摘要：本文介紹了和利時公司的HOLLiAS MACS分散控制系統在廣東臺山發電廠二期工程2×1000MW超超臨界機組中的首次國產化應用，主要包括HOLLiAS MACS的系統配置，實現的控制功能，以及與其它第三方系統的通訊接口等。

    關鍵詞：HOLLiAS MACS；分散控制系統；超超臨界機組；國產化應用

    Abstract: This article describes the first domestic application of HOLLiASMACS system in 2×1000MW ultra-supercritical units of Guangdong TaishanPower Plant PhaseⅡ, including system configuration,control function, andcommunication interfaces with other third party systems, etc.

    Key words: HOLLiAS MACS; Distributed control system; Ultra-Supercritical unit;Domestic application

    1 引言

    我國首臺采用國產化控制系統的1000MW超超臨界燃煤發電機組：國華廣東臺山發電廠二期工程（2×1000MW）6號機組，于2011年03月29日10：08一次性高標準通過了168小時考核，順利移交生產。該機組的DCS控制系統采用了和利時公司的HOLLiASMACS系統。這是我國百萬千瓦級超超臨界機組設備，繼鍋爐、汽輪機和發電機三大主機完成國產化后控制系統（DCS）也順利完成國產化的首臺投運機組。

    2 工程概況

    國華廣東臺山發電廠二期工程(首兩臺1000MW級機組)擴建建設兩臺超超臨界1000MW燃煤發電機組，鍋爐、汽機、發電機三大主機均由上海電氣集團提供，二期工程機組的DCS控制系統采用和利時公司的HOLLiAS MACS分散控制系統。鍋爐采用上海鍋爐廠有限公司引進Alstom-Power公司BoilerGmbh技術生產的1000MW鍋爐，型號為SG3091/27.56-M54X、超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐、一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構塔式布置。主要參數為：3091t/h/27.56MPa/605℃/2580.9t/h/5.96MPa/603℃/298℃。系統配置30%BMCR容量的啟動循環泵。鍋爐最低穩燃負荷為30%BMCR。鍋爐點火采用0號輕柴油，采用二級點火方式。同時配置微油點火系統。

    汽機采用上海汽輪機有限公司引進西門子技術生產的TC4F型汽輪機。高中壓聯合啟動、超超臨界、一次中間再熱、單軸、雙背壓、四缸四排汽。汽輪機采用定－滑－定運行方式。機組能滿足各種運行方式并具有調峰能力。主要參數為：1000MW /3000r/min /26.25 MPa /600℃/2943.065t/h /5.335 MPa/600℃/5.7/6.7 kPa。

    發電機采用上海汽輪發電機有限公司的THDF 125/67型發電機。發電機轉子繞組及鐵芯為氫冷，定子繞組為水冷。主要參數為：1000MW /50Hz/27000V/0.9/無刷勵磁。

    3 系統配置

    和利時公司的HOLLiAS MACS系統是用一個開放的系統軟件平臺，將各種控制功能與管理功能相結合，構成了一個集成開放的系統平臺。在此基礎上，和利時公司結合不同行業自動化控制的需求特點，推出專業化的控制方案，最大限度地滿足不同行業的應用需要。

    廣東臺山發電廠的二期工程包括#6機組和#7機組，分散控制系統的控制范圍包括單元機組、機組脫硫系統和二期公用系統。整個DCS系統按照HOLLiAS MACS的網絡結構劃分為#6機組、#6機組脫硫、#7機組、#7機組脫硫以及公用系統共五個域，并且與電廠管理信息系統（MIS）、監控信息系統（SIS）等留有通訊接口。

    單元機組DCS的監控范圍包括鍋爐及其輔助系統、汽輪機及其輔助系統、發電機變壓器組、廠用電系統等。機組脫硫系統DCS的監控范圍包括脫硫增壓風機、吸收塔、氧化風機等。二期公用系統的監控范圍包括二期廠用電公用部分、空壓機系統、氨儲系統、空調系統等。同時，DCS還與汽機DEH、主機TSI、發變組保護系統、BOP系統等進行通信，從而實現DCS對整臺機組的統一監控和管理。

    DCS的主要功能包括：數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、旁路控制系統（BPS）、汽動給水泵控制系統（MEH+METS）、電氣控制系統（ECS）、脫硫系統（FGD）控制等。臺山發電廠二期工程的DCS控制系統硬件配置示意圖（單元機組和公用系統）如圖1所示。

   3.1 DCS網絡結構

    HOLLiAS MACS分散控制系統，可以劃分為監控層和控制層兩個層次。監控層的設備主要包括工程師站、操作員站、通訊站等；控制層的設備主要包括實現各種控制功能的控制站（包括遠程控制站和遠程I/O站）。

    工程師站、操作員站和通訊站等與系統服務器的互連，通過監控網（M-NET）使用以太網協議通訊，通訊速率100Mbps。

    控制站與系統服務器的互連，通過系統網絡（S-NET）使用HSIE網絡協議，通訊速率10/100M自適應。HSIE網絡協議基于可靠的工業以太網通訊協議，信息傳輸實時、可靠。

    控制站內部的數據通訊網絡稱為控制網（C-NET），控制網采用Profibus現場總線。使用Profibus-DP協議，通訊速率500Kbps，實現控制器與過程I/O模塊的通訊，符合IEC61158國際標準。所有支持Profibus-DP協議的控制器（如PLC）和智能儀表只要提供相應的GSD設備文件，都能作為主控的從站與HOLLiASMACS系統進行通訊。

    HOLLiAS MACS系統的網絡結構具有靈活的擴展性，對于距離電子設備間較遠的控制現場，可以通過在現場設置遠程控制站或遠程I/O站的方式接入系統。例如本項目中，在鍋爐現場設置遠程I/O站對鍋爐吹灰器進行控制；在循泵房就地設置遠程控制站對循泵進行控制等。遠程控制站和遠程I/O站采用光纜通訊，保證了通訊的速度和質量。

    3.2 DCS硬件配置
           
                    
                       圖1 臺山發電廠二期工程的DCS控制系統硬件配置示意圖    

    HOLLiAS MACS分散控制系統的硬件設備主要包括控制機柜、工程師站、操作員站、數據服務器、通訊站、大屏幕顯示器、激光打印機等。另外，根據DCS合同要求，集控室和工程師站的操作臺、緊急跳閘按鈕操作盤、UPS電源分配柜（含切換裝置）、接地柜等設備也由和利時公司供貨。

    工程師站是配有系統組態軟件的計算機，工程師站對應用系統進行功能組態，包括操作員站組態和控制器組態，并進行在線下裝和在線調試，是工程師對工程實施各種控制策略和人機交互方式的工作平臺。

    操作員站是配有實時監控軟件和各種可配置的人機接口設備的計算機，完成對生產過程和現場參數的實時監視與操作。操作員站可全面完成對現場工藝狀況的顯示、報警、打印、歷史數據記錄和再現以及報表等功能。本工程中，DCS的工程師站和操作員站采用DELL工作站，型號為Precision T3400n，運行在基于Windows NT/2000構架的Windows XP中文版SP2平臺之上。

    數據服務器采用高性能服務器，完成實時數據庫及歷史數據庫的管理和存取，服務器為雙冗余配置，并可根據實際工程規模靈活配置。本工程DCS的數據服務器采用DELL機架式服務器，型號為PowerEdge 2950，操作系統為Windows Server 2003。

    HOLLiAS-MACS系統中，較復雜的計算和管理任務交給網絡上的高性能的數據服務器，頻繁與操作員打交道的人機界面等任務交給操作員站。這種體系結構靈活、處理效率高，易于擴充、適應范圍廣，可維護性強。

    運行人員通過操作員站上的人機界面將請求發給數據服務器，而由高性能的數據服務器完成專門負責數據庫的操作和維護，同時把結果返回給人機界面或將指令下傳到主控單元。在網絡里傳輸的只有SQL語句和結果數據，提高了整個系統的吞吐量和響應時間。

    3.3 項目規模

    單元機組DCS（含爐、機、電和脫硫系統）以及公用系統的物理I/O點：單元機組為12808點，公用系統為2246點，總的I/O點數為15054點。各類型I/O點的詳細統計見下表。

                          表1 各類型I/O點的詳細統計表
                 
                
    4 控制功能

    4.1 模擬量控制系統（MCS）

    臺山發電廠二期工程機組的主要工藝系統特點為：主蒸汽和再熱蒸汽均采用單元制系統；機組旁路系統采用100%（BMCR）容量的高壓、65%（BMCR）容量的低壓兩級串聯旁路；無高壓安全門，設有再熱器安全門。

    給水系統：采用2臺50%容量汽動調速給水泵，每臺汽動調速給水泵配有一臺定速電動機拖動的前置泵。不設電動給水泵。給水操作臺設兩路，主路不設調節閥，正常運行時給水的調節通過控制給水泵的轉速來實現，旁路上設置一個給水調節閥，供啟動和低負荷時使用。采用帶爐水循環泵的啟動系統，通過循環泵將分離器的疏水打入省煤器入口。

    風煙系統：采用平衡式通風系統，送風機（2臺）采用動葉可調軸流風機，引風機（2臺）采用靜葉可調軸流風機。空氣預熱器（2臺）為三分倉容克式空氣預熱器。除塵器（2臺）為四電場靜電除塵器。

    制粉系統：采用正壓冷一次風中速磨直吹式制粉系統，主要設備（每爐）包括： 6臺中速磨煤機（對于設計煤種，5運1備），6臺電子稱重式皮帶給煤機，2臺動葉可調軸流式一次風機，2臺離心式磨煤機密封風機。

    回熱系統：回熱系統為三高加、四低加、一除氧。除氧器采用全滑壓運行方式。

    脫硝系統：主要由選擇性催化還原法(SCR)脫硝裝置、氨的制備及存貯系統等組成。

    單元機組的主要控制回路包括，機爐協調控制、燃料控制、制粉系統控制、啟動系統控制、給水控制、過熱器噴水減溫控制、再熱汽溫控制、總風量控制、爐膛壓力控制、一次風壓控制、二次風箱壓力控制、除氧器系統控制、凝結水系統控制、高低加水位控制、軸封控制等。

    本期工程的汽輪機DEH為上海汽輪機廠配套的西門子SPPA-T3000 系統，控制汽機本體。汽機本體的輔助系統，主要包括汽機本體疏水、軸封系統、抽汽系統、真空破壞閥、主機潤滑油、頂軸油、盤車電磁閥等分別由DCS中的MCS和SCS控制。重要測點通過DCS與DEH間的硬接線連接，輔助測點通過通訊方式進行數據交換。機組正常運行時，可由DCS完成對汽輪機的監控和操作。

    4.2 順序控制系統（SCS）

    機組的順序控制系統（SCS）實現鍋爐、汽機各輔機設備的控制、聯鎖、保護以及順控啟停等功能。SCS的設計分為子組級和設備級，運行人員可以對設備進行單獨操作，也可以將相關設備按子組進行順控啟停。同時，提供設備的操作提示、報警首出等信息，以方便運行人員操作。

    單元機組的鍋爐SCS和汽機SCS主要包括以下功能子組：

    鍋爐SCS包括：煙風系統子組；空預器子組；送風機子組；引風機子組；一次風機子組；鍋爐疏放水子組；過、再熱器減溫水子組；過、再熱器疏水子組；吹灰系統子組等。

    汽機SCS包括：主、再熱蒸汽疏水子組；高加及抽汽子組；除氧器及四段抽汽子組；低加及抽汽子組；給水和小機子組；凝結水子組；汽機真空子組；汽機軸封子組；汽機潤滑油子組；循環水子組；開式循環冷卻水子組；閉式循環冷卻水子組；發電機定冷水子組；發電機密封油子組；輔汽子組；凝結水輸送子組等。

    4.3 鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）FSSS

    （Furnace Safeguard Supervisory System），鍋爐爐膛安全監控系統。它是現代大型火電機組鍋爐必須具備的一種監控系統，它能在鍋爐正常工作和啟停等各種運行方式下，連續密切監視燃燒系統的大量參數與狀態，不斷進行邏輯判斷和運算，必要時發出動作指令，通過種種連鎖裝置，使燃燒設備中的有關部件嚴格按照既定的合理程序完成必要的操作或處理未遂事故，以保證鍋爐燃燒系統的安全

    爐膛安全監控系統一般分為兩個部分， 即燃燒器控制BCS（Burner Control System）和燃料安全控制FSS（Fuel SafetySystem）。燃燒器控制系統的主要功能是對鍋爐燃燒系統設備進行監視和順序控制，保證點火器、油槍和磨煤機系統的安全啟動、停止、運行。燃料安全系統的功能是在鍋爐點火前和跳閘、停爐后對爐膛進行吹掃、防止可燃物在爐膛積存，在監測到危及設備、人身安全的工況時，啟動MFT，迅速切斷燃料，緊急停爐。

    FSSS系統主要功能包括：鍋爐爐膛吹掃、主燃料跳閘MFT及發出跳閘原因及首出記憶、油燃料跳閘OFT及發出跳閘原因及首出記憶、燃油泄漏試驗、爐膛滅火保護、火焰檢測、鍋爐燃油進油、回油閥控制功能、油燃燒器控制功能、微油點火控制功能、制粉系統控制功能、火檢冷卻風系統控制功能等。

    4.4 旁路控制系統（BPS）

    本項目采取100%的高壓旁路，不設過熱器安全門，設65%的低壓旁路，設再熱器安全門。旁路在系統中取著啟動、溢流和安全三項作用。

    高旁控制方式：機組在主蒸汽升壓至汽機沖轉壓力后進入定滑定的壓力運行模式，旁路配合鍋爐、汽機實現這種定滑定的主蒸汽壓力運行模式。高壓旁路控制在鍋爐運行過程中分為A1、A2、A3、B和C方式，鍋爐熄火后分為D和E方式。其中，A1、A2方式是為了使鍋爐起壓；A3方式下鍋爐升壓至汽機沖轉壓力并進入第一個定壓模式；滑壓運行模式及第二個定壓模式由鍋爐主控或汽機主控實現，此時旁路進入B方式（當壓力波動，旁路調節時，仍然為B模式，這是由“DEH發出全部蒸汽進入汽機”決定，該信號由RS觸發器鎖定，當跳閘或FCB時才釋放）；旁路的C、D和E方式為汽機故障或鍋爐停機工況下的壓力控制模式。

    總的來說：A1、A2、A3為機組啟動及低負荷階段，B方式為正常調節階段，C方式為汽機跳閘階段的調節，D方式為停爐后待啟階段，E方式為停爐檢修。

    低旁控制：鍋爐剛點火時，低旁是關閉的，隨著蒸汽壓力的上升，高壓旁路打開，當高旁開至2%時，低旁進入壓力控制方式，并將低旁剛開啟時的再熱蒸汽壓力作為低旁壓力的定值。隨著負荷的增加，為維持再熱器起始壓力，低旁閥門逐漸開大至70%上限。此時低旁進入升壓階段，直到再熱器壓力達到中壓缸沖轉壓力（冷態時為2.5MPa）。然后將低旁壓力設定值切換到中壓缸沖轉壓力，并取消閥位上限，通過低旁閥門的調節來維持中壓缸沖轉壓力。 與高旁相似，在汽機沖轉、并網且接受全部蒸汽后，低旁全關并進入安全方式，即溢流方式。低旁蒸汽溢流設定值是鍋爐指令的函數，比正常的熱再運行壓力大0.015MPa～0.05MPa。當汽機故障或跳閘而使再熱汽壓力超過設定值時，低旁將打開泄壓。停爐后如果在短時間內需要重新點火生爐，則打開低旁，按一定的速率將壓力泄至主汽壓力的一半，并小于5MPa，以備鍋爐下一次啟動用。由于低旁容量為65%，再在熱器上另設4只安全門，用于高負荷汽機跳閘時，共同協助低旁泄壓。

    高、低旁溫度控制：以旁路減壓閥后的溫度為被調量進行控制，以旁路蒸汽流量的減溫水需求為前饋。旁路蒸汽流量根據蒸汽壓力、減壓閥開度、蒸汽溫度、管道參數得出。通過焓值的變化量和減溫水焓值計算出需要的減溫水量。

    4.5 汽動給水泵控制系統（MEH+METS）

    MEH的控制對象為機組給水系統的兩臺汽動給水泵，MEH/METS的控制功能包括，調節系統功能、試驗系統功能以及限制保護功能。

    調節系統功能，分為就地自動方式、閥控方式、遙控方式。小機剛運行時進入就地自動方式，可控制小機按經驗曲線完成升速率設置、過臨界轉速區，直到轉速上升到機組調速范圍升速過程；閥控方式，機組運行后，就地自動方式和遙控方式未投入，且無關調門信號時即為閥控方式。在閥控方式下，通過主控畫面可設置目標閥位（0～100%）和閥位變化率（0～100%/min）或按增、減按鈕改變總閥位給定值（單位為%），來控制給水流量。在遙控方式下，系統轉速給定接受來自于鍋爐轉速給定信號，在PID作用下調節給水泵轉速。

    試驗系統功能，包括超速保護試驗、調門嚴密性試驗。超速保護試驗用于檢驗各超速保護的動作轉速。進行超速試驗時候，目標轉速最大設置為6100r/min，機組升速到6050r/min，檢查超速保護是否動作。調門嚴密性試驗用于檢驗調門嚴密性，調門嚴密性試驗開始，調門關閉，轉速下降到可接受轉速，試驗結束，并記錄下惰走時間。

    限制保護功能，包括掛閘功能、MEH保護功能、METS保護功能。掛閘功能，在機組已跳閘、所有進汽閥門全關、無打閘信號、且DCS允許啟動的條件下，操作員按掛閘按鈕或者程控掛閘信號之后，小機復位電磁閥帶電，速關油壓建立，延時2秒后判斷機組已掛閘，掛閘電磁閥失電，掛閘操作完成。MEH保護功能，當有轉速>6050r/min三取二測速板打閘、操作臺手動打閘等信號時，MEH開出打閘去METS。METS保護功能，當有小機潤滑油壓低三取二、小機軸向位移大三取二、小機徑向軸承溫度過高、小機汽輪機軸振過大、小機排氣溫度高三取二等信號來時，METS開出打閘去打閘繼電器，并記錄首出。

    4.6 電氣控制系統（ECS）

    電氣控制系統ECS控制系統的配置及范圍，分為單元電氣控制系統和公用電氣控制系統。發變組及機組廠用電系統以及廠用電公用部分的監控主要由DCS系統來實現，重要的開關量控制信號和報警信號將通過硬接線接入DCS系統，發變組及廠用電系統監視用的DAS信號和必要的狀態信號將通過ECMS以通訊方式接入DCS，最終滿足在機組DCS人機界面上全部監控發變組與廠用電系統的功能。

    單元電氣控制系統監控范圍包括：發電機－變壓器組；發電機勵磁系統；高壓廠用電源；單元低壓變壓器、PC進線及分段；保安電源及柴油發電機組；單元機組直流系統（僅監測）；UPS系統（僅監測）。公用電氣控制系統監控范圍包括：高壓備變；公用低壓變壓器、PC進線及分段。

    4.7 脫硫系統（FGD）控制

    本期工程的兩臺機組，同步配套煙氣脫硫系統。煙氣脫硫裝置采用石灰石/石膏濕法脫硫工藝，按一爐一塔配置，設有兩臺增壓風機，不設GGH。

    石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術的脫硫過程為：將石灰石粉加水制成漿液作為吸收劑送入吸收塔，由漿液循環泵使石灰石漿液在吸收塔內自上而下進行循環。從鍋爐引風機來的原煙氣從吸收塔下部進入，向塔頂運動時與噴淋下來的石灰石漿液充分接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及從塔下部鼓入的氧氣進行化學反應生成硫酸鈣，硫酸鈣達到一定飽和度后，結晶形成二水石膏。經吸收塔排出的石膏漿液經濃縮、脫水，使其含水量小于10%，然后用輸送機送至石膏貯倉，脫硫后的凈煙氣經過除霧器除去霧滴，由凈煙道導入煙囪排入大氣。

    FGD的控制功能分為調節功能和順控功能，主要包括增壓風機入口壓力控制、石灰石漿液濃度控制、脫硫塔pH值及塔出口SO2濃度控制、吸收塔液位控制、石膏漿排出量控制以及脫硫系統FGD啟動/停止順序控制、煙氣系統啟停控制、除霧器清洗程控、石灰石破碎輸送系統順控、石灰石制漿系統順控、吸收塔系統順控、石膏脫水系統順控等。

   5 通訊接口

   HOLLiAS MACS系統具有廣泛的開放性，支持TCP/IP、OPC/ODBC、MODBUS、Profibus等通訊協議，采用RS232/RS422/RS485、以太網等接口方式，可以通過系統的通訊站實現與其它系統的信息交流，系統間根據需要實現單向或雙向通訊。

    本期工程的單元機組設有一臺SIS接口站和兩臺通訊站，以實現與電廠SIS系統和機組輔控系統的通訊。SIS接口站，采用OPC方式與SIS系統通訊。SIS接口站運行通訊服務軟件，將機組各系統的主要參數送至電廠SIS系統，供電廠生產管理人員在辦公室查閱。每套SIS接口站均有3個以太網通訊口和招標文件要求的硬件防火墻。兩臺通訊站采用MODBUS等通訊協議，與機組輔控系統進行數據交換，實現DCS對機組的集中監控。主要包括：鍋爐各受熱面壁溫、鍋爐泄漏監測系統、鍋爐水力吹灰系統、空預器LCS裝置、發電機定子線圈溫度、發電機定子鐵心溫度、凝結水精處理、電氣ECMS系統等。

    6 結語

    HOLLiAS MACS控制系統在國華廣東臺山項目上的成功應用，標志和利時公司的DCS系統產品有能力承擔超大型電站控制工程，和利時公司的技術人員具有實施大機組控制工程的能力及經驗。

    HOLLiAS MACS控制系統在1000MW機組的成功應用，標志著國產DCS系統再次上了一個新的臺階。具有自主知識產權的國產DCS系統，不僅可以完成300MW、600MW電站控制工程，同樣可以完成1000MW等級的超大型電站控制工程。

    參考文獻：

    [1] 北京和利時系統工程有限公司. HOLLiAS MACS V6.1.5用戶組態手冊[Z].2009.

    [2] 北京和利時系統工程有限公司. HOLLiAS-MACS硬件選型[Z]. 2008.

    [3] 北京和利時系統工程有限公司. HOLLiAS-MACS SM系列硬件系統概述[Z].2008.

    [4] 文群英. 熱工自動控制系統（第二版）[M]. 北京: 中國電力出版社, 2009.

    陸繼開（1981-）男，浙江嘉興人、本科，助理工程師，現就職于杭州和利時自動化有限公司主要從事電廠熱工自動控制方面的研究。

    胡樹云（1972-）男，江西余江人，大專，助理工程師，現就職于杭州和利時自動化有限公司主要從事電廠熱工自動控制方面的研究。 

    摘自《自動化博覽》2011年第八期