P P 燃气一蒸汽联合循环发电机组 特点和P L C控制系统在这个项目中应用。 P L C 控制系统完成了 CC P P工程中的燃气轮机、煤压机、余热锅炉、汽轮机等主体系统的主要功能和控制逻辑 ， 在整个项目中起 到了举足轻重的作用。 关键词 联 合循环发 电； 燃气轮机 ； 煤压 机 ； 余热锅炉 ； 汽轮机 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 2 0 1 3 2 0 3 A p p ly o f P L C C o n t r o l S y s t e m in C C P P P r o j e c t LAI Yi n g De p a r tme n t o f S y s t e m， E l e c t r o n i c C o ． L t d ． ， Ch o n g q i n g S t e e l Gr o u p Ch o n g q i n g 4 0 0 0 8 4 C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f C CP P f g a s a n d s t r e a m c o mb i n e d c y c l e p o w e r p l a n t i n C HONGQI NG I r o n S t e e l C o ． ， L t d ． ， a n d t h e a p p l i c a t i o n o f P L C c o n t r o l s y s t e m i n t h i s p r o j e c t ． T h e P L C c o n t r o l s y s t e m h a s c o mp l e t e d ma i n f u n c t i o n a n d c o n t r o l l o g i c o f t h e ma i n s y s t e m i n t h e CCP P， s u c h a s g a s c o mp r e s s o r ， wa s t e h e a t b o i l e r ， s t e a m t u r b i n e a n d S O o n ． I t p l a y a v e r y i mp o r t a n t r o l e t o t h i s p r o j e c t ． Ke y wo r d s c o m b i n e d c y c l e p o we r g e n e r a t i o n； g a s t u r b i n e ； g a s c o m p r e s s o r ； wa s t e h e a t b o i l e r ；s t e a m t u r b i n e 1 引言 C C P P， 是指利用钢厂炼铁产生的高炉煤气和焦化产 生的焦炉煤气按照一定比例混合成低热值煤气 ， 经过净 化加压等处理后通过燃烧膨胀推动燃气轮机做功 ， 再利 用从燃气轮机排出的乏气通入余热锅炉中产生蒸汽 ， 蒸 汽在蒸 汽轮机 中膨胀推动 叶轮做 功发 电⋯ 1 。C CP P的投 运 ， 使 重钢原 来只能放 散处理 的富裕 煤气得 到 了充分的 利用 ， 同时 由于能量 的循环 和再利用 ， 使得 CC P P的整个 热效率高， 既环保又增加了经济效益， 因此 CC P P已经成 为钢铁企业中的一个重要部分。PL C控制系统完成 了 重钢 CC P P工程 中的煤压机 、余 热锅炉 、汽轮机等主体 系统的主要功能和控制逻辑 ， 在整个项目中起到了举足 轻重的作用。 2 CCP P的特点 C C PP是一种能源综合利用技术， 其特征是将具有 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 6 1 3 2 I T e d A l Ib lT 蹦0 n A p p I_瞄 0 n s 较高平均吸热温度的燃气轮机循环 布雷顿循环 与具有 较低平均放热温度的蒸汽轮机循环 朗肯循环 结合起 来 ， 使燃气轮机的废热成为汽轮机循环的加热源 ， 达到 扬长避短 ， 相互弥补的目的 2。相对于蒸汽轮机发电技 术 具有 如 下 明显 的 优点 1 具有较高的热效率。在同等功率条件下效率要 高 出 1 5 ％ 以上 。 2 废气 回收利用 ， 环 保性能好 ， 对 环境 的污染 少。 燃气一蒸汽联合循环发电装置 C0、NOx排放少 ， 称之 为 “ 清洁电厂” 。 3 运行可靠 ， 高度 自动化 ， 运行人员可大大减少。 5 O MW 规模电厂人员约 5 0余人。 4 运行方式灵活 ， 既可以作为基本负荷运行 ， 也可 以调峰运行 。起动快 ， 燃机快速起动只要十多分钟 ， 就 可达到满负荷 ， 包括蒸汽轮机在内的联合循环 ， 蒸汽轮 机冷起动也仅 1 ． 5 小时以内。提高燃气轮机在总装机容 量 中的比重 ， 将会改善电网的运行状况 ， 为 电网提供了 更加灵活的备用 电源 ， 增大了调峰的灵活性【 。 经 验 交 流 T e c hn i c al Com mun i c a t i o n s 自动化技术与应 用2 01 0年第 2 9卷第 2期 3 CCP P控制系统 的结构 3 ． 1 控制系统组成 C CP P的控制系统主要由四个系统组成 燃气轮发 电机组 、煤 压机 、余 热锅 炉 和汽 轮 发 电机 。 燃气轮发电机组 的控制系统采用美 国 G E公司的 S p e e d t r o n i c Ma r k V I ， 该系统是一种专门用于透平的计 算机控制系统。煤压机 、余热锅炉和汽轮发 电机均采 用 G E F ANUC 自动化解决方案 9 0 -7 0系列 P LC冗佘 控 制 系统 。 3 ． 2 控制系统的结构 根据工艺流程及要求， 可以将 C C P P系统按其总体 结构分为 三级 ， 如 图 1所示 第一级 为现场级 ， 主要 是指 现场控制设备和检测元件 ， 如 气动执行机构 ， 测量仪表 和伺服机构等， 用于对过程信号检测和传输 ； 第二级为过 程执行级 ， 采用 G E F ANU C 9 0 7 0 控 制系统对 现场信 号采集 ， 数据 的处 理 、逻辑计 算 与对 象 的控 制 ， 将 采集 数据上传到上位工控机 ， 并接受来 自控制级的用户操作 指令 ； 第三级为过程控制级， 主要负责对整个 C C P P系统 过程参数的监视、数据的报表存档、提供友好的用户操 作界面 以及最重要的工艺曲线的保存和程序的下载。 重钢 C CP P的各系统相互联系紧密， 又各 自功能独 立。由于各工艺子系统地理位置较为分散 ， 该工程的控 制系统采用综合控制室集 中监控 ， 各子系统就地采集的 控制方式 ， 即 “ 分散控制 、集 中管理”技术 ， 如 图 2所示 ， 现场就近设置 I ／ 0远程站 ， 再通过 G E N I US总线送往各 自 的系统。整个 C C P P自动化系统的通讯通过高速光纤环 网连接在一起 ， 在综合控制室能对现场的设备进行操作。 图 1 控制系统结构图 工业 以太网和 GE NI US过程现场总 线组成 的网络结 构能够保证系统通讯高速安全 。容错光纤网络的应用 保证了网络系统数据传输的抗现场干扰能力和高可靠 性。系统各操作站是全透明的， 它们之间可以实现互相 替代。无论是从生产管理系统的角度还是从生产控制 系统的角度来看 ， 整个系统是一个联网、协调工作的大 图 2 C CP P控制系统网络拓扑图 4 P L C控制系统主要完成的控 制 4 ． 1 燃气轮机 为确保控制的可靠性 ， M a r k Ⅵ控 制系统采用了 TMR三选二表决技术。三个处理器都有 自己独立的电 源， 对于关键测点， 采用了 3 个独立的测点分别送往 3个 不同的处理器执行控制 ， 如转速、熄火、同期等。同时， 软件容错技术也是 Ma r kⅥ可靠工作的关键。 4 ． 2 煤 压机 作为整个工艺中重要环节 的煤压机 ， 工作介质为低 热值高炉、焦炉混合煤气 ， 负责为燃气轮发电机提供符 合要求 压力 2 ． 3 50 ． 0 5 MP a ， 温度 2 1 5l 0 ℃ 的气 体燃料I 4 ] 。采用 G E F ANU C 9 0 - 7 0 系列 冗余控制系统 ， 远程 I ／ 0采用 9 0 -7 0系列组成 ， 远程 I ／ O和控制器之间 采用冗余总线通讯方式。P LC控制室设置在现场 ， HMI 操作员站放置在综合楼控制室。煤压机控制系统主要 完成了煤压机的启动、“ 二回一” 、“ 三回二” 、“ 三回一” 的压力调节 、防喘振控制以及保护停机等控制。在综合 楼 控 制 室能远 程 对机 组 进行 操作 。 4 ． 3 余热锅炉 余热锅炉利用燃气轮机排出的高温高压烟气的余 热 ， 依次通过中压过热器 、中压蒸发器 、中压省煤器和 低压蒸发器进行热交换产生蒸汽。余热锅炉的工作介 质为燃气轮机排放烟气。余热锅炉由中压锅炉、一体化 除氧器组成。中压锅炉生产过热蒸汽， 蒸汽压力为 3． 8 2 Mp a ， 温度为 4 4 5 ℃， 产量为 7 5 ． 5 t ／ h。 余热锅炉控 制系统 采用 GE F ANU C 9 0 7 0 系列冗 余控制系统， 远程 I O采用 V e r s a ma x组成 ， 远程 I ／ O和控 制器之间通过冗余总线进行通讯。完成了整个余热锅 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第2 期 经 验 交 流 r e c hn i c al Comm u nic at i on s 炉 内各控制回路、各类热工参数以及阀门等的控制与 检测。主要包括 中压上锅筒水位控制、主蒸汽温度控 制、低压锅筒 给水箱 水位控制、除氧器压力控制、三 通挡板阀控制以及水位联锁保护停机等。 以中压上锅筒水位控制为例 ， 测量元件采用差压变 送器将锅筒的水位转换成电信号传至 P L C控制模块 ， 经 运算输出电信号至水位调节阀 ， 控制锅筒水位在给定范 围内。考虑到水位的可靠性问题 ， 现场采用了三个测量 元件对水位进行测量 ，自动调节的时候可以任意选择一 个作为调节对象。水位调节 回路为前馈 一 串级三冲量 复 合调节 ， 水 位和给 水流 量采 用 串级 调节 ， 消除给 水 的 扰动而使过程很快的稳定下来 ； 主蒸汽流量采用前馈控 制 ， 于是在蒸汽负荷变化的同时按准确方向及时地改变 给水流量 ， 以保证汽包 中物料平衡关系 ， 从而保证水位 的平稳 ， 这样很好的消除虚假水位的影响。另外还对锅 炉水位信号进行压力补偿 ， 对主蒸汽流量信号进行温度 压力补偿 以更准确的控制中压上锅筒水位[ 5 1 。 三通挡板阀用于控制经过锅炉的烟气的多少 ， 从而 控制过热蒸汽的品质 。 4 ． 4汽轮发电机 汽轮发电机作为 C C P P成套发电设备的附属设备之 一 ，利用余热发电， 可以大大提高循环效率及降低发电 站的发电成本。汽轮机系统主要包括 数字电液调节 简 称 DEH 、汽封系统、凝结水系统、疏放水系统、润滑 油系统等系统组成。 DE H装置的核心部分主要采用美国 WOODWORD 公司数字控制器 ， 其型号为 WOO D WO RD 5 0 5 。D E H系 统完成了汽轮机手动或者 自动升速 ， 配合并网， 负荷控 制和低汽压限制 ， 甩负荷等 ， 具有 自诊断及系统保护功 能， 能使汽轮机适应各种工况并长期安全运行 ， 同时还 与DC S通讯， DCS控制系统能监视其工作状态。 P L C控制系统主要完成 了汽轮机的主汽门控制、 冷凝器热水井水位调节调节、发电机并网以及机组的 保护停机等控制。为 了提高控制的准确度， 冷凝器热水 井水位在现场设置了两个测点 ， 当任何一个测点有 问题 时， 可选择另外一个测点作为调节对象 ， 减少 了故障停 机 次 数 。 5 结束语 冗余 P L C控制系统以其极高的控制精度和两次数 据 同步的冗余机制使煤压机控制系统实现了压力的稳 定调节， 完全满足了为燃气轮机对煤气压力的要求 ， 余热 锅炉的水位 、蒸汽温度等实现了智能调节 ； 汽轮发电机 的保护停机稳当等。重钢 CCP P投产以来， P LC控制系 统完全能够满足生产需要 ， 并且不断完善以满足各种新 的工艺要求 ， 保证了生产 自动化。由于采用了 “ 分散控 制， 集 中管理”技术， 使整个系统开放性好 ， 同时高速、 统一的全系统通讯网络 ， 使过程控制简单且安全。 参考文献 [ 1 】傅钧， 刘晓玲， 徐爱东， 刘卫华， 盖东飞． 燃气 一蒸汽联合 循环机组自动控制系统的研究[ J 】 ． 水利电力机械， 2 0 o 7 5 3 0 3 2 ． 【 2 】庄允朋， 燃气一蒸汽联合循环发电技术的应用 ． 燃气 与热力， 2 0 0 3 9 5 5 9 ． [ 3 】石雁， 倪腊琴， 研制燃气一蒸汽联合循环发电仿真机的 必要性[ J 】 ． 华东电力 ， 2 0 0 2 5 3 5 -3 6 ． 【 4 ]姚利， 大型煤气压缩机控制在燃气 一蒸汽联合循环发电 中的应用及改进[ J 】 ． 冶金 自动化， 2 0 0 8 1 3 6 -3 7 ． [ 5 】何离庆， 过程控制系统与装置[ M】 ． 重庆 重庆大学出版 社 ， 2 0 0 3 3 9 6 - 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