Wonderware InTouch 在冰生产系统中的应用

InTouch 在电力冰生产中系统中的应用 　　LINCOLN,NE--当LINCOLN 电气系统公司（Lincoln Electric System）正在寻求一种能够在夏天负荷高峰期扩大其发电能力的方法时，工程顾问告诉他们----“冷却”。 　　后来在“冰生产”系统中，通过使用热能存储（TES），可以将周边的温度降低，使燃烧涡轮进口处的空气密度增大----相当于是一个用涡轮增压的自动发动机，这样一来，就可以在不安装昂贵的新的发动装置的情况下，发出更多的电。 　　到20世纪80年代后期，LINCOLN ELECTREIC的总装机容量达647,000KW，主要用核能和燃煤装置作为基本发电设备，供87,000多用户用电。除此之外，还用了一个烧柴油的名牌为57MW的涡轮（备用装置），来解决负荷高峰期（如夏天等）的用电需求。和大多数美国公司一样，LINCOLN ELECTRIC也是用燃烧涡轮来处理负荷高峰期的发电要求问题。因为这种装置相对于要消耗大量燃气驱动涡轮的喷射式发电装置要小得多，相对比较便宜，而且可以方便地启动并投入运行，供发生在数分钟内的突发事情使用。在位于Nebraska省城南边的Rokeby Station使用的GE MS7001B型涡轮发电机，作为备用装置，其一年内的使用时间尚不足500小时。 　　预测显示，到1994年，这套装置必须能提供更强的发电能力。公司面临两种选择，扩大装机容量或者是更充分地利用现有的设备。他们选择了后者，并在Kansas城的顾问Burns & McDonnell的帮助下，他们开发了世界上第一套电力应用系统----热能储存，即大家熟知的“冰冷却”系统。 　　克服了自然的低效率问题 　　虽然燃烧涡轮具有很多的优点，但也有其自身的一些缺点。其中最大的一个问题就是它们对周边的环境条件太敏感。它们属于流量机械，其发电能力取决于与燃料混合的燃烧空气的密度。这就意味着在炎热的夏天，当气温升高时，因为进口处空气的浓度降低，发电能力将随之降低。当对发电能力的要求非常苛刻时，这并非是一种好的解决方案。在进口处，空气温度每降低1度，输出就可以提高0.4%,但对于传统的冷却系统，诸如蒸汽冷却、在线冷却等，因为价格昂贵，且难于控制，因此，这种方法的效率是有限的。 　　“我们考虑在一个区域性的系统中采用‘冰存储冷却’法，服务于某一城市或地区。同时，我们也在考虑增大涡轮的输出问题，所以，对我们来说，应该将这两种工程概念结合起来。”发电与特种工程高级工程师Tom Davlin解释说。“我们与Burns & McDonnell共同努力，开发冰生产系统，并在1991年夏天安装运行。” 　　该套冰冷却系统是一套容量达550吨的氨水冷却系统，在一个1,100,000加仑的储存罐的顶上使用了三套制冰装置，每小时的冰产量可达23吨。冰基本上都在深夜用电需求最小的负荷低潮阶段生产，循环水通过在罐内与冰混合，并以每分钟10000加仑的流量输送到冷却圈内。进口空气以每小时4英里的速度流过冷却圈，通过涡轮压缩机的压缩，温度可以从101° F 降低到 40° F。最终可以使涡轮的输出提高25%。因为流量的明显增加，相同系统的发电能力约增加了11MW（约15000马力）。通过涡轮压缩机的压缩，温度可以从101° F 降低到 40° F。 每小时的冰产量可达23吨 “在安装系统的同时，我们对涡轮进行了相关的改造，将之改造为一个双管燃料体系，这样一来，既可以使用天然空气，也可以使用柴油，” Davlin说。“我们必须修建一条长达11英里的天然气管道到电厂，但使用了燃气之后，可以增加足够兆瓦数的发电量。而且还将氮氧化物的产生量降低了38%，将燃料耗费量降低到原来的60%多。” 　　 　　新型的PLC和MMI控制 　　然而，所有的这些改进便不容易。一个主要的原因就是要对冰冷却系统和涡轮运行进行恰当的监控、对其内部的数据进行正确的采集。这一问题最终通过使用可编程逻辑控制器（PLC）来代替原来的手动开关和测量仪表盘、用基于Windows的人机界面（MMI）对系统的运行进行连续的监视而得以解决。 　　控制系统内使用了两套AB的PLC：一套5/15用来控制涡轮发电机，一套5/20用来控制冷却单元和闭环水循环系统。此外，Davlin还用Wonderware软件开发公司的In Touch应用软件包开发了用于监控PLC的MMI系统。它运行在一台486/33 PC上（8megabytes的内存、120MB的硬盘空间、一个1024X780VGA非交错显卡和250MB的备份单元）。InTouch MMI程序通过Wonderware 的 DDE Server(I/O Server)与PLC连接，而通过NetDDE软件将数据从PLC送到MMI工作站。 　　由Davlin和来自Burns & McDonnell工程技术人员共同开发的MMI画面主要用来监视系统和采集数据。Davlin于1991年5月在Wonderware接受培训，并于同年7月完成了MMI的开发，投入运行。总共用了二十多个画面来监控系统内部的300个模拟、数字量。除了主菜单画面外，对于然气线上的操作、所耗然气的温度、发电涡轮机的运行、设备温度、燃烧监控、冰生产设备、水循环、进口气流、报警摘要、实时趋势与历史趋势等的监控操作则由单独的画面来完成。 　　MMI应用程序在配置和调试系统过程中，与运行时一样有用。按Davlin的说法，“我们起初之所以在加入In Touch软件包，是出于要用它对热能存储系统进行监控和数据采集，但后来证明，它对于燃烧涡轮的监控也一样重要”，“譬如，在我们引入In Touch的实时趋势（查看气压）之前，对于是否能够获得足够的气压、管道上的主控阀是否正确运行等问题，我们是无法向煤气公司确认的”。 　　“在冰生产设备的运行上，我们也遇到了类似的问题，”他补充道。“在我们没能对冰生产系统中的关键的压力值和其它一些参数进行监控之前，是没法弄清楚生产能力为什么会明显下降的。它为我们提供了诊断冰生产系统中出现真空的线索。我们便可以改变相关的参数，观察画面上有什么情况发生。我们还可以通过趋势图调节控制水管阀门的PID（比例、积分、微分）环，来调整流过冷却圈的水流量。” 　　这种新型的控制监控系统大大简化了Lincoln Electric员工的日常工作，将很多过去得用人工完成的工作自动化。MMI用来自动产生每小时的关于涡轮温度、运行承受状况、发电机温度、瓦特、伏安、热电耦等的报表。“这是个很好的工具，使操作员知道当前涡轮和冰生产系统内的运行情况，”Davlin解释道，“他们可以确切地‘看见’系统内发生了什么，而不是仅仅根据PLC来判断（内部情况）。以前，操作员不得不成天地来回按开关、查看仪表盘、手工将数据记录到笔记本内的表格中。如今，我们开发的这些画面可以通过打印程序每隔一小时自动地打印出报表。一天内所采集到的全厂内的数据都可以存放在日记录文件中（平均约为4—5MB的空间）；还在磁盘做有备份，所当遇到问题要诊断的时候，还可以修复数据。我们同样也通过MMI采集并保存了对周围环境的辐射数据，便于我们的环境工程师准备他们的季度报告（给环保总局EPA）。所有的这些数据都通过NetDDE反馈到Excel电子表格当中，以便分析。” 　　Davlin和他的员工准备在1993年夏天对Rokeby电厂进行扩容，需额外增加一个喷水系统来扩大燃烧涡轮的容量。“我对能否在不用PLC和In Touch监控体系的情况下运行这套热能储存系统表示怀疑，仅仅因为其中包含了大量的运行参数，”他说道。“但我们最终只用了$225/KW的投资就完成了我们要做的事情，且运行很正常。而如果用增加发电设备的方法，则投资要达$400-600/KW。” “另外，如今我们对控制系统的运行情况更加熟悉，估计安装喷水系统将更加简单，”他补充道。“我们将另外修建一套储水容器（罐）和喷射刹车，因此将增加一套PLC，将它链接到MMI上，并加上额外的In Touch画面。就这么简单。”