Kallina循環(huán)技術(shù)發(fā)電站中儀控島的設(shè)計(jì)

上海自動(dòng)化儀表四廠針對(duì)卡琳娜(Kallina)循環(huán)發(fā)電站循環(huán)工質(zhì)的獨(dú)有特性，配套設(shè)計(jì)的控制解決方案由分布式控制系統(tǒng)(DCS)、SIL3認(rèn)證的安全儀表系統(tǒng)(SIS)緊急停機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)場儀表組成。通過合理的熱控儀表選型及監(jiān)控信號(hào)安全隔離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Kallina循環(huán)發(fā)電站控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以及對(duì)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行工況的所有參數(shù)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和監(jiān)控。綜合利用先進(jìn)的智能控制技術(shù)［3］，對(duì)Kallina循環(huán)發(fā)電站的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，嚴(yán)謹(jǐn)編制機(jī)組保護(hù)跳機(jī)聯(lián)鎖控制邏輯、開機(jī)自動(dòng)控制及并網(wǎng)后的自動(dòng)調(diào)節(jié)程序，保證了Kallina循環(huán)發(fā)電站生產(chǎn)運(yùn)行的安全性能，有效地提高了熱能轉(zhuǎn)換以及發(fā)電效率。Kallina循環(huán)發(fā)電站的成功投運(yùn)及并網(wǎng)發(fā)電，驗(yàn)證了為其配套設(shè)計(jì)的儀控島是一套安全、可靠、自動(dòng)化程度高的智慧控制系統(tǒng)。

0引言

傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠往往存在能耗大、效率低、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。在新的發(fā)展階段，國家主張大力發(fā)展能耗低、效率高、污染少(甚至是無污染)的新能源項(xiàng)目。基于卡琳娜(Kallina)循環(huán)的低溫發(fā)電項(xiàng)目，引入了“實(shí)現(xiàn)200℃以下熱電轉(zhuǎn)換非常有效的途徑———Kallina循環(huán)技術(shù)”。Kallina循環(huán)是一種利用氨水混合物作為工質(zhì)、新穎、高效的動(dòng)力循環(huán)。該技術(shù)的引進(jìn)在低溫發(fā)電技術(shù)方面是一個(gè)質(zhì)的飛躍，對(duì)于中國的新能源領(lǐng)域是一次很好的嘗試，可以高效利用諸如廢熱、余熱、地?zé)岬鹊蜏責(zé)嵩矗h(huán)效率高于郎肯循環(huán)。Kallina循環(huán)技術(shù)已應(yīng)用于地?zé)岚l(fā)電和鋼鐵、水泥廠、浮法玻璃、熱電廠、化工廠等工熱余熱發(fā)電，必將引發(fā)新的技術(shù)革命。

為其配套的儀控島的研制，以可靠、安全的自動(dòng)化控制為目標(biāo)，可以準(zhǔn)確監(jiān)控發(fā)電站的所有工藝參數(shù)，并提高控制效率，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的運(yùn)行。儀控島的研制成功，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化、發(fā)電效率的進(jìn)一步提高起著重要的作用，必將在新能源的利用領(lǐng)域產(chǎn)生積極的影響。

1、Kallina循環(huán)技術(shù)發(fā)電站介紹

與傳統(tǒng)朗肯發(fā)電站以水為循環(huán)工質(zhì)不同，Kallina循環(huán)發(fā)電站以特定比例的氨水混合物為循環(huán)工質(zhì)。其循環(huán)系統(tǒng)主要由氨氣輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷凝器、給氨泵、蒸發(fā)器、回?zé)崞?、分離器、儲(chǔ)氨罐等部件組成。Kallina循環(huán)發(fā)電站原理為:熱水進(jìn)入主蒸發(fā)器，將熱量交換給氨水，使之蒸發(fā)成兩相的氣液混合物;混合物進(jìn)入分離器，在分離器上部分離出富氨的氨水蒸氣、下部分離出貧氨的氨水溶液。貧氨的氨水溶液進(jìn)入回?zé)崞鳎诨責(zé)崞髦欣鋮s并回收熱量給氨水。分離出富氨的氨水蒸氣進(jìn)入氨氣輪機(jī)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電;然后排入冷凝器，先與貧氨的氨水溶液混合吸收冷凝，再經(jīng)冷凝器的循環(huán)冷卻水冷卻。吸收冷凝后的氨水溶液用泵升壓供給主蒸發(fā)器和回?zé)崞?。這樣就形成了一個(gè)完整的熱力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

2儀控島的構(gòu)成

針對(duì)Kallina循環(huán)發(fā)電站設(shè)計(jì)的儀控島，由分布式控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystem，DCS)［1］、SIL3認(rèn)證的安全儀表系(safetyinstrumentsystem，SIS)緊急停機(jī)系統(tǒng)［2-3］，以及現(xiàn)場設(shè)備上安裝的檢測儀表、傳感器、執(zhí)行器等組成。儀控島結(jié)構(gòu)如圖2所示。現(xiàn)場監(jiān)測儀表采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并送至DCS，再由DCS進(jìn)行顯示監(jiān)控，并根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行控制，達(dá)到高效、自動(dòng)化的運(yùn)行發(fā)電。

DCS用于Kallina循環(huán)系統(tǒng)的檢測和調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)采用冗余配置，包括CPU冗余、電源冗余(系統(tǒng)電源，I/O電源)，所有的調(diào)節(jié)控制點(diǎn)的AI、AO均采用冗余化的模塊配置。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，以減少系統(tǒng)的故障時(shí)間，保證調(diào)節(jié)回路的安全可靠。SIS用于發(fā)電機(jī)組的安全聯(lián)鎖保護(hù)。SIS采用了三重化的CPU模塊、三重化的I/O模塊，通過SIL3認(rèn)證，大大強(qiáng)化了系統(tǒng)的安全性和可靠性。Bently3500專用監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測保護(hù)氨氣輪機(jī)、發(fā)電機(jī)設(shè)備的振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等參數(shù)。電氣監(jiān)控系統(tǒng)是一種智能化結(jié)構(gòu)的專用系統(tǒng)，用于監(jiān)控發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、同步/并網(wǎng)發(fā)電和電量等電氣參數(shù)。各分系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立，又互相關(guān)聯(lián)，功能分配明確，合理地組成一個(gè)完整的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行和控制。

3、儀控島設(shè)計(jì)方案

根據(jù)Kallina循環(huán)發(fā)電站循環(huán)工質(zhì)及系統(tǒng)所具有特殊的物理性質(zhì)和熱力特性，以及對(duì)所配套的現(xiàn)場熱控儀表及控制系統(tǒng)的安全性和可靠性的特殊要求，進(jìn)行儀控島的設(shè)計(jì)。氨水具有一定的腐蝕性并容易泄漏，因此儀表選型時(shí)應(yīng)選擇不銹鋼材質(zhì)并保證嚴(yán)格密封。氨水濃度與密度在不同壓力、不同溫度下是非線性關(guān)系，并且在不同的溫度、不同壓力下液化點(diǎn)、氣化點(diǎn)不同。針對(duì)氨水的特殊性能，綜合利用經(jīng)典PID控制、串級(jí)控制等控制方式，應(yīng)用先進(jìn)的智能控制技術(shù)［4］實(shí)現(xiàn)對(duì)Kallina循環(huán)發(fā)電站的氨泵出口流量、熱井液位、分離器液位、氨氣輪機(jī)進(jìn)口壓力、氨氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速、氨氣輪機(jī)發(fā)電功率等自動(dòng)化控制。通過多次運(yùn)行調(diào)試，整定調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)計(jì)非常優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)各工況下重要的工藝參數(shù)，使各工藝參數(shù)達(dá)到非常佳設(shè)計(jì)值，保障系統(tǒng)在可控的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，從而提高熱能轉(zhuǎn)換和發(fā)電效率。

3．1儀控島信號(hào)的采集及儀表設(shè)計(jì)選型

根據(jù)系統(tǒng)的工藝特性，進(jìn)行儀控島采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)以及合理的熱控儀表選型，從而滿足對(duì)特殊環(huán)境和耐氨的技術(shù)要求，保證生產(chǎn)運(yùn)行和巡檢人員的安全，實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)循環(huán)的熱能交換效率和損失情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可控需求。

3．1．1質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)是一種比較通用的流量計(jì)。其根據(jù)科里奧利原理測量質(zhì)量流量，幾乎可以測量所有類型的流體，但造價(jià)相對(duì)較高。綜合考慮，選用橫河公司的ＲOTAMASS質(zhì)量流量計(jì)。為了便于安裝及觀察顯示，流量計(jì)選用分離型、隔爆轉(zhuǎn)換器(變送器)，并且是隔爆。儀表可以提供兩路脈沖輸出、兩路模擬輸出。根據(jù)信號(hào)的重要程度和可靠性進(jìn)行信號(hào)的合理分配:一路脈沖輸出作質(zhì)量流量測量，一路模擬輸出作流體密度測量，另一路模擬輸出作溫度測量。按照儀表使用的技術(shù)要求，正確地設(shè)置質(zhì)量流量計(jì)的安裝位置。水平安裝時(shí)，檢測器應(yīng)設(shè)置在管道的低處;垂直安裝時(shí)，流體通過檢測器的流動(dòng)方向應(yīng)該是由下而上，而不是相反。檢測器都不應(yīng)傾斜，故推薦垂直安裝。

3．1．2氨水的液位測量

Kallina循環(huán)系統(tǒng)中，和氨水有關(guān)的液位測量主要有分離器液位、熱井液位、過熱器液位、排污罐液位。由于氨水的密度是變化的，會(huì)對(duì)準(zhǔn)確測量氨水液位造成一定的困難。經(jīng)過不同項(xiàng)目的測試、試驗(yàn)，非常佳設(shè)計(jì)方案是采用磁翻板液位計(jì)進(jìn)行氨水液位測量。其中，有兩個(gè)問題需要注意。一是磁性浮子必須按介質(zhì)非常小密度設(shè)計(jì)，以保證浮子能上浮;二是由于氨水很容易氣化，浮子上下活動(dòng)的腔體要留有氣體上溢的空間，以避免突然產(chǎn)生的氣體推動(dòng)浮子上浮，對(duì)測量造成不良影響。實(shí)際上，由于浮子質(zhì)量是固定的，當(dāng)介質(zhì)密度變化時(shí)，會(huì)引起測量誤差。采用雙法蘭差壓計(jì)，測量密閉罐中的氨水液位，可以克服磁性液位計(jì)浮子可能不上浮的危險(xiǎn)和突然上浮的弊端。但由于介質(zhì)密度的變化，會(huì)產(chǎn)生測量誤差。如果工藝過程中介質(zhì)密度變化較大，就將產(chǎn)生較大的測量誤差。以分離器液位為例，設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行介質(zhì)密度ρ運(yùn)=740．6kg/m3;冷啟動(dòng)時(shí)，ρ冷=826．6kg/m3;初始啟動(dòng)時(shí)，ρ初=674．9kg/m3。按照正常運(yùn)行的介質(zhì)密度值整定儀表，計(jì)算說明。冷啟動(dòng)時(shí)，測得的液位高度比實(shí)際小10．35%;初始啟動(dòng)時(shí)，測得的液位高度比實(shí)際大9．79%。所以，測量中需要注意，在雙法蘭差壓變送器安裝完成后，要根據(jù)安裝的具體位置及毛細(xì)導(dǎo)壓管內(nèi)的不同充填介質(zhì)，計(jì)算和進(jìn)行量程的(負(fù))遷移，以保證準(zhǔn)確測量。磁翻板液位計(jì)既能提供現(xiàn)場觀察，又能提供遠(yuǎn)傳檢測信號(hào)，比較方便。

3．1．3儀表連接法蘭的耐壓等級(jí)選擇

很多儀表是通過法蘭和工藝過程(管道、罐體等)連接的，因此要注意法蘭耐壓等級(jí)是否符合要求。耐壓等級(jí)還與設(shè)計(jì)溫度有關(guān)。例如材質(zhì)為316SS、耐壓標(biāo)注為美標(biāo)CL300等級(jí)(對(duì)應(yīng)公稱壓力5MPa)的法蘭，在常溫下(20℃)，其耐壓為4．96MPa;但當(dāng)溫度為150℃時(shí)，其耐壓為3．85MPa。因此，對(duì)于耐壓4．5MPa的設(shè)計(jì)要求，要選高一級(jí)耐壓等級(jí)。這一點(diǎn)須引起注意。具體要工作中，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊，確定相應(yīng)的耐壓等級(jí)。

3．2儀控島監(jiān)控信號(hào)安全隔離設(shè)計(jì)方案

儀控島的所有監(jiān)控信號(hào)均進(jìn)入現(xiàn)場控制機(jī)柜，控制機(jī)柜內(nèi)器件布局應(yīng)該滿足本安系統(tǒng)的要求，危險(xiǎn)側(cè)(向現(xiàn)場)、安全側(cè)(機(jī)房內(nèi))要有明顯的區(qū)分和分離。控制機(jī)柜內(nèi)危險(xiǎn)側(cè)和安全側(cè)的導(dǎo)線電纜應(yīng)區(qū)分顏色，不應(yīng)交叉、混合走線;去現(xiàn)場的I/O電纜應(yīng)采用有明顯色記的本安電纜。

為了便于I/O信號(hào)電纜的敷設(shè)、施工，以及現(xiàn)場儀表端的分纜，在現(xiàn)場設(shè)置了分布的端子箱。I/O電纜按區(qū)域或功能區(qū)域成組引到接線端子箱，再由端子箱分電纜到各儀表。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是方便施工，節(jié)省電纜，易于檢查、維護(hù)。但接線箱對(duì)I/O信號(hào)的分配應(yīng)注意一定的原則(例如同一工藝區(qū)域的信號(hào))，以及不同類信號(hào)的處理(模擬量和開關(guān)量信號(hào)，本安和非本安信號(hào))等。

3．2．1安全柵的選用

Kallina循環(huán)系統(tǒng)控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有現(xiàn)場防爆要求，并且遵循優(yōu)先選用本安儀表的原則。所以系統(tǒng)中大部分儀表選擇本安型，上海自動(dòng)化儀表四廠在I/O點(diǎn)的機(jī)柜引出端子處，裝有電子安全柵和防雷(防浪涌)保護(hù)器。不同的I/O信號(hào)，選用不同型號(hào)的安全柵。