和利时:基于国产控制系统推进智能电厂建设

作者:曹银平
  点击数:8341  发布时间:2017-09-19 10:23
和利时一直将电力能源行业视为重要的业务领域之一,持续不断地关注电力行业的发展。在高端大型火力发电自动化方面,和利时提供的全厂一体化控制系统,全面替代进口,不仅为行业发展提供具有竞争力的产品,更根据不同客户需求提供先进解决方案,深受用户信赖。本期记者采访了杭州和利时自动化有限公司火电行业部副总经理胡树云,倾听和利时对于电力能源行业发展的独到解读。
关键词:和利时 ,电力 ,DCS

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杭州和利时自动化有限公司火电行业部副总经理胡树云

和利时一直将电力能源行业视为重要的业务领域之一,持续不断地关注电力行业的发展。在高端大型火力发电自动化方面,和利时提供的全厂一体化控制系统,全面替代进口,不仅为行业发展提供具有竞争力的产品,更根据不同客户需求提供先进解决方案,深受用户信赖。本期记者采访了杭州和利时自动化有限公司火电行业部副总经理胡树云,倾听和利时对于电力能源行业发展的独到解读。

自动化博览:和利时在电力能源行业提供的主要产品有哪几类?

胡树云:面向新一代的数字化、信息化电厂建设,和利时推出了分布式控制系统HOLLiASMACS、汽轮机数字电液调节系统(T800S/T800F)、仿真系统HOLLiAS SimuPlant、设备管理系统HOLLiAS AMS、安全仪表系统HiaGuard、优化控制系统HOLLiAS APC、和利时MES制造执行系统、电气仪表等产品实现电站锅炉、汽轮机、辅机、脱硫、脱硝等全流程主设备和辅助设备的控制、保护和运营优化。

自动化博览:和利时在电力能源行业的主要特点和优势是什么?

胡树云:和利时基于国际主流DCS的系统功能,结合多年的系统开发应用经验,推出了HOLLiAS MACS系统 ,该系统具有信息化、混合控制、分散化、开放性和高可靠性等特点,是一套代表当今先进技术水平的DCS产品。自上世纪90年代进入电力行业(长山电厂200MW机组)以来,和利时DCS系统已经在电站控制工程领域得到了广泛的应用,近年来已经在20多台1000MW、40多台600MW以及200多台300MW以上大型火电机组上成功应用,并实现了国产DCS在600MW、1000MW机组上的首台套应用。

和利时秉承“真诚地为用户设想”的理念,建立以用户为中心的服务网络,在北京总部建成有可靠性与系统仿真试验中心、国家级企业技术中心和四条自动化产品生产线,在杭州基地建成年产能超过1万台控制柜的大型控制系统成套基地,在西安建立有火电研发、仿真试验中心。遍布全国60多个分支机构使和利时能更好地贴近用户,了解用户需求,做出快速响应,为用户提供专业的项目咨询、优质的工程服务和贴心的售后服务。

自动化博览:您认为自动化技术在中国的电力能源行业中应用现状如何?还存在哪些问题?

胡树云:如今自动化技术在电力行业得到广泛的应用,DCS、PLC、SIS、OTS、AMS等系统广范应用于电力的生产监控、设备管理和运营管理,现场总线技术、无线控制技术、图像识别技术也有一定的应用。综合来看电力生产的自动化水平较高,大型电站的人员定员相比过去有较大幅度减少,人员劳动强度降低,企业的安全生产事故率相比其他行业也比较低。

我个人认为,还存在以下问题:

(1)先进的优化控制技术应用效果不高。电力生产过程中自动化水平比较高,但是精细化控制和深度优化控制的技术应用效果不高,企业节能降耗还有一定的空间。

(2)测量和数据采集的手段还不够。在燃煤电站的控制中,对煤质、烟气成分、炉膛燃烧等复杂物料和状态的测量手段还不可靠,对于机组优化控制、性能计算、炉膛安全有一定影响。

(3)控制层和信息管理层的数据不能有效融合。管理到生产装备的大闭环控制没有实现,管理和生产的衔接还主要依赖于人。

(4)新技术应用较少。如大数据、云计算、三维可视化、移动和远程监控、信息安全防护、在线仿真、机器人等技术结合电力生产和管理的应用还比较少,企业的运营水平还有一定提升空间。

自动化博览:您如何看待工业控制系统信息安全问题对电力能源行业发展的影响?

胡树云:工业控制系统堪称国家关键生产设施和基础设施运行的“神经中枢”,工业控制系统的安全关系到国家的战略安全。针对智能工控系统的安全威胁不仅是信息破坏,而且会直接导致物理设施损坏,甚至出现爆炸等不可预期的灾难结果,对国民经济或公共安全造成严重影响。

目前,不法分子攻击的目标已经从原来的商业互联网络逐步扩展到工业控制系统,主要集中在能源、化工、政府机构以及核设施等领域,甚至针对智能工控系统的攻击也已经成为针对主权国家信息空间攻击的军事手段。有数据显示,信息安全事件呈逐年上升趋势。我国工控系统由于基础薄弱等原因,工控安全威胁有增无减。希望尽快建立完善系统级的安全要求标准体系,在系统设计上建立完善的DCS、现场总线、PLC系统安全设计规范等。大型工业企业也应尽快对工控系统建立信息安全防护体系。

自动化博览:近几年,在智能制造的推动下,智能工厂在电力能源行业发展迅猛,您如何看待这一趋势?和利时有何表现?

胡树云:近几年,随着电力行业跑马圈地、粗放发展时代的过去,火电大气污染物、碳排放受到严格限制,电力调峰任务加剧,行业发展面临新的挑战。在节能、降耗、减排政策要求和发电集团集约化、高效管理需求驱动下,发电企业开始了对智能化电厂建设的探索,大数据、物联网、移动互联、云计算、三维可视化等技术的发展,为发电企业由建设数字化物理载体为主的阶段,向更清洁、高效、可靠的智能化电厂发展奠定了技术基础,建设智能电厂已经成为行业的共识。我认为未来十年围绕智能工厂建设的产品、方案和服务将会是自动化公司业务发展的重点。

针对电力行业建设智能电厂的发展需要,和利时推出第五代高可靠性DCS系统,系统采用安全设计理念,吸取国际工业电子技术和工业控制技术的最新成果,采用全冗余、多重隔离、热分析、容错等可靠性设计,从而实现生产、设备、安全三大目标的最佳协调。系统可集成SIS、PLC、MES、ERP等系统,实现智能现场设备、控制系统、企业资源管理系统之间无缝信息流传送,实现工厂智能化、管控一体化。

为实现智能电厂的建设,和利时推出基于全互联工业服务架构的智能电厂的解决方案,方案以大数据、云计算、物联网技术应用为基础,将智能设备、机组的智能控制、远程云服务、大数据分析等代表智能化的新技术与传统电力行业信息化进行深入融合,能够大大提升机组的运行效率、使用寿命、机组安全性。

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和利时助力用户实现国产控制系统在1000MW超超临界火电机组DCS和DEH的一体化控制

1 项目背景介绍

1000MW火电机组的DEH是热控领域公认的控制系统技术制高点,本项目立项之初,1000MW火电机组的DEH控制全部采用国外控制系统,这也成为制约我国电力装备制造业振兴和发展的瓶颈。如果不实现国产化和自主化,我国在大型自动化控制系统上仍将长期受治于发达国家,同时也影响我国电力能源生产的安全。

经过深入调研分析,在考察国产600MW等级火电机组DEH控制系统应用效果,充分研究百万级燃煤电站汽轮机控制对象的特点及控制要求的基础上,和利时联合神华集团有限责任公司、神华(福建)能源有限责任公司、神华福能发电有限责任公司、华北电力设计院依托神华福能发电有限责任公司2×1000MW国产超超临界燃煤发电机组DCS和DEH系统项目开展1000MW火电机组的DEH系控制统的研发和工程项目应用。

2 项目目标与原则

本项目通过总结国内外DEH控制装置的优缺点,研究百万级燃煤电站汽轮机控制对象的特点及控制要求,在软硬件设计、控制逻辑等方面采取针对性措施,研究和制造出一套符合1000MW超超临界火电机组DEH控制的系统,用于1000MW超超临界火电机组的汽轮机控制,并在此基础上实现1000MW超超临界火电机组DCS和DEH的一体化控制。打破长期以来国外厂家在国内大容量超(超)临界机组,尤其是1000MW超超临界机组的DEH系统应用方面的垄断局面,推动百万千瓦等级发电机组DCS、DEH控制系统国产化发展。

3 项目实施情况介绍

本项目的实施针对1000MW燃煤机组DEH控制系统的关键技术问题展开,在对国外DEH控制系统的性能和应用的调研基础上,凝练出现有的1000MW燃煤机组DEH控制系统的关键技术,并通过理论分析、方案验证、原理样机、功能测试、工程实践等方法实现技术的突破,研发了1000MW燃煤机组DEH控制系统的应用技术、DCS与DEH一体化集成控制的技术及工程实施方案,在此基础上以神华福能发电有限公司#3和#4机组为研究对象,实现国产控制系统在1000MW超超临界火电机组DCS和DEH的一体化控制。

3.1 技术难点分析

由于1000MW等级超超临界汽轮机蒸汽参数高,转子时间常数比600MW机组缩小,当汽轮机输出机械功率与损耗功率的平衡被打破时,汽轮机转速会立刻升高或降低,在相同功率偏差百分数下,转速变化速率更大,所以要求DEH控制系统的转速反馈响应速度更快。

通过对600MW机组及1000MW机组进行建模,转速PID调节系统模型如图1所示。

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图1 转速PID调节系统简化框图

由于DEH为离散控制系统,从转速测量、主控单元逻辑运算到伺服控制输出的延迟时间对系统稳定性的影响较明显。通过转速PID调节系统仿真计算。

以1000MW机组参数为例:放大倍数Kp=20,积分时间TI=10s,油动机时间常数T4=0.3s,转速测量时间常数T 1 = 0 . 0 1 s,输入输出延迟时间Tt=0.05、0.1、0.2、0.25s,汽缸容积时间常数Tc=0.1s,转子时间常数Ta=6s。转速给定在1s时阶跃变化1%,机组转速响应曲线如图2所示。最大转速、调节时间如表1所示。

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图2 1000MW机组转速PID调节系统给定转速1%阶跃曲线

表1 1000MW汽轮机组转速给定阶跃响应曲线数据表

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从如上模型计算可见,对于同一类型机组,控制系统延迟时间越长,调节时间越长,汽机的最大飞升转速越大,所以要求控制周期和调节回路时间越短越好。

3.2 关键技术研究

(1)快速测速卡和快速伺服卡的研究

通过对数字测频技术的研究,实现转速测速周期由20ms缩短为5ms,减小转速测量延迟,提高转速控制动态响应性能。

通过对数字伺服控制技术的研究,实现伺服控制回路与一次调频回路上的运算周期达到20~40ms,提高了控制的快速性。

(2)1000MW超超临界机组汽轮机的控制算法及相关逻辑的研究

主要是通过对机组启动升速阶段和并网后功控方式下,机组调频方案的优化,实现1000MW超超临界机组汽轮机控制的调节品质。

(3)1000MW DCS与DEH系统一体化的研发

从DCS控制和DEH控制中I/O模块差异、DCS控制器和DEH控制器在同一个通讯构架下两种通讯周期的融合、运算周期差异、数据库一体化、可靠性差异方面的技术研发实现1000MW DCS与DEH系统一体化。

3.3 项目创新点

提出一种高速内部总线通讯机制,提高了DEH控制系统实时性。提出一种FPGA辅助高性能计算方法,提高了DEH控制系统可靠性。提出一种可靠的DCS主备控制器全数据冗余同步机制,提高了DEH控制系统安全性。研发了基于CAN总线的伺服模块和测速模块,提高了一次调频性能。研发成功具有自主知识产权的DCS与DEH同网络、同数据库的一体化控制系统,首次在1000MW超超临界机组上实现了成功应用。

3.4 工程实施、投运及验收

2015年1月10日神华福能发电有限责任公司#3机组锅炉点火一次成功,2月9日,汽轮机一次冲转成功,2月12日#3机组一次并网成功。2月13日#3机组负荷达到1000MW。3月13日完成#3机组所有实验,2015年3月22日,通过168小时的试运,标志着#3机组DCS和DEH一体化控制系统成功应用。

根据华北电力科学研究院对#3机组的控制系统的性能进行测试,DEH控制系统能可靠地对机组进行监视与保护,满足生产运行要求,实现了国产DCS和DEH一体化控制系统在1000MW超超临界机组上的成功应用。

4  效益分析

经济效益:与国内同容量采用进口DCS产品的火力发电厂机组相比,国产DCS一次性投入成本明显降低。进入生产期,国产DCS售后服务、备件采购相比进口DCS,在采购周期、价格方面都有较大优势。据比较在年保服务和备件采购方面能节约成本约50%。

社会效益:国产DEH投入市场后,大幅压低进口DEH的中标价格,据比较平均每台机组节省约150万元。按照国家十三五规划,我国将在五年内新建约120台百万级火电机组,按此计算,国内百万机组将节约投资约1.8亿元人民币。

摘自《自动化博览》2017年9月刊

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