王海軍， 王振武， 楊 鑫， 李 銳

(1. 國家電力投資集團(tuán)有限公司湖北分公司，武漢 430062； 2. 北京恩耐特分布能源技術(shù)有限公司，北京 100176)

在我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)下，燃煤發(fā)電造成了更多的硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物排放及更嚴(yán)重的粉塵污染，因此以清潔能源天然氣為主要一次能源的分布式能源系統(tǒng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。特別是在2020年，我國提出力爭二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值，于2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，因此天然氣分布式能源將迎來更大的發(fā)展空間。

天然氣分布式能源系統(tǒng)作為用戶端供能系統(tǒng)，提高了能源綜合利用率，降低了污染物排放量；但是，該系統(tǒng)包含更多的主機(jī)和輔機(jī)設(shè)備，對各工藝設(shè)備間運(yùn)行的耦合性要求更強(qiáng)，并且系統(tǒng)中同時(shí)存在冷、熱、電三個(gè)控制對象，需要根據(jù)用戶端負(fù)荷變化甚至經(jīng)濟(jì)性要求實(shí)時(shí)調(diào)整供能系統(tǒng)出力。因此，需要構(gòu)建一種可以與天然氣分布式能源系統(tǒng)工藝特性相契合的電控系統(tǒng)，以充分發(fā)揮天然氣分布式能源系統(tǒng)高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。常見的電控系統(tǒng)有分布式控制系統(tǒng)(DCS)和基于可編程邏輯控制器(PLC)的單站控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)DCS在大型燃煤發(fā)電廠應(yīng)用較多，基于PLC的單站控制系統(tǒng)多用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域。

筆者針對天然氣分布式能源系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和運(yùn)行要求，采用DCS架構(gòu)的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)，并通過實(shí)踐證明其應(yīng)用效果良好。

1 天然氣分布式能源系統(tǒng)

天然氣分布式能源系統(tǒng)是以燃燒天然氣驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)做功，帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，同時(shí)發(fā)動機(jī)排出的高溫?zé)煔饧盁崴ㄟ^余熱利用設(shè)備，如煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組或余熱鍋爐等設(shè)備，向用戶提供冷、熱、電的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)[1]。圖1為天然氣分布式能源系統(tǒng)流程。

圖1 天然氣分布式能源系統(tǒng)流程

天然氣分布式能源技術(shù)是一種以能量梯級利用為核心的分布式供能技術(shù)，具備更高的供能效率、更低的供能成本、更少的污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，并且其對電力和燃?xì)夤?yīng)有雙重削峰填谷的作用。因此，天然氣分布式能源技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展[2]。

天然氣分布式能源系統(tǒng)與常規(guī)的電制冷+燃?xì)忮仩t供能系統(tǒng)相比，增加了發(fā)電機(jī)組及余熱利用機(jī)組，工藝系統(tǒng)更加復(fù)雜；并且其輔助系統(tǒng)增加了高溫循環(huán)水系統(tǒng)、低溫循環(huán)水系統(tǒng)及潤滑油系統(tǒng)等。天然氣分布式能源系統(tǒng)與大型燃煤電廠也有較大的不同。對于大型燃煤電廠，全廠輔機(jī)設(shè)備均為發(fā)電機(jī)組服務(wù)，一般距離終端用戶較遠(yuǎn)，主要目的是在調(diào)度指揮下按計(jì)劃向外提供電能；而天然氣分布式能源系統(tǒng)在向用戶提供電能的同時(shí)，還要提供冷/熱能源，同時(shí)由于靠近用戶端，所以應(yīng)與用戶的終端負(fù)荷變化相適應(yīng)。

從設(shè)計(jì)和運(yùn)行角度看，天然氣分布式能源系統(tǒng)比常規(guī)電制冷+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)復(fù)雜，又比大型燃煤電廠的外供能源類型多樣，因此其控制要求更加精細(xì)、復(fù)雜。

2 基于DCS的電控系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深度融合，建設(shè)方對天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了創(chuàng)新思維和構(gòu)架優(yōu)化的需求。在傳統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)監(jiān)控和順序控制等基本功能基礎(chǔ)上，對能源站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并進(jìn)一步提出優(yōu)化運(yùn)行策略，成為目前天然氣分布式能源站智能控制系統(tǒng)的基本要求。

火電及石化行業(yè)所采用的DCS從結(jié)構(gòu)上分為過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能主要的實(shí)施部分；操作級包括工程師站和操作員站，用于完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)；管理級主要是工廠管理信息系統(tǒng)，作為DCS更高層次的應(yīng)用[3]。

從天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)所體現(xiàn)的特點(diǎn)來看，其與DCS構(gòu)架有較高的重合度。采用DCS構(gòu)架的天然氣分布式能源站控制系統(tǒng)既可以滿足天然氣分布式能源系統(tǒng)分散控制、集中操作的要求，又可以有效且便捷地協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各主機(jī)設(shè)備，在提高天然氣分布式能源系統(tǒng)整體性的同時(shí)，提升了系統(tǒng)效率。根據(jù)DCS構(gòu)架和天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)，按照分散控制、集中管理的原則搭建基于DCS的具有分層、分布系統(tǒng)形式的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)。分層是指能源站監(jiān)控系統(tǒng)權(quán)限和職責(zé)分別歸屬于對應(yīng)層次；分布是指能源站監(jiān)控系統(tǒng)按被控對象功能關(guān)聯(lián)性分散設(shè)置現(xiàn)地控制單元(LCU)。通常LCU層按被控對象功能關(guān)聯(lián)性配置1套電氣LCU(除機(jī)組配套的保護(hù)、控制外)實(shí)現(xiàn)對機(jī)組及電氣設(shè)備的監(jiān)控，同時(shí)配置1套或多套工藝設(shè)備LCU實(shí)現(xiàn)對工藝設(shè)備的監(jiān)控。各LCU和中控室上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(操作員工作站)、通信工作站、工程師工作站之間通過以太網(wǎng)連接。具體劃分為：

(1) 第一層為現(xiàn)地被控對象設(shè)備的狀態(tài)信號、執(zhí)行器信號、現(xiàn)場總線儀表和微機(jī)綜合保護(hù)裝置等的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對能源站內(nèi)底層設(shè)備的監(jiān)控。

(2) 第二層為LCU，實(shí)現(xiàn)能源站內(nèi)單元設(shè)備的監(jiān)控，大多數(shù)由設(shè)備廠家集成，通過通信網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)及其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并接收來自上位機(jī)系統(tǒng)的指令。

(3) 第三層為中控室上位機(jī)系統(tǒng)、工程師站等，實(shí)現(xiàn)能源站內(nèi)所屬設(shè)備的全面監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲。根據(jù)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)生成各類圖表，既可以一覽站內(nèi)所有設(shè)備的健康信息，對設(shè)備及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，又可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，監(jiān)測節(jié)能減排效果；同時(shí)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)提出對應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行策略，或者人工根據(jù)生成的圖表分析找出節(jié)能空間，不斷優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，提高效率。

(4)第四層為信息管理層，主要是云端通信工作站，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目遠(yuǎn)程集中監(jiān)視，或通過手機(jī)客戶端進(jìn)行信息推送，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地監(jiān)測。

3 具體應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目的建筑面積約為18萬m2，原采用市政供熱和燃?xì)庹婵斟仩t結(jié)合供熱，采用電制冷機(jī)組供冷，每年供冷、供熱費(fèi)用約為1 050萬元，建設(shè)了天然氣分布式能源站后，每年可節(jié)省約400萬元的運(yùn)行費(fèi)用。

該項(xiàng)目由1臺2 MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組、1臺2 326 kW帶補(bǔ)燃的余熱溴化鋰機(jī)組和2臺4 t/h調(diào)峰用的燃?xì)庹婵斟仩t組成，其控制系統(tǒng)主要控制對象為：

(1) 2 MW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組及2 326 kW余熱溴化鋰機(jī)組和各自的輔助設(shè)備。

(2) 2臺4 t/h燃?xì)庹婵斟仩t及其輔助設(shè)備。

(3) 儲能設(shè)備及其輔助設(shè)備。

(4) 10 kV開關(guān)設(shè)備、站用變壓器、低壓配電系統(tǒng)。

(5) 全廠公用設(shè)備(能源站化水、補(bǔ)水、水泵等)。

(6) 工作照明及事故照明系統(tǒng)。

(7) 燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)、消防接口信號。

該能源站采用了基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)，具體見圖2。

圖2 基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)

3.2 上位機(jī)系統(tǒng)功能

能源站控制級配置2臺操作員工作站負(fù)責(zé)能源站的運(yùn)行操作。2臺操作員工作站結(jié)構(gòu)完全相同，互為熱備用，1臺監(jiān)控發(fā)電機(jī)組及電氣系統(tǒng)，1臺監(jiān)控工藝系統(tǒng)。

操作員工作站承擔(dān)實(shí)時(shí)采集能源站主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)，對各控制點(diǎn)和監(jiān)視點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自動安全監(jiān)測、事故報(bào)警、運(yùn)行日志記錄等功能；同時(shí)，操作員工作站還承擔(dān)運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)采集和處理、與各LCU通信、能源站發(fā)電機(jī)組控制、供冷供熱工藝設(shè)備控制等任務(wù)，進(jìn)而完成全站的電氣系統(tǒng)監(jiān)控和工藝系統(tǒng)監(jiān)控。

工程師工作站負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的日常維護(hù)和數(shù)據(jù)分析工作，該項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)及各主設(shè)備的實(shí)時(shí)能效的統(tǒng)計(jì)和分析計(jì)算，并建立數(shù)據(jù)庫存儲相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，其主要功能為：對實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行能耗及費(fèi)用進(jìn)行分析以協(xié)助業(yè)主及時(shí)了解運(yùn)行成本變化；對相關(guān)物理量進(jìn)行趨勢圖分析以直觀反映關(guān)鍵參數(shù)變化；對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可作為優(yōu)化運(yùn)行的依據(jù)。

3.3 發(fā)電機(jī)組LCU

能源站設(shè)有1套發(fā)電機(jī)組LCU，除機(jī)組配套的保護(hù)及控制裝置外，還可實(shí)現(xiàn)多同期點(diǎn)并網(wǎng)，以及能源站高低壓配電柜等設(shè)備的監(jiān)控調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)采集處理，并完成與上位機(jī)及其他LCU的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)發(fā)電機(jī)組LCU與能源站級系統(tǒng)失去聯(lián)系時(shí)，由發(fā)電機(jī)組LCU獨(dú)立完成對所屬設(shè)備的監(jiān)控，包括在現(xiàn)地由操作員進(jìn)行手動控制和LCU對所屬設(shè)備的自動控制。

3.3.1 同期并網(wǎng)系統(tǒng)

能源站并網(wǎng)的同期方式分為手動準(zhǔn)同期及自動準(zhǔn)同期。該能源站內(nèi)，發(fā)電機(jī)出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯(lián)絡(luò)路斷路器均作為同期點(diǎn)，其中10 kV(或0.4 kV)出線斷路器作為常用同期點(diǎn)。

能源站設(shè)置1套微機(jī)型自動準(zhǔn)同期裝置，作為發(fā)電機(jī)出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯(lián)絡(luò)路斷路器自動準(zhǔn)同期用。能源站設(shè)置1套手動準(zhǔn)同期裝置，作為發(fā)電機(jī)出口斷路器、10 kV(或0.4 kV)出線斷路器、母線聯(lián)絡(luò)路斷路器同期合閘的備用方式。

3.3.2 發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)

發(fā)電機(jī)調(diào)速和勵(lì)磁系統(tǒng)均由發(fā)電機(jī)廠家配套供給，具有并網(wǎng)前自動跟蹤系統(tǒng)頻率、穩(wěn)定運(yùn)行功能，并網(wǎng)后接收能源站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有功(或無功)調(diào)節(jié)命令的功能，同時(shí)配有通信接口，可以與能源站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)交換信息。

3.3.3 低周低壓減載

能源站內(nèi)設(shè)置低周低壓減載模塊，可以與能源站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)交換信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)事故斷電時(shí)及時(shí)減載，增強(qiáng)解列后暫態(tài)過程及孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.3.4 逆功率限制

該能源站設(shè)計(jì)的運(yùn)行方式為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”、“自發(fā)自用”。能源站和電力系統(tǒng)連接的線路出口斷路器均設(shè)逆功率限制裝置，當(dāng)能源站使用電網(wǎng)功率小于設(shè)定值時(shí)發(fā)出預(yù)警并減少發(fā)電機(jī)出力，當(dāng)能源站使用電網(wǎng)功率小于限值時(shí)發(fā)出跳閘和電網(wǎng)解列運(yùn)行指令。

3.4 公用設(shè)備LCU

該能源站設(shè)置1套監(jiān)控工藝設(shè)備的公用設(shè)備LCU，完成能源站工藝主設(shè)備及附屬設(shè)備、公用設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)測，以及按照工藝邏輯控制各主輔設(shè)備的啟停及數(shù)據(jù)采集和處理，并完成與上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，上傳被控對象的正常運(yùn)行工況和事故工況的數(shù)據(jù)，執(zhí)行上位機(jī)下達(dá)的指令。公用設(shè)備LCU負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本的順序控制，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時(shí)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。公用設(shè)備LCU可實(shí)現(xiàn)各主機(jī)系統(tǒng)啟停的順序控制，包括發(fā)電機(jī)組、余熱溴化鋰機(jī)組、燃?xì)庹婵斟仩t等主機(jī)設(shè)備及其外圍相關(guān)設(shè)備(如水泵、冷卻塔、閥門等設(shè)備)的順序啟?？刂疲约皺C(jī)房風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水系統(tǒng)、電氣接入系統(tǒng)、燃?xì)饨尤胂到y(tǒng)、燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)等的監(jiān)控。聯(lián)鎖控制主要包括主機(jī)啟停與相應(yīng)水泵啟停的順序聯(lián)鎖、余熱溴化鋰機(jī)組啟停與缸套水三通閥的聯(lián)鎖、缸套水和中冷水溫度與相應(yīng)閥門和風(fēng)機(jī)的聯(lián)鎖、余熱溴化鋰機(jī)組啟停與煙氣旁通閥的聯(lián)鎖等。

以發(fā)電機(jī)和余熱溴化鋰機(jī)組順序的啟停為例，可以設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)-余熱溴化鋰機(jī)組整套系統(tǒng)的一鍵啟動程序。發(fā)電機(jī)和余熱溴化鋰機(jī)組的啟停順序分別見表1和表2。

表1 發(fā)電機(jī)的啟停順序

表2 余熱溴化鋰機(jī)組的啟停順序

首先，操作人員在上位機(jī)的人機(jī)界面單擊“發(fā)電機(jī)-余熱溴化鋰機(jī)組一鍵啟動”按鈕后，由DCS判斷當(dāng)機(jī)組處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)時(shí)，下發(fā)啟機(jī)指令至發(fā)電機(jī)和余熱溴化鋰機(jī)組的主機(jī)LCU；然后，由主機(jī)LCU完成自檢工作并向DCS反饋檢查狀態(tài)，輔機(jī)設(shè)備狀態(tài)正常后，DCS確認(rèn)執(zhí)行發(fā)電機(jī)啟機(jī)指令，發(fā)電機(jī)正常啟動運(yùn)行并將運(yùn)行狀態(tài)反饋至DCS；最后，由DCS確認(rèn)向余熱溴化鋰機(jī)組下達(dá)啟機(jī)指令，待收到余熱溴化鋰機(jī)組反饋的正常運(yùn)行信號后，人機(jī)界面顯示完成發(fā)電機(jī)-余熱溴化鋰機(jī)組整套順序啟動程序。

3.5 電力綜保LCU

天然氣分布式能源站涉及到與市電的并網(wǎng)運(yùn)行，對于電控系統(tǒng)電源可靠性的要求很高，該能源站設(shè)置1套電力綜保LCU負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)電氣系統(tǒng)微機(jī)綜合保護(hù)裝置的運(yùn)行。

該能源站設(shè)置1套直流系統(tǒng)對微機(jī)保護(hù)裝置、控制屏等設(shè)備、直流動力負(fù)荷和直流事故照明負(fù)荷供電。直流系統(tǒng)的電壓采用220 V，充電/浮充電裝置采用(n+1)高頻開關(guān)電源，蓄電池采用閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池。

3.6 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

3.6.1 系統(tǒng)聯(lián)鎖及安全保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組LCU、公用設(shè)備LCU、電力綜保LCU等通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收并存儲運(yùn)行數(shù)據(jù)。一方面，當(dāng)某些參數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)限值時(shí)，安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)動作，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的邏輯程序執(zhí)行相應(yīng)動作，通過調(diào)整參數(shù)或啟/停設(shè)備使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，同時(shí)在人機(jī)界面彈出相應(yīng)的提示信息，提醒運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行檢查；另一方面，操作人員通過上位機(jī)系統(tǒng)下發(fā)順序控制指令，協(xié)調(diào)各LCU完成順序控制。

3.6.2 系統(tǒng)功能的優(yōu)化

該能源站所采用的基于DCS的天然氣分布式能源電控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)能源站內(nèi)多個(gè)主機(jī)設(shè)備的分散控制和集中管理，具體表現(xiàn)為：

(1) 在系統(tǒng)擴(kuò)展方面，基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)可以為分期建設(shè)的項(xiàng)目提供較為便利的擴(kuò)展接口，并且擴(kuò)展時(shí)不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行。

(2) 在操作運(yùn)行方面，將原本分散的多個(gè)主機(jī)設(shè)備的現(xiàn)地控制系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，便于運(yùn)行人員的操作及故障信息的接收和處理，通過設(shè)備臺賬等信息可以按期維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備及更換元件。

(3) 在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)化方面，集成能源管理子系統(tǒng)，對采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出各類指標(biāo)，如耗氣量和污染物減排量，以及制冷、供暖及熱水系統(tǒng)的能耗指標(biāo)；此外，可以計(jì)算并顯示相關(guān)的能源費(fèi)用；通過各項(xiàng)能耗指標(biāo)及能源費(fèi)用的收支分析提出相應(yīng)的運(yùn)行策略建議，或根據(jù)生成的曲線人工進(jìn)行分析比對，找出節(jié)能空間，提升系統(tǒng)的利用效率及經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

根據(jù)天然氣分布式能源系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，提出了基于DCS的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)，從控制對象、上位機(jī)系統(tǒng)、同期并網(wǎng)單元、發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)、逆功率限制等方面說明了該能源站中各LCU的具體功能。經(jīng)實(shí)踐證明采用DCS架構(gòu)的天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)對能源站高效協(xié)調(diào)和安全運(yùn)行起到了較好的作用，對后續(xù)天然氣分布式能源站電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建設(shè)具有一定的參考意義。