热电联产
LN2000-RTU热电联产机组在线监测解决方案

了满足国发办[2007]53号文《节能发电调度办法(试行)》中关于建设热电联产机组在线监测系统的要求, “以热定电”。坚决制止高耗能的小火电机组运行时,供热负荷低却发电量高的不正常情况,山东电力研究院、山东鲁能控制工程有限公司生产得热电联产机组在线检测系统LN2000-RTU已经在山东省六十余家热电厂投入使用。

系统可以把其远程采集终端放在方圆十公里范围内的现场设备附近,通过1根普通的双绞线(CAN现场总线)连接到其远程采集终端,从而对这些设备进行高速遥测或遥控,所以大大降低了电厂的投资和施工量。LN2000-RTU系统也可以通过GPRS无线通讯方式对几百公里外的设备进行遥测或遥控。

LN2000-RTU系统和调度中心的通信方式也是非常灵活的,可以通过光缆也可以通过GPRS无线方式等将数据上传给调度中心,其灵活性和可靠性可以确保该类系统安全地运行、人机界面友好和节省工程投资。

LN2000-RTU系统实际上是DCS系统LN2000的远程I/O装置微型化后转型的一种产品,它主要特点和技术指标:

1.主机功能:

●主机为冗余热备用、具有存储数据的功能的双控制器组成。可以使用IEC-101、IEC-104等规约,通过光缆或GPRS无线方式等将数据上传给省调度中心。

●在上传的通讯出现故障时,主机具有对通信过程监视诊断功能,能根据通道状态判优自动或人工切换主备用通信通道,并有在通信正常后,可以将存储的数据补送省调度中心的功能。

●有GPS时钟接口。可以向其它智能设备校时。

●接受LN2000软件的全面支持,有操作员站的以太网接口。可以在操作员站上使用LN2000软件的人机界面监控系统或输入一些人工检测的数据等。

远程数据采集单元功能:

●采集单元可以远离主机。使用冗余热备用的双CAN现场总线接口与主机高速通讯,与主机使用普通双绞线的通讯速率为5Kbps时,距离可以达到10公里。

●采集单元有GPRS接口。可以使用无线通讯方式和主机通讯。

●数据采集单元信号采集通道的设计容量不受限制;还可以按照要求任意扩充的多个RS485和RS232C通讯接口。

●采集单元的主要特点是有三种采集方式,参见下面的方案:

方案1:采用通讯方式。使用RS232、RS485等接口,使用Modbus或CDT等各种通讯协议与其它系统采集数据;还可以采用冗余热备用的双网卡(10M/100M)通讯方式。通过安全防护隔离装置实现和厂级信息管理系统(MIS或SIS)的数据交流。

方案2:采用硬接线方式。将采集单元安装在现场和任意DCS系统使用其AO输出通道硬接线方式相连采集数据,或直接从现场的变送器采集数据(可以为这些变送器提供独立的24V电源)。

方案3:采用热电联产采集单元(专用采集卡)。利用其采集通道具有的极高输入阻抗或极低输入阻抗的特性直接附在原有的其它系统的采集通道上采集数据,从而在保持原系统可靠性的情况下,降低了电厂的投资。

图1为LN2000-RTU主机和远程数据采集单元各种方案汇总示意图

 

图1.  LN2000-RTU系统各种方案汇总示意图     

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2.软件配置方案

调度主机操作系统采用了先进的Unix+Windows操作系统平台,并使用了与大型商数据库Oracle,以及 MS Office提供的支持。系统应用软件采用C++编写。主机系统采用了Client/Server模式结构,数据库和系统处理功能分布在各个软件模块中。软件模块通过标准数据接口和“软总线(iiNetS)”模块相互联接,并由iiNetS统一管理。独到的软总线技术使各个模块可以随意配置在各个节点机中,而且是“即装即用”的,非常容易扩充和升级。考虑到系统的可用性和安全性,可以在多个节点机上为重要的功能模块配备冗余模块。

管理系统通过基于Internet/Intranet技术的WEB服务器,向调度数据网外发布实时信息。网外用户通过通用的浏览器软件(如IE 6.0等),即可浏览到在线监测系统中的有关实时信息和历史数据,这也是实现机组在线监测系统与MIS系统网络连接的手段。

安全管理系统采用典型的INTRANET结构,与外界的计算机互联采用通过国家鉴定的物理隔离设备、路由器和“防火墙”等网络技术,使SCADA系统可以有效地防止外来黑客的攻击和病毒的感染。如果WEB服务器因遭受攻击而被停止工作,外部计算机无法得到机组监测系统的信息,但机组监测系统仍然可以保持正常运行。

热力计算模型分别采用二种方法实现:

①.正推法[3]: 

1)热效率计算方法:

总热效率 =(供热量(kJ)+供电量(kWh)×3600 kJ/kWh)/ (燃料总消耗量(kg) × 燃料单位低位热值(kJ/kg))×100%;

式中: 供热量(kJ) = ∑(抽汽量(kg)×(抽汽焓(kJ/kg)-回水焓(kJ/kg)))

2)热电比计算方法:

热电比 = 供热量(kJ)/(供电量(kWh)× 3600 kJ/kWh)× 100%;

    采用正推法计算热效率的特点在于锅炉热效率建模简单,计算精度相对较高,现场数据采集量少:除了有关电气参数外,每台机组只需要采集:供热抽/排汽流量、温度、压力,入炉煤量,入煤低位发热量等几个有关热力参数即可。但是现场的采集系统子站需要配有操作员站,并设在运行值长台上,每天上午9点前,由值长人工录入前一天机组的入炉煤量,入煤低位发热量等数据。所以这种方法在统调电厂使用的较多。

②.反推法:

1)热效率计算方法:

总热效率 =(供热量+供电量(kWh)×3600 kJ/kWh)/∑((DzHz –DgHg – DjHj)/ Ng)×100%

式中:

供热量(kJ)–∑(抽汽量(kg)×(抽汽焓(kJ/kg)-回水焓(kJ/kg))),

Dz – 主汽流量(kg/h),热电终端采集

Hz – 主汽焓(kJ/kg),由蒸汽压力、温度查水和水蒸汽热力性质图表取得

Dg – 给水流量(kg/h),热电终端采集

Hg – 给水焓(kJ/kg),由给水压力、温度查水和水蒸汽热力性质图表取得

Dj – 减温水流量(kg/h),热电终端采集

Hj – 减温水焓(kJ/kg),由减温水压力、温度查水和水蒸汽热力性质图表取得

Ng – 锅炉热效率,同实现公式中单一锅炉热效率;

2)热电比计算方法:

热电比 = 供热量(kJ)/(供电量(kWh)× 3600 kJ/kWh)× 100%;

    采用反推法计算热效率的特点在于锅炉热效率建模相对复杂,现场数据采集量多,在一般情况下,给水流量等于主汽流量,可以不用采集;减温水焓在总热量计算中,可根据实际情况决定是否参与计算。这种计算方法不需要配有操作员站,也无需每天由人工录入数据。但是,式中锅炉热效率Ng的确定比较麻烦,这也是这种计算方法误差大小的关键之处:

⑴.对于燃用设计煤种的锅炉而言,可以使用锅炉设计性能曲线(即有对应不同锅炉负荷的多个锅炉设计效率点),采用最小二乘法拟合出锅炉设计性能曲线:

h=he×f1(D/De)                     (1)

式中: h是锅炉设计效率,he是锅炉额定负荷对应的设计效率, D是锅炉负荷,De是锅炉额定负荷,f1( )为拟合函数。

计算锅炉效率直接采用公式(1)。

⑵.对于燃用测定锅炉效率时燃用的煤种并遵循试验时的运行条件的锅炉,可以采用实际运行效率值作为计算锅炉效率:将该锅炉已有实际运行性能曲线(即有对应不同锅炉负荷的多个锅炉实际运行效率点)和对应额定负荷的实际运行效率hes,采用最小二乘法拟合出锅炉实际运行性能曲线

h=hes×f2(D/De)                     (2)

上式中f2( )为拟合函数。

计算锅炉效率直接采用公式(2)。

理论上来说,锅炉热效率主要受到煤种(包括发热量、灰分、水分、挥发分)、运行条件(包括运行氧量、配风情况、煤粉细度、燃料分配)、锅炉型式和锅炉负荷的影响。在炉型确定的情况下,随锅炉燃用煤种、运行条件和负荷的变化,锅炉效率的变化可以达到10%以上,因此,在线计算锅炉效率时,必须在线采集煤种、运行条件和锅炉负荷,以保证在线锅炉效率的准确性。但是,由于现有的技术手段无法实现煤种资料和部分锅炉运行参数的在线采集,热电终端采集仅仅在线采集了锅炉负荷,这必然会导致锅炉效率的准确度大大降低,其误差将有可能达到10%。因此,上述提出的锅炉效率计算方法应在煤质和运行条件相对稳定的情况下使用,否则应重新进行试验确定煤质和运行条件改变后的锅炉效率。

当锅炉燃用煤种和运行条件偏离其适用条件后,锅炉效率会发生明显变化,导致计算锅炉效率误差增大。由于可以不增加操作员站,所以这种方法在非统调的地方电厂(小机组上)使用的较多。

3.运行效果

山东热电联产机组在线监测系统较为重要的一块功能是将各热电厂机组的供热情况、热电比和热效率在网上实时发布。系统的整个部署满足《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》(国家经贸委[2002]第30号令)和《电力二次系统安全防护规定》(国家电力监管委员会5号令)对电网计算机监控系统和系统之间互联的安全要求,符合《全国电力二次系统安全防护总体框架》的有关规定。

热电联产机组在线监测系统属于调度网的安全I区系统,要部署在安全I区; WEB服务器部署在调度网的安全III区。在实时系统和WEB发布功能之间要安装电力系统物理隔离设备。系统的电网模型、图形、运行数据等都在安全III区的WEB服务器上做镜像,其它第三方应用或系统都是和WEB服务器进行数据通信,保证了安全I区的EMS功能的安全性。

山东热电联产机组在线监测系统投入运行后,设立了专职的日常维护人员,负责系统远方终端和主站的检查维护,负责系统软件的修改和完善,保证数据准确可靠。为此,每年也需要有一定的维护预算费用。此外,热电厂设专责人负责现场数据的可靠性。

山东热电联产机组在线监测系统投入运行后,通过实时采集和分析机组运行的动态信息,企业管理明显上了一个档次,通过对生产进行量化控制和有效监管,进而科学合理地安排供热量、发电量计划,大大提高了山东省热电企业的管理水平。

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