GE 智能平台自动化解决方案在燃气－蒸汽联合循环电厂中的应用

摘要： 本文主要介绍GE Fanuc自动化解决方案的软、硬件产品：自动控制器（系列90-70、系列90-30、VersaMax、PACSystems RX7i、PACSystems RX3i）、组态软件(VersaPro、Machine Edition、OpenProcess)、HMI/SCADA监控软件(Proficy HMI/SCADA - CIMPLICITY、Proficy HMI/SCADA - iFIX)、实时历史数据库软件（Proficy Historian）及数据分析和Web发布软件（Proficy Real-Time Information Portal)在燃气－蒸汽联合循环电厂中从现场控制、数据采集、历史存储、数据分析到最终Web发布的应用情况。 引言： 济钢燃气－蒸汽联合循环电厂是世界上第一代烧低热值混合煤气的燃机电厂，主要利用现阶段绝大部分钢铁企业中放散掉的富余煤气进行发电。该联合循环发电项目是济钢减少污染、能源再利用、降低生产成本的大胆探索与尝试，在钢铁行业的煤气平衡和利用、降低环境污染、提高资源利用率等方面具有积极的带动作用，是国家大力提倡发展循环经济、建设节约型社会的标志性项目。 概述： 该项目的工艺流程是将炼钢、炼铁产生的高炉煤气与焦化产生的焦炉煤气，分别经过除尘、净化和脱萘、电捕焦以及脱水处理之后，按一定比例混合成低热值的煤气，经煤气压缩机加压到一定压力和温度，送给燃气轮机燃烧膨胀做功带动发电机进行第一次发电，由燃气轮机排出的高温烟气再经余热锅炉产生高温、高压的蒸汽带动汽轮发电机进行二次发电，从而实现联合循环（图1）。整个联合循环电厂的一期工程共有2套机组，由16.5万m3高炉煤气柜、高炉煤气净化、焦炉煤气净化、2台煤气混合站、2台煤气压缩机、2台燃气轮发电机、2台余热锅炉、2台蒸汽轮发电机、厂用电系统、GIS系统、公用系统和SOE系统几大部分组成。

济钢燃气－蒸汽联合循环电厂，是济钢能源集中管理的一个重要组成部分。作为一个新建项目，无论是在自动化控制，还是生产调度管理上，都需要有一套先进的自动化解决方案来与之配套，更好地保证发电系统的安全稳定运行： 在自动化控制方面，整个项目涉及的设备众多，每个设备都有其各自不同的控制要求，因此，在控制系统的选择上绝对不能一概而论，如何根据各个系统自身的特点选择适合自己的控制器，花最少的钱，达到最佳的控制性能，是整个发电项目控制系统最核心的部分，也是需要考虑最多的部分；在确定了合适的控制器之后，紧接着面临的就是如何在所选用的控制器上满足设备的控制要求，如煤气压缩机和锅炉汽机等大型设备的安全控制及混合站系统的高精度控制等，不仅要有高性能的冗余热备功能，还必须有先进的控制手段来实现设备的自动控制；在实现了单一系统的控制基础上，面对厂区如此众多的设备，如何将全厂的设备整合成一个完整的系统，实现分布式集中控制，这对整个的网络结构、现场总线以及不同系统间的相互通讯等都是一个大的考验；在整个发电系统大连锁关系确定之后，当机组连锁跳机时，如何快速、准确地判断引起跳机的事件时间顺序及连锁条件，查明跳机原因，也是控制系统职责之一。 在生产调度管理方面，现在国内大多数电厂都已具备二级网络的厂级信息监控系统（SIS），济钢联合循环电厂在实现对现场生产设备进行实时监控的基础上，如何更好地将全厂生产数据集中，并充分利用，真正实现设备运行状况分析、调度决策制定、生产结构优化、机组性能提高、全厂生产数据和监控的互联、互通及Web信息对外发布等功能，一套适合济钢联合循环电厂自己特点的厂级信息监控解决方案必不可少。 解决方案： 为了保证济钢发电系统安全、稳定、高效地运行，出于对自动化控制和生产调度管理两个方面的考虑，在实际调研了大量信息及数据之后，根据现场各系统的实际情况，结合GE Fanuc自动化软、硬件产品的特点，我们对整个联合循环发电项目提出如下的一套解决方案（图2），以提高整个发电项目的自动化水平：

　一．控制系统解决方案： 济钢燃气－蒸汽联合循环发电项目，工艺流程复杂，涉及的系统分散，而且对控制的精度和稳定性要求很高，因此必须选用高性能的控制器来完成其控制目标，这对控制系统来说是一个很大的挑战。GE Fanuc的自动控制器，采用先进的控制技术，其运算速度和稳定性在同类产品中处于领先水平，而且针对不同的行业、不同的工艺、不同的设备GE Fanuc提供一整套、多个系列的控制器，用户可以根据自己的需要，有针对性地选择适合自己的控制器，在实现最佳控制性能的前提下，为用户节约成本。 1．VersaMax小型控制器：简单易用、可靠性高、价格经济的特点使其在许多小型控制设备上得到了广泛的应用。它配置灵活，既可以作为远程分布式I/O使用，也可以作为独立的PLC使用，还可以作为分布式控制站使用。

VersaMax I/O（图3）采用模块化设计，每个站可支持8个I/O模块，不带扩展最多256个点，模块支持带电插拔，自动地址分配，设定总线地址通过旋转地址开关，无须特殊工具组态。VersaMax为用户提供广泛的开关量（16种开入、12种开出、12种开入/开出混合模块）、模拟量（9种模入、6种模出、3种模入/模出）、RTD、热电偶、高速计数器输入、脉宽调制输出等模块，最高支持12&16位分辨率，接线方式可选，安装快捷方便。 VersaMax PLC（图4）带有强大的处理器(0.8ms每1K布尔指令、带有以太网接口的Ethernet CPU并支持以太网广播通讯Ethernet Global Data)、多种网络接口单元（DeviceNet、Profibus-DP、Genius Bus、Ethernet）、分布式I/O支持扩展（本地和远程I/O最多可达4096个）。

济钢联合循环发电项目中的16.5万m3高炉煤气柜系统主要完成对气柜进出口闸阀、眼镜阀、蝶阀等阀门的开关停操作、供油泵的启停控制以及对柜位、油温、水封池液位等的监视。该系统中主要是开关量信号，涉及点数较少，且只实现简单的开关控制，没有模拟量调节回路，属于典型的小型PLC控制系统，采用VersaMax小型控制器完全能够胜任该系统的控制要求，既经济，又安全、稳定。 2．系列90-30 PLC中型控制器：功能强大的CPU、广泛的I/O模块、多现场总线支持、更强的分布性、双机热备功能，构成了GE Fanuc 系列90-30 PLC控制器。在既考虑降低成本，又要求强大功能的工程项目中，系列90-30 PLC作为中型自动化控制器无疑最能体现其优越性。

系列90-30 PLC（图5）采用高档CPU并配有浮点运算功能，内存足够大，开关量的映象区与模拟量的映象区分开、互不影响，独立、专用的布尔处理器, 能快速处理逻辑运算，多种编程语言可选，内置PID，SER指令，并支持C语言子程序。超过100种I/O模块类型供选择，开关量、模拟量、热电偶模块、RTD模块、张力计模块、运动控制模块、电力行业特殊模块等，并支持SNP专用串行协议、RTU Modbus主和从协议、Genius Bus等多种总线协议和以太网TCP/IP、对等通讯等多种通讯方式，Max-On双机热备软件保证了两台PLC之间的热备切换，在一台PLC故障时可以自动切换到另一台运行，从而保证生产运行的不间断（图6）。

济钢联合循环发电项目中的高炉煤气净化、焦炉煤气净化两大系统主要是对两种煤气进行除尘、去焦、脱水等净化处理。在该系统中，每台机组都有大批的高压电气开关、电动阀门、旋转电机等设备，并且需要实时控制净化水池的液位，满足水清洗的需要，同时煤气含氧量的控制、萘清除的效果都需要进行控制。整个系统所包括的设备相对较多，且高炉煤气净化中的电除尘设备属高电压设备，对煤气中的含氧量有严格的要求，如果氧含量控制不好而超标，就极有可能会引发爆炸，造成安全事故，同时，这两大系统中的煤气均属于强污染的有毒、有害气体，煤气系统的安全稳定必须要得到保证。S90-30强大的功能及其双机热备切换的特性，使其在对危险设备的控制方面表现出不同寻常的可靠性和稳定性。

除此之外，系列90-30 PLC还可以与特殊模块―顺序事件记录模块(SER300和CDC300)构成ms级的SOE（顺序事件记录）系统（图7），用来记录生产过程中事件发生的先后次序，以帮助分析机组跳车时的原因。每个SER300可对256个DI进行事件记录，1ms的分辨率，每个CDC300可记录多达1000个带时标事件，两者之间通过Fast Massage和Smart Message进行数据交换。TIM100上则有GPS同步信号接口，每秒钟发一次同步信息，使网络上SER300时钟同步，精度可达100微秒。济钢联合循环发电项目的组成系统复杂，导致跳机的因素众多，要在最短的时间内查明故障原因，一套高速有效的SOE系统必不可少。S90-30和SER300模块的组合实现了此功能，为故障的分析和排查提供了真实、可靠的依据。 3．S90-70系列大型控制器：高性能的处理器、先进的操作系统、极高的控制精度、开放的总线结构、两次数据同步的冗余机制，加上强大的分布式控制结构，使S90-70控制器（图8）成为名副其实的大型实时控制系统。它支持用户内存最多达6M字节，动态分配模拟量和寄存器数量，提供Flash Memory存储用户逻辑程序和系统程序，并且支持硬件中断和开放的总线结构(VME总线)。内部操作系统升级方便，并提供四级密码和OEM口令来限制访问CPU的权限。双机热备冗余（图