閻素玲，祝強

水泥廠余熱電站DCS系統(tǒng)方案的技術(shù)經(jīng)濟比較與分析

閻素玲，祝強

本文以我公司承接的某余熱電站總包項目為例，對電站DCS系統(tǒng)是否設(shè)余熱鍋爐遠程站、是否采用現(xiàn)場總線等4個方案進行了技術(shù)、經(jīng)濟的比較與分析，分析結(jié)果表明：在窯頭和窯尾余熱鍋爐分別設(shè)置DCS遠程I/O站，技術(shù)成熟可靠，維護方便，同時由于減少了大量的電纜，也減少了電纜的安裝費用，從而大大降低了工程建設(shè)成本，因此在余熱鍋爐設(shè)置DCS遠程站是一個可靠、合理、經(jīng)濟的方案?，F(xiàn)場總線具有技術(shù)先進性，但是由于現(xiàn)階段現(xiàn)場總線技術(shù)存在的問題，會對系統(tǒng)的可靠性造成嚴重影響。采用現(xiàn)場總線技術(shù)，雖然可降低DCS系統(tǒng)的費用，減少電纜的數(shù)量，但由于現(xiàn)場總線設(shè)備費用增加，導(dǎo)致整個電站控制系統(tǒng)的總體費用較常規(guī)DCS系統(tǒng)會有所增加，因此現(xiàn)階段余熱發(fā)電項目不宜采用現(xiàn)場總線技術(shù)方案。

余熱發(fā)電；遠程I/O站；現(xiàn)場總線；智能低壓電機保護器

1 前言

某余熱電站項目利用一條4500t/d的新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線窯尾預(yù)熱器及窯頭熟料冷卻機廢氣余熱，建設(shè)一座7.5MW純低溫余熱電站，電站采用兩爐一機方案。其裝機方案為：1臺7.5MW凝汽式汽輪機+1臺7.5MW發(fā)電機+1臺窯頭余熱鍋爐（單壓）+1臺窯尾余熱鍋爐（單壓）。

窯尾余熱鍋爐至電站主廠房電纜敷設(shè)距離約為270m，窯頭余熱鍋爐至電站主廠房電纜敷設(shè)距離約為380m，窯尾余熱鍋爐至窯頭余熱鍋爐電纜敷設(shè)距離約為150m。

本文以該余熱電站項目為樣本，對四種不同的DCS配置方案進行了技術(shù)比較與成本核算。

2 DCS技術(shù)方案描述

2.1 A方案

該方案在電站中控室集中設(shè)置現(xiàn)場控制站，余熱鍋爐系統(tǒng)未設(shè)遠程控制站。

這是一種常規(guī)的DCS系統(tǒng)配置方案，是我公司絕大多數(shù)余熱發(fā)電項目設(shè)計所采用的方案。在位于汽輪機房運轉(zhuǎn)層的電站中央控制室內(nèi)設(shè)置I/O模件機柜，集中采集所有來自現(xiàn)場的開關(guān)量和模擬量信號，并輸出驅(qū)動信號。

圖1 A方案DCS配置系統(tǒng)圖

圖2 B方案DCS配置系統(tǒng)圖

該方案MCC柜和DCS控制柜分別集中安裝在汽輪發(fā)電機房內(nèi)的高低壓配電室和電站中控室。整個電站系統(tǒng)（除化學(xué)水處理之外）的所有電動機、電動閥的饋電動力電纜、控制電纜及熱工檢測的信號屏蔽電纜均分別引自MCC柜和I/O模塊柜。

A方案的優(yōu)點：DCS系統(tǒng)的所有設(shè)備均安裝在中控室內(nèi)，環(huán)境條件好，便于維護和管理；I/O模塊集中安裝，節(jié)省了I/O柜的數(shù)量。

A方案的缺點：窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐距離電站中控室約300多米，導(dǎo)致外線電纜和電纜橋架數(shù)量及相關(guān)施工安裝費用增加。

2.2 B方案

該方案在電站中控室設(shè)置現(xiàn)場控制站，同時在窯尾余熱鍋爐設(shè)置遠程控制站。

該方案是在A方案的基礎(chǔ)上，為了減少電纜用量，除了在電站中央控制室內(nèi)設(shè)置I/O模件機柜外，同時在窯尾余熱鍋爐側(cè)搭建電力室，將窯頭、窯尾余熱鍋爐遠程I/O柜和MCC柜一起安裝在窯尾余熱鍋爐電力室內(nèi)。

由遠程I/O擴展機架和模件組成的窯尾余熱鍋爐遠程I/O子站將通過Profibus-DP總線與放置在電站中控室的冗余控制器進行通訊，通訊信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉(zhuǎn)換接口分別與兩側(cè)I/O柜內(nèi)Profi?bus-DP總線相連接。

該方案的優(yōu)點：減少了余熱鍋爐外線電纜和電纜橋架數(shù)量及相關(guān)的施工安裝費用。

該方案的缺點：由于設(shè)置了窯尾余熱鍋爐電力室，增加了土建費用及空調(diào)、照明等費用；增加了MCC柜和I/O模塊柜的數(shù)量，增加了DCS系統(tǒng)的硬件設(shè)備及通訊設(shè)備費用。

2.3 C方案

該方案在電站中控室設(shè)置現(xiàn)場控制站，同時在窯頭、窯尾余熱鍋爐分別設(shè)置遠程控制站。

該方案是在B方案的基礎(chǔ)上，為了進一步減少電纜用量，除了在窯尾余熱鍋爐設(shè)置遠程I/O站，同時在窯頭余熱鍋爐側(cè)搭建電力室，將窯頭余熱鍋爐遠程I/O柜和MCC柜一起安裝在窯頭余熱鍋爐電力室內(nèi)，形成窯頭余熱鍋爐與窯尾余熱鍋爐分別設(shè)置各自電力室及遠程I/O站。

該系統(tǒng)配置一對冗余控制器。冗余控制器均通過現(xiàn)場總線Profi?bus-DP帶一定數(shù)量的I/O擴展機架及I/O模件。由遠程I/O擴展機架和模件組成的窯頭、窯尾余熱鍋爐遠程I/O子站將分別通過Profibus-DP總線與放置在電站中控室的冗余控制器進行通訊，通訊信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉(zhuǎn)換接口分別與兩側(cè)的I/O柜內(nèi)Profibus-DP總線相連接。

圖3 C方案DCS配置系統(tǒng)圖

C方案的優(yōu)點：進一步減少了余熱鍋爐外線電纜和電纜橋架數(shù)量及相關(guān)的施工安裝費用。

C方案的缺點：由于增設(shè)窯頭、窯尾余熱鍋爐電力室，增加了土建費用及空調(diào)、照明費用，增加了MCC柜和I/O模塊柜的數(shù)量，增加了DCS系統(tǒng)的硬件設(shè)備及通訊設(shè)備費用。

2.4 D方案

該方案在電站中控室集中設(shè)置現(xiàn)場控制站，電站系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

該方案是在C方案的基礎(chǔ)上采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。嚴格地講，該系統(tǒng)為局部采用現(xiàn)場總線技術(shù)（FCS）的DCS系統(tǒng)，是一種向FCS過渡性的控制系統(tǒng)。它既保留了DCS系統(tǒng)中功能很強的控制器及I/O模件，同時在通信網(wǎng)絡(luò)又遵循現(xiàn)場總線協(xié)議。

該系統(tǒng)配置一對冗余控制器。冗余控制器通過現(xiàn)場總線Profibus-DP帶一定數(shù)量的I/O擴展機架及I/O模件。由于余熱鍋爐還有一些信號需要I/O模件采集，因此仍需要在窯尾余熱鍋爐電力室設(shè)置由遠程I/O擴展機架和模件組成的遠程I/O站。為此要求余熱電站各系統(tǒng)均需采用數(shù)字智能現(xiàn)場裝置，如帶PA通訊的變送器（壓力、差壓、液位、溫度等）、帶Profibus-DP通訊的智能低壓電機保護器、電動執(zhí)行器及變頻裝置。實現(xiàn)使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議和規(guī)約的現(xiàn)場設(shè)備連接起來，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是模擬量信號，而是基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化信號，進而構(gòu)成數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

遠程I/O柜、現(xiàn)場總線設(shè)備及化學(xué)水車間PLC系統(tǒng)，通過Profibus-DP總線與安裝在電站中控室的冗余控制器進行通訊。要求通訊距離在100m以內(nèi)的信號采用雙絞線傳輸，通訊距離在100m以上的信號采用光纖傳輸，兩端通過光電轉(zhuǎn)換接口與遠程I/O柜內(nèi)Profibus-DP總線相連接。

采用現(xiàn)場總線技術(shù)的主要優(yōu)勢：

（1）相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運行、維護；

（2）全數(shù)字化，免去了D/A與A/ D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%；

（3）可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，從而改善調(diào)節(jié)性能；

（4）采用了雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制，因此，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)，現(xiàn)場設(shè)備的免維護量提高，工作效率提高；

（5）可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設(shè)計、安裝和維護費用；

（6）可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、中間繼電器、端子、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置的空間與占地面積。

（7）MCC抽屜柜中采用智能低壓電機保護器替代傳統(tǒng)的熱繼電器，使其檢測、保護功能更加完善，還可以減少電機的維修費用，減少停工停產(chǎn)的損失；在控制系統(tǒng)中，可以通過現(xiàn)場總線技術(shù)對其進行組態(tài)、調(diào)試、運行和診斷。

采用現(xiàn)場總線技術(shù)的缺點：

（1）由于總線系統(tǒng)的通信故障90%是安裝不規(guī)范造成的，因此現(xiàn)場總線技術(shù)的采用對連接其設(shè)備之間的通訊電纜、接頭等安裝要求非常高，線路抗干擾能力差，造成施工難度的增加；

（2）裝置校驗和故障查找需要新的裝備和技術(shù)，對相關(guān)人員要進行業(yè)務(wù)培訓(xùn)提高技能；

（3）DCS系統(tǒng)軟件對現(xiàn)場總線設(shè)備診斷數(shù)據(jù)采集不夠完善；

圖4 D方案DCS配置系統(tǒng)圖

（4）對要求的數(shù)字智能現(xiàn)場儀表品種單一，特種儀表品種空白；

（5）采用帶總線接口的就地設(shè)備、就地儀表要比常規(guī)設(shè)備、儀表的價格略高，造成總體成本并未節(jié)?。?/p>

（6）采用智能低壓電機保護器替代熱繼電器，增加了MCC柜的費用。國產(chǎn)智能低壓電機保護器價格在幾百到幾千不等，進口品牌價格在萬元以上。

3DCS系統(tǒng)方案經(jīng)濟性比較

以某余熱電站項目為例，進行DCS系統(tǒng)方案經(jīng)濟性比較。

3.1 A方案與C方案的比較與分析

通過對A、C方案系統(tǒng)配置及價格的比較可以看出，由于C方案在窯頭、窯尾分別設(shè)置遠程I/O站，造成設(shè)備費、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內(nèi)容：

增設(shè)就地電力室的土建、空調(diào)及照明：增加約8.3萬元；

窯頭、窯尾余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）：增加約2.32萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝：增加約2.76萬元；

DCS系統(tǒng)通訊設(shè)備及材料：增加約2.2萬元。

共增加費用：約15.58萬元。

（2）減少費用內(nèi)容：

中控室UPS電源容量由原15kVA變?yōu)?0kVA：減少約4.2萬元；

窯頭、窯尾余熱鍋爐雜動力箱：減少約1.37萬元；

動力電纜、控制電纜及電纜的敷設(shè)安裝費：減少約47.09萬元；

共減少費用：約52.66萬元。

經(jīng)過統(tǒng)計核算，C方案（即在窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐分別設(shè)遠程I/O站）比A方案（不設(shè)遠程站）共節(jié)省費用約37.1萬元。

由于金屬銅材料價格不斷上漲，再加上勞動力成本不斷增加，電纜及其施工、安裝費用占電氣、自動化總體費用的比例越來越大。從以上核算結(jié)果可以看出，在窯頭、窯尾余熱鍋爐距離主廠房比較遠的情況下，設(shè)遠程I/O站可以減少大量電纜，同時也可減少電纜的敷設(shè)安裝費用，這是節(jié)省工程費用的很有效的途徑。

經(jīng)過實際核算，當(dāng)余熱鍋爐至電站主廠房的電纜敷設(shè)距離大于100m時，可以考慮設(shè)余熱鍋爐遠程I/O站。因為設(shè)I/O遠程站減少的電纜及其敷設(shè)安裝費用，已經(jīng)大于所增加的土建及設(shè)備費用。

3.2 B方案與C方案的比較與分析

通過對B、C方案系統(tǒng)配置及價格的比較可以看出，由于C方案比B方案在窯頭余熱鍋爐多增設(shè)遠程I/O站，造成設(shè)備、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內(nèi)容：

在窯頭增設(shè)就地電力室的土建、空調(diào)及照明：增加4.15萬元；

窯頭余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）及安裝：增加0.91萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝:增加2.14萬元；

DCS系統(tǒng)通訊設(shè)備及材料:增加0.58萬元；

共增加費用：約7.78萬元。

（2）減少費用內(nèi)容：

窯頭余熱鍋爐雜動力箱：減少0.69萬元；

動力電纜、控制電纜及電纜的敷設(shè)安裝費：減少9.69萬元；

共減少費用：約10.38萬元。

經(jīng)過統(tǒng)計核算，C方案比B方案，共節(jié)省費用約2.6萬元。

從以上核算結(jié)果可以看出，比較只在窯尾余熱鍋爐設(shè)站的B方案，C方案在窯頭余熱鍋爐增設(shè)遠程I/O站，進一步減少了電纜的數(shù)量和電纜的安裝費用，降低了電氣自動化的綜合成本。如果余熱鍋爐為雙壓系統(tǒng)，與單壓系統(tǒng)比較，電纜數(shù)量及電纜敷設(shè)安裝費用幾乎成倍增加，因此C方案比B方案在節(jié)省投資方面更具有優(yōu)勢。

3.3 D方案與C方案的比較與分析

通過對D、C方案系統(tǒng)配置及價格的比較可以看出，由于D方案采用現(xiàn)場總線技術(shù)，造成設(shè)備、材料費、施工安裝費及土建費用的變化。

（1）增加費用內(nèi)容：

MCC柜:增加約4.05萬元；

智能低壓電機保護器（國產(chǎn)）:增加約6.75萬元；

窯頭余熱鍋爐雜動力箱：增加約0.885萬元；

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備：增加約8.63萬元；

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊電纜及電纜安裝：增加約4.64萬元；

現(xiàn)場儀表加配PA通訊接口：增加約0.96萬元；

汽機房帶PA通訊接口溫度變送器：增加約8.35萬元；

變頻裝置加配DP通訊模塊：增加約3.63萬元；

電動執(zhí)行器加配DP通訊模塊：增加約2.16萬元；

共增加費用：約40.06萬元。

（2）減少費用內(nèi)容：

窯頭余熱鍋爐儀表配電屏（帶3kVA UPS）：減少約1.16萬元；

I/O模塊柜（包括I/O模塊、電源模塊及通訊模塊）及安裝：減少約15.49萬元；

信號隔離器、中間繼電器：減少約0.25萬元；

控制電纜及電纜的安裝：減少約7.51萬元；

共減少費用：約19.42萬元。

經(jīng)過統(tǒng)計核算，D方案比C方案共增加費用約20.64萬元。

從以上核算結(jié)果可以看出，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，增加了現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和通訊電纜，同時現(xiàn)場總線儀表、智能低壓電機保護器、電動執(zhí)行器及變頻裝置增配通訊接口和模塊，這兩項費用比較高，大大超出減少的I/O模塊和控制電纜等的費用。但是，上述分析并未計及由于電纜的減少，使得施工單位節(jié)省了接線工程量，縮短了工期，而且從長期效益來看，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)將帶來電站管控數(shù)字化和全生命周期的設(shè)計、安裝、調(diào)試、運行維護成本節(jié)約等有利因素。如果單從節(jié)省投資的角度來看，采用現(xiàn)場總線的D方案是不合適的。

4 結(jié)語

（1）從技術(shù)的可靠性和控制成本的角度出發(fā)，DCS系統(tǒng)應(yīng)該首選在窯頭、窯尾均設(shè)遠程I/O站的方案，該方案性價比最高。

（2）現(xiàn)場總線技術(shù)雖然具有很強的技術(shù)先進性，是未來DCS系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，但是現(xiàn)階段現(xiàn)場總線技術(shù)存在很多問題，比如國際標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、配套現(xiàn)場總線設(shè)備價格高、品種單一、供貨商不能提供有效的技術(shù)支持，以及施工難度增加等，這些因素都會對系統(tǒng)的可靠性造成不利影響。

影響現(xiàn)場總線方案成本的主要因素是智能低壓電機保護器以及現(xiàn)場總線設(shè)備的費用較高，尤其是智能低壓電機保護器的費用。進口品牌智能低壓電機保護器的費用是國產(chǎn)品牌的4～5倍。

因此，無論從技術(shù)的可靠性還是從成本控制的經(jīng)濟性考慮，一般不建議在現(xiàn)階段采用現(xiàn)場總線方案。

根據(jù)上述對DCS系統(tǒng)各種方案的技術(shù)經(jīng)濟分析，該余熱發(fā)電項目采用了技術(shù)可靠、投資相對較少的C方案，即分別在電站中控室、窯頭電氣室及窯尾電氣室設(shè)現(xiàn)場I/O控制站。目前電站已投入運行，而且運轉(zhuǎn)狀況良好。■

Comparison and Analysis for Economic and Technology of DCS system in Cement WHR Project

YAN Su-ling,ZHU Qiang
（Sinoma Energy Conservation Ltd.Tianjin 300400）

By taking an EPC WHR Project as an example,this article compares and analyzes the economy and technology of whether the DCS system sets up remote station for HRSG,whether to adopt the Fieldbus and the other 2 programs.The results show that it is mature and reliable to set the DCS remote I/O station in the kiln inlet and outlet.It is not only easy to maintain,but also reduces the amount of cable and cost of cable installation.Thus construction cost was greatly reduced,so it is a reliable,reasonable and economical solution to set the DCS remote station in HRSG.Fieldbus technology is advanced,but at this stage problems for fieldbus technology will have a serious impact on the reliability of the system.Although costs for DCS systems and the number of cables can be reduced by using Eieldbus technology,the overall cost of power plant control system will increase and be higher than the conventional DCS system due to the increase of cost for fieldbus devices. Thus,it is not acceptable to use fieldbus technology for WHR Project at this stage.

WHR;remote I/O station;fieldbus;intelligent low-voltage motor protection

TQ172.625.9

A

1001-6171（2014）05-0083-05

中材節(jié)能股份有限公司，天津300400；

2014-01-29；編輯：呂光