“西电东送”工程的火电厂仪表控制系统

　　引言
　　
　　为贯彻中央西部大开发战略和可持续发展战略，我国电力工业已进入以建设三峡电网为契机，推进大区互联进而建设全国统一调度的联全电网的新阶段。“西电东送”是我国资源分布与生产力布局的客观要求，也是西部大开发的重要组成部分。由于“西电东送”是国家的一个长远持续发展战略，其送电规划路径和相关电源建设因各种因素的影响而不断进行变化，因此其工程量之浩大，投资额度之高，工程周期之长都是难以准确估计的。为了满足广东省未来用电需求的快速增长，国家决定加大向广东送电的力度。“十五”主要从云南、贵州和山峡三个地区向广东送电，达到1000万千瓦，并在“十五”期间及以后随着龙滩小湾等电站的建设，继续加大送电的力度。使南方建成一个由多回交直流组成的西电东送主网架。该西电东送主网架是“十五”期间的国家发展重点，其中相关联的火电建设及其仪表控制系统将是本文讨论的重点。
　　
　　1“西电东送”工程概况
　　
　　我国的煤炭资源主要在“三西”（山西、陕西、蒙西），水能资源主要分布在西南（澜沧江、怒江、红水河、长江上游、雅鲁藏布江）、西北（黄河上游），而经济比较发达的华东、华南、华中地区则一次能源相当缺乏。
　　
　　南方四省（区）能源资源分布与经济发展存在着很大的不均衡性，西部的云南、贵州两省能源资源十分丰富，占四省区总量的91%，但经济发展相对落后，GDP仅占20%左右；而东部的广东省能源资源十分贫乏，但经济发展水平很高，广西虽然水电资源较丰富，但煤炭资源十分贫乏，两广能源仅占四省区的9%，但是GDP占四省区总量的80%左右。
　　
　　全国电网因“西电东送”而形成北、中、南三大输电通道，因南北互供促进北、中、南之间的相互联网，从而建成全国统一的联合电网。
　　
　　北通道包括东北、华北、山东、西北电网。北通道的西电东送主要是华北电网内部的西电东送，即将山西、蒙西的火电关到东部的京津冀和山东电网；并充分发挥西北地区黄河上游水电及陕西、宁夏地区的煤炭资源优势向东部的京津冀和山东电网送电。
　　
　　中通道包括华东、华中、川渝、福建电网，从葛洲坝电站送电上海开始，随着三峡工程建设而建成三峡电力东送而形成的中通道；远景通过开发金沙江和四川水电基地东送华东、华中、福建而进一步扩大。
　　
　　南通道包括广东、广西、贵州、海南和香港、澳门电网，随着天生桥、龙滩湾、构皮滩、糯扎渡等水电站和贵州、云南坑口火电的开发建设而逐步加强。南通道西电东送的总体格局是将贵州乌江、云南澜沧江和桂、滇、黔三省区交界处的南盘江、北盘江、红水河以及黔、滇两省坑口火电厂的电能开发出来向广东送电。
　　
　　2向广东送电1000万千瓦工程概况
　　
　　南方互联电网1993年8月开始联网运行以来，已经实现了将天生桥水电站、云南和贵州的季节性电能送往广东。到2000年9月底，累计送电广东约230亿千瓦时。目前南方电网通过天生桥有两回500KV线路送电广东，zui大送电电力达到128万千瓦。
　　
　　根据有关部门预测，“十五”期间，广东国民经济总产值GDP平均增长率9%，考虑电力弹性系数0.8,广东电力负荷平均增长率为7.2%。如以2000年zui大负荷2300万千瓦为基础进行预测，“十五”期间广东电网增加负荷956万千瓦，需增加装机1150万千瓦。考虑广东“九五”结转“十五”在建规模296万千瓦，扣除小火电机组退役，尚需省外送电约1000万千瓦。
　　
　　2.1电源项目
　　
　　1.天生桥水电站送电广东168万千瓦
　　
　　2.贵州送电广东（400万千瓦电源项目）
　　
　　（1）水电：
　　
　　洪家渡水电站装机318万千瓦。
　　
　　乌江渡水电站扩机2×25万千瓦。
　　
　　索风营水电站装机4×13.5万千瓦。
　　
　　（2）在建火电项目：
　　
　　习水电厂4×13.5万千瓦和盘县电厂220万千瓦。
　　
　　（3）新建火电项目（*批）：
　　
　　黔北电厂2×30万千瓦。
　　
　　安顺电厂二期2×30万千瓦。
　　
　　纳雍电厂4×30万千瓦。
　　
　　贵电烟气脱硫示脱硫示范（技改）20万千瓦工程。
　　
　　（4）新建火电项目（第二批）：
　　
　　黔北电厂二期2×30万千瓦。
　　
　　纳雍二厂4×30万千瓦。
　　
　　黔西电厂4×30万千瓦。
　　
　　鸭溪电厂4×30万千瓦。
　　
　　响水电厂4×60万千瓦。
　　
　　根据上述建设进度安排，“十五”期间投产770万千瓦，装机将达1300万千瓦左右，扣除贵州本省需要装机780万千瓦及40万千瓦小火电机组退役，有400万千瓦以上的装机容量向广东送电。
　　
　　3.云南送电广东（160万千瓦）电源项目
　　
　　（1）在建项目：
　　
　　宣威五期2×30万千瓦，大朝山水电站6×22万千瓦。
　　
　　（2）新建项目：
　　
　　开远电厂2×30万千瓦。
　　
　　曲靖二期2×30万千瓦。
　　
　　宣威六期（2×30万千瓦）与滇东新厂（2×30万千瓦）进行优化比选。
　　
　　4.三峡水电站送电广东300万千瓦
　　
　　5.湖南鲤鱼江扩建2×300MW火电机组
　　
　　2.2电网项目
　　
　　1.在已经运行的天广两回500kV交流和明年投入运行的天广直流输送通道的基础上，建设天广第三回交流工程：起点为天生桥水电站，经广西的百色开关站、南宁、玉林变电所至广东的茂名变，新建500kV交流线路789公里，新建南宁变电所（75万千伏安）和百色开关站，配套建设苹果至南宁500kV线路112公里。
　　
　　2.配合天广第三回输电通道的建设，新建天生桥-罗平-宝峰500kV交流线路317公里、罗平变电所（75万千伏安）。
　　
　　3.新建贵州至广东交流输变电工程：建设以贵州安顺为起点经惠水（贵阳南）变、广西的河池变至柳州变双回500kV线路，柳州变经贺州变至广东的罗洞变单回500kV线路，同时建设惠水（贵阳南）至福泉变500kV线路，共计约1600公里线路。新建贵阳南、河池变电所（各75万千伏安）和安顺、贺州开关站。
　　
　　4.新建贵州至广东直流输变电工程：建设以安顺地区为起点至广东的直流工程，规模按300万千瓦考虑，线路长度约1000公里，输电规模300万千瓦。
　　
　　上述电网工程完成后，广东省从外区受电网络能力为1000~1050万千瓦，其中：天广直流180万千瓦，贵广直流200~250万千瓦，西电四回500kV交流受电能力320万千瓦，三峡送电300万千瓦。
　　
　　另外，为保证以上主体工程建成并发挥效益，还应配套进行如下工作：加快天广直流的建设与调试设运；贵州和云南各省配套建设的电网工程建设；华中电网内电网配套工程的建设；三峡输变电工程中需提前或调整的电网项目的建设；向广东送电二次系统工程的建设等。
　　
　　3火电厂仪表控制系统
　　
　　3.1火电厂仪表控制系统的投资规模
　　
　　一个2×300MW规模的火电厂，其投资额度一般在22亿元左右，火电厂仪表控制系统的投资额一般在每千瓦200~300元，即对一个2×300MW规模的火电厂而言，其仪表控制系统的投资规模在1.5亿元左右，若包括随主设备一起供货的仪表控制系统，则仪表控制系统的总投资规模在2亿元左右。
　　
　　由于整个“西电东送”工程规模太大，仅就“十五”期间向广东送电1000万千瓦工程的火电建设进行统计，新建火电厂仪表控制系统的投资规模将45亿元左右。加上“西电东送”工程其它火电项目尤其是北通道的火电项目建设，火电厂仪表控制系统的投资总规模将是十分巨大的。
　　
　　3.2常规的火电厂仪表控制系统设备
　　
　　火电厂仪表控制系统设备的选型和配置是随着各个电厂的不同情况而具体确定的。就目前国内新建电厂而言，一方面由于燃煤机组主工艺系统的变化不是很大，另一方面由于国内投资水平的限制，除少数特殊电厂外，全国各电厂的自动化水平基本处于同一个水平面上，故目前国内各电厂的仪表控制系统基本配置是大体相当的。主要仪表控制系统的配置情况可以简述如下。
　　
　　1.分散控制系统（DCS）
　　
　　分散控制系统（DCS）是目前火电厂的主控系统，一般每台单元机组配置一套。300MW工程的DCS规模一般在5000点I/O左右，通常包括四个功能子系统，即数据采集与处理系统（DAS），模拟量控制系统（MCS），顺序控制系统（SCS），炉膛安全监控系统（FSSS）。
　　
　　数据采集与处理系统（DAS）是机组的信息中心，完成数据的采集、处理，进行CRT显示、记录、报警、历史存储、事故追忆、必能计算、操作指导等功能。
　　
　　模拟量控制系统（MCS）完成单元机组的机炉协调控制和所有自动控制回路的控制，主要有燃料控制系统、给水控制系统、汽温控制系统、制粉控制系统、凝汽器控制系统等。
　　
　　顺序控制系统（SCS）完成单元机组的各功能系统和设备的顺序控制功能，主要有送风系统、引风系统、烟气系统、给水系统、凝结水系统、循环水系统等。
　　
　　炉膛安全监控系统（FSSS）是锅炉的主要安全监控系统，其主要功能为炉膛吹扫、燃油系统泄露试验、负荷控制、阀门管理、汽机自动控制和汽机超速保护等。
　　
　　2.汽机电液控制系统（DEH）
　　
　　汽机电液控制系统（DEH）是对汽机进行控制的主要系统，其主要功能是对汽机进行的转速控制、负荷控制、阀门管理、汽机自动控制和汽机超速保护等。
　　
　　3.小汽机电液控制系统（MEH）
　　
　　若电厂的给水泵是由小汽机驱动的，则电厂还有小汽机电流人控制系统（MEH）。其主要功能是对小汽机进行转速控制、负荷控制、阀门管理、小汽机自动控制和小汽机超速保护等。
　　
　　4.汽机危急遮断系统（ETS）
　　
　　汽机危急遮断系统（ETS）是对汽机进行保护的控制系统。其主要功能是监控汽机的某些参数，当这些参数超过运行极*，关闭汽机进汽阀。
　　
　　5.汽机本体安全监视系统（TSI）
　　
　　汽机本体安全监视系统（TSI）是连续测量汽轮发电机轴承及汽轮机本体运行参数的仪表系统，当运行参数出现异常，则发出报警信号。
　　
　　6.小汽机危急遮断系统（ETS）和小汽机本体安全监视系统（TSI）
　　
　　小汽机危急遮断系统（ETS）和小汽机本体安全监视系统（TSI）是分别针对小汽机的危急遮断系统和本体安全监视系统。
　　
　　7.烟气连续监测系统（CEMS）
　　
　　烟气连续监测系统（CEMS）是连续监测烟气污染排放量的仪表系统。其监测的参数主要有SO2，NOx,CO,粉尘等。
　　
　　8.各辅助车间PLC程序控制系统
　　
　　火电厂的辅助系统主要有输煤系统、除灰除渣系统、化学补给水系统、凝结水精处理系统、废水处理系统、燃油处理系统等等。以上辅助系统基本上均采用PLC进行程序控制。
　　
　　9.主要的现场仪表和控制设备
　　
　　火电厂主要的现场控制设备如下：
　　
　　（1）变送器。目前火电厂采用的变送器一般为智能型变送器。变送器在火电厂的应用数量较多，一个2×300MW的电厂，所需变送器数量在500台左右。
　　
　　（2）执行机构。执行机构有电动执行机构，有气动执行机构，根据不同的工艺系统和控制需要进行选择，目前电动执行机构一般选用进口产品或中外合资产品。
　　
　　（3）流量测量仪表。空气流量测量仪表可选择插入式流量计，汽、水等流量测量仪表可选择节流喷咀等测量元件。由于电厂的工艺介质种类很多，除此以外，尚需要其它种类的流量计。
　　
　　（4）仪表阀门。对于高温高压的仪表阀门，目前多采用进口产品。
　　
　　（5）开关量仪表。火电厂的开关量仪表有压力开关液位开关、流量开关、粉位开关等等。目前在高温高压介质中的测量仪表多采用进口产品。
　　
　　（6）分析仪表。电厂的分析仪表种类较多，如硅酸根分析仪表、PH计、氢气分析仪、烟气含氧量等等。
　　
　　（7）配电箱、保护箱、保温箱等。电厂需要大量的电动门配电箱、仪表保护箱、保温箱等。电厂需要大量的电动门配电箱、仪表保护箱、仪表保温箱以及接线盒等就地箱柜设备。
　　
　　由于电厂需要测量的介质种类很多，有污水、补给水、凝结水、工业用水、循环水、煤、煤粉、灰、渣、油氢、氧、烟气、空气、蒸气等等，故除以上所述的主要仪表外，还有许多零星的各类测量仪表。
　　
　　4电厂新的仪表控制领域
　　
　　中国电厂的自动化整体水产是比较高的，但国家毕竟是发展中国家，受整个投资的限制，常规电厂一般仅考虑了基本控制功能。随着自动化水平和管理水平的不断提高，尤其是随着厂网分开、竞价上网改革形势的客观需求，电厂将更加注重有关提高整体管理水平的经济效益的控制系统的开发和应用。“西电东送”工程有关的电厂都存在一个降低上网电价以提高竞争力的问题，这些电厂将应用一些新的仪表控制系统，具体如下所述。
　　
　　4.1新的仪表控制系统
　　
　　1.厂级监控信息系统
　　
　　厂级监控信息系统（SIS：SupervisoryInformat*tem）是建立在各单元机组DCS和各辅助系统PLC基础之上的全厂性的管理控制系统。是在传统的过程控制与MIS之间形成的一个重要的管理控制一体化层面系统。该系统对全厂的实时时程进行优化管理。从功能上讲，它一方面采集DCS等控制系统的数据来实现电厂的运行优化、负荷调度分配、经济性能分析、设备故障诊断、设备状态维修以及设备寿命管理等等；一方面又可将数据传给MIS中的商业、档案、人事等管理系统。从物理结构上讲，该层面处于具有高精度、高速度和高可靠性要求的DCS等控制系统与非实时的不影响安全生产的MIS之间。它既是一个过渡层面，同时又起到隔离地带的作用。
　　
　　目前的SIS系统尚处于初级阶段，开发的功能基本上于实时数据的管理、经济性能分析、负荷调度分配和局部的运行优化功能，系统总造价在300~1000万元之间。
　　
　　2.运行优化控制系统
　　
　　DCS实现了机组控制的基本功能，保证了电厂各机组投入运行并满负荷发电。在实际的运行中发现，电厂还有许多地方存在这样或那样的问题，还有许多可以挖潜改进的地方，同时随着自动控制理论的不断发展，新的控制思想和方法以及理论模型也层出不穷，这都使得各类运行优化软件不断地发展并得到应用。
　　
　　目前在电厂应用的优化软件主要有：对机组协调控制进行优化，对主汽温控制进行优化，对燃烧控制进行优化，对吹灰进行优化，对降低污染进行优化，对机组启停进行优化等。针对以上运行优化开发的系统便是优化控制系统。各优化控制系统的造价根据其功能范围和规模不同而不同，并相差甚远。小的系统在50万元左右，大的系统或进口系统可高达上1000万元。
　　
　　3.设备管理诊断系统
　　
　　电厂有成千上万的设备，对一些主要设备进行管理和故障检测诊断具有非常重要的意义，目前已开始在电厂应用的系统主要有：炉管泄漏检测报警系统，汽机振动故障管理系统等。
　　
　　除此以外，对其它设备进行管理和故障检测诊断的系统也是电厂非常需要的，只要开发的系统适合于电厂并价廉物美，定能在电厂大规模应用。这些系统的开发定位应限制在50万元左右，这是一个用户可以接受的价格。
　　
　　4.安全监视闭路电视系统
　　
　　随着自动化程度的提高，无人值班车间或无人值守区域越来越多，对这些地区或领域进行监视已显得越来越重要，安全监视闭路电视系统便应运而生并已开始在电厂得到应用。
　　
　　5.辅助控制联网系统
　　
　　传统的辅助车间都是独立进行控制的，为了减人增效，目前的电厂设计都相对集中地对若干个车间进行统一监控，这就产生了辅助控制联网的产品需求，辅助控制联网系统是电厂近期的重要新系统。
　　
　　6.专家分析系统
　　
　　对某些重要介质进行在线分析的专家系统，是电厂需要的产品，如对入炉煤进行监测分析的系统，对给水水质进行分析的系统，对烟气进行分析的系统等。
　　
　　7.新型仪表设备
　　
　　采用新的测量原理来简化仪表、采用新的测量手段来提高精度、采用信息技术来提高仪表智能化等都是仪表的发展方向，这些仪表都是电厂需要的产品。
　　
　　4.2脱硫设备的仪表控制系统
　　
　　为了提高环保性能，对电厂超标的烟气进行脱硫处理已是未来电厂建设的重要组成部分。云贵大部分电厂地处偏僻山区，目前尚未考虑该问题，但如安顺、贵州等电厂，离城市较近或在市区，则必须考虑脱硫系统。目前国内的电厂烟气脱硫已投入运行的工程有：重庆电厂、珞璜电厂、北京一热、浙江半山电厂等，这些电厂都是引进德国STEINMILLER、日本MITSUBISHI的脱硫工艺技术。烟气脱硫（FGD）目前有湿法脱硫、干法脱硫、半干法脱硫等，常用的是石灰石——石膏湿法脱硫工艺系统，这种脱硫效率可达到95%。近期，国内电厂烟气脱硫工程正逐步走向采用国外核心技术，国内不过关的设备和材料考虑进口，其它一般的设备、材料可国内采购。
　　
　　下面就某2×300MW工程采用全烟气脱硫所需的控制系统和一次检测元件、仪表进行简单介绍。
　　
　　该脱硫工程全部投资为1.5亿元，其中仪表控制系统的投资在1200万元左右。
　　
　　烟气脱硫的控制采用就地车间集中控制方式，两套脱硫系统集中监控。在控制室一般设置两台操作员站。脱硫主控制系统是采用独立的分散控制系统，其基本功能分为DAS、MCS、SCS。每套DCS的I/O点数大约在2200点左右。对于那些公用系统例如：石灰石制备、石膏脱水、废水处理、空压站等可以考虑采用DCS远程站的方式。DAS、SCS基本上是常规的监控。MCS的主要控制回路有：增压风机的压力控制，石灰石浆制备控制，石灰石浆给料控制，吸收塔液位自动控制，石灰石浆池液位自动控制，烟气温度控制，氧化风机的控制等。
　　
　　脱硫系统的介质一般为石灰石浆液，所以其阀门均采用陶瓷芯的进口阀门。对于脱硫系统的检测仪表也有与常规火电厂的烟风、汽水等系统仪表的不同之处，考虑到被测介质的特殊性，大部分仪表均采用不锈钢的材质。主要的仪表如下：
　　
　　（1）烟气流量测量。脱硫烟气风量测量元件，用于测理烟气量计算脱硫效率。
　　
　　（2）脱硫岛的烟气入口的分析仪表（SO2、O2）。采用衡释法或加热法的分析仪表。
　　
　　（3）脱硫岛的烟气出口的分析仪表（SO2、O2、NOX、CO）。采用稀释法或加热法的分析仪表。
　　
　　（4）PH分析仪。用于测量吸收塔的PH值，PH的范围在0~8。采用316不锈钢。
　　
　　（5）液位测量仪。用于测量吸收塔、石灰石浆液等的液位，该仪表带有反冲洗装置。
　　
　　（6）PT100的热电阻测量。采用316不锈钢的材质，温度范围0~350℃。
　　
　　（7）电磁流量计。用于测量石膏浆液、石灰石浆液等的流量，壳体材料采用316不锈钢。
　　
　　（8）FGD出口烟气灰尘浓度分析仪。光衰减型，采用316不锈钢材质，灰尘含量0~50mg/m3N。