济钢燃气-蒸汽发电电气系统设计与应用

1 燃气-蒸汽联合循环发电工艺简介
　　济南钢铁集团总公司（简称济钢）燃气-蒸汽联合循环发电是以平衡利用后的富裕煤气作为燃气轮机的燃料，即：炼铁产生的大量低热值高炉煤气；炼钢产生的部分转炉煤气；大量的高热值焦炉煤气。发电工艺流程为：高炉煤气和焦炉煤气混合（热值必须达到5528kJ/m3），经电除尘器除尘后，干净的混合煤气经煤气压缩机压缩（2.1MPa）后进入燃气轮机，膨胀做功后排出。燃气轮机同轴带动空压机、发电机。
　　燃气轮机排出的高温废气（约540℃）作为余热锅炉的热源，余热锅炉为双锅筒锅炉，产生中温中压和低温低压蒸汽，中温中压蒸汽用于带蒸汽透平发电；低温低压蒸汽用于锅炉给水的除氧[1，2]。
2 DCS电气系统设计
　　济钢燃气发电工程的I级基础自动化由电气和仪表自动化系统组成，采用电仪一体化的DCS控制系统及双网卡冗余工业以太网。根据工艺系统划分及控制要求，主要包括两套炉机系统，两套电气系统和一套公用系统。下面主要介绍电气系统的设计。
2.1 系统组成
　　燃气轮发电机额定功率50MW，出线电压10kV，蒸汽轮机发电机额定功率18MW，出线电压10kV，经共同的母线送至额定功率80MW的升压变压器，升压至110kV，经母线与外电网并网。机组启动时，外电网通过80MW变压器向电厂供电。发电厂自用10kV高压电引自发电机出口，由电抗器经电缆送至10kV配电装置，向发电厂高压设备供电。10kV配电装置为单母线接线，发电厂自用380/220V低压电由10kV配电装置接入低压变压器，向低压负荷供电。
　　DCS电气系统的主要设备有：汽轮发电机、高压厂用电源、低压厂用电源、煤气压缩机馈线。由以下子系统组成：1#/2#汽轮发电机；10kV机压母线I段/II段；10kV厂用母线I段/II段；0.4kV厂用母线I段/II段；UPS系统；直流系统。
　　两套机组的供电来源分别是历城电和韩仓电，高压电经过两台主变压器（110kV/10kV)，到10kV机压母线I/II段，分别带动1#/2#蒸汽轮发电机和1#/2#燃气轮发电机；另外一路经过电抗器到10kV厂用母线，带动煤气压缩机和厂内其它设备，并经过10kV/0.4kV变压器到达0.4kV厂用母线，供给厂内其它用电。电气主接线如图1所示。

图1电气主接线
2.2 硬件配置
　　两套机组的电气系统均采用GE Fanuc Series 90TM 90-30 系列PLC，双机热备，工作时一主一从，同步运行，互为冗余。一旦主PLC因故障掉电，另一PLC立即由从变主，继续工作；主PLC恢复以后，两套PLC仍然保持原来的主从关系。其冗余配置由Max on软件完成。
　　I/O子站使用GE Fanuc的控制软件Versamax，进行PLC的编程和配置。Versamax既可以作为单独的PLC控制机，又可以作为I/O子站，通过现场总线受控于其它主控设备，还可以构成由多台PLC组成的分布式大型控制系统。Versamax I/O 通用灵活，可用于本地和远程控制现场，并且具有自动地址分配组态特性。系统的I/O布置如图2所示。

图2 1#机组的I/O布置（2#同）
2.3 软件配置
2.3.1 控制软件 下位编程、硬件组态软件采用基于WINDOWS95/98/NT（或更高）环境下的Versapro，运用梯形图逻辑（Ladder）和功能块（FBD）相结合的编程方式，实现对现场设备的逻辑判断和控制。
2.3.2 上位监控软件 上位监控软件为GE Fanuc的CIMPLICITY Plant Edit，用于单一的人机界面到完全网络化的监督控制和数据采集系统，用来进行工艺过程及设备状态的实时数据采集和处理,完成工艺过程数据分析、操作数据设定和运算控制。
2.4 系统通讯配置
　　各子系统之间的数据交换通过通讯网络实现，采用VME总线技术实时采集现场的数据，信号分两路接入两个配置完全相同的VersaMax I/O站；I/O子站与S90－30系列PLC之间，采用Genius总线技术，双线冗余，确保了PLC与远程I/O之间的数据与控制的正常进行；再通过100M TCP/IP以太网实现PLC之间及PLC与上位机之间数据交换及共享。
2.5 系统功能
　　DCS电气系统可根据HMI的操作指令和现场监测器信号，完成整个发电工程供电系统的顺序控制和逻辑控制,并进行工艺过程及设备状态的实时数据采集和监控,完成工艺过程数据分析以及设备和网络的故障诊断。
　　（1）电气控制：根据HMI的操作指令和现场监测器的信号，完成供电系统包括电动机回路、低压厂用变压器回路及备用电源回路、高压电抗器回路及高压厂用电源联络回路、汽轮发电机出口断路器及同期回路、发电机励磁控制回路、汽轮发电机启动、升压、并网及停机等子系统的自动控制。
　　（2）设备监控：通过动态颜色显示，实现主控室对现场各设备的状态监控，当某一设备回路通电以后，操作工可从HMI画面上看到该回路显示为红色，未通电的线路则显示黑色，醒目直观，便于监控。
　　（3）实时数据监视：HMI中设计了工艺过程及设备状态的在线数据显示，利用CIMPLICITY P.E.的实时数据采集功能，将现场各监测点的数据实时显示。
　　（4）设备在线诊断及实时报警：系统对重要设备都设置报警监控，并对产生报警的设备进行在线分析，查出故障原因后，在HMI上动态闪烁，提醒用户及时处理，系统自动记录近期设备所有报警信息，便于监测设备的不良状态，查明故障点和故障原因。
　　（5）故障诊断：对系统故障能够做出诊断，如对系统有硬件故障、I/O故障表中有故障、I/O故障表满、远程I/O通讯故障、系统模块有硬件故障等均可做出诊断，并在上位机显示，便于查找故障原因。
　　（6）数据记录：对重要数据系统可以进行记录，记录周期为1h。可将数据保存下来，每条记录在系统内可以保持10天，10天后自动删除，以.csv文件形式保存在指定目录下，用于日后查询。数据库采用SQL Server 2000，通过ODBC接口与HMI连接。
　　（7）历史趋势/快速趋势：系统对每一数据都可作快速趋势和历史趋势图。趋势图能从Cimplicity数据库登录器中的成组表、当前数据、CSV文件和参考文件取得数据，并将它们显示成趋势曲线。用户可以查询某一时间段、某些变量的数据，并打印报表；或实时显示某些变量的数据曲线，用于比较和分析。
　　（8）用户权限设定：系统对人员进行权限分类，根据不同的权限可以进行不同操作，如操作工的权限相对较小，只能浏览主要的操作画面进行操作；维护工程师可进行故障诊断的查看及故障清除；系统管理员的权限最大,可对系统进行修改、组态。
3 结束语
　　济钢利用燃气-蒸汽联合循环发电，一期发电系统装机容量2×66MW，2004年8月两套机组全部并网发电，性能稳定，运行良好。DCS电气系统基于对生产过程进行数据采集、顺序控制、连续控制、监控操作、人机对话和数据通信（包括接受过程自动化系统的设定值和发送实际过程数据给过程自动化系统），其应用实现了整个发电厂供电系统电气设备的在线实时监控、故障诊断、故障预报及远程信息传送，并提供了故障诊断系统信息指导功能。