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摘要：本文介紹了柴油機發(fā)電站的類型及其工藝系統(tǒng)組成，分析了主流柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)特點。針對海外項目的特點，闡述其控制系統(tǒng)設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：柴油機發(fā)電站；重油；輕油；海外；控制系統(tǒng)

Abstract: This paper introduces the classification of diesel power  station and its process systems composition, and analyzes the control  characteristics of several mainstream brand diesel generator sets.  According to the characteristics of overseas project, the key points of  control system design are described.

Key Words: Diesel power station; Heavy fuel oil (HFO); Light fuel oil  (LFO); Overseas; Control system

  1　引言

一直以來，在亞非拉等“一帶一路”沿線發(fā)展中國家和地區(qū)飽受電力短缺的困擾，而近年來石油價格長期在低位徘徊，屢創(chuàng)新低的狀況使這些地區(qū)解決用電短缺迎來曙光，以輕油和重油為燃料，具有設(shè)備可靠性高、單機容量適中、燃油經(jīng)濟性較好和建設(shè)周期短等特點的柴油機電站契合了他們的需求，可為當?shù)厝嗣裆詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)臨時供電或永久供電。

早在上個世紀90年代中期我國就逐漸淘汰了柴油 機發(fā)電站，工程設(shè)計相關(guān)手冊和規(guī)范更新基本停滯，實施過程中處于無規(guī)可依的狀態(tài)。本文根據(jù)海外柴油機發(fā)電站設(shè)計經(jīng)驗，介紹了柴油機發(fā)電站的類型及其工藝系統(tǒng)組成，分析了主流柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)特點，并 針對海外項目的特點，闡述其控制系統(tǒng)設(shè)計要點，期望能為參與海外柴油機發(fā)電站工程人員提供借鑒。

2　柴油機發(fā)電站的類型及工藝系統(tǒng)組成

2.1　柴油機發(fā)電站的類型

柴油機發(fā)電站分類方法眾多。按選用的柴油機轉(zhuǎn)速，可分為高、中速柴油機型；按選用的燃料，可分為輕油型、重油型、原油型和燃氣（天然氣和伴生氣等） 型；按選用的燃料種類數(shù)，可分為單燃料型、雙燃料型和多燃料型；按供電類型，可分為臨時供電型和永久供電型；按建構(gòu)物形式，可分為箱式型和廠房型；按建站 地址，可分為陸用型和海用型；按柴油機冷卻方式，可分為空冷型、直流冷卻型和二次閉環(huán)循環(huán)冷卻型。目 前，海外柴油機發(fā)電站類型呈現(xiàn)如下特點：

（1）陸用居多；

（2）臨時供電和永久供電占比均等；

（3）臨時供電多采用集裝箱或靜音箱式高速柴油 機，永久供電多采用中速柴油機，布置在廠房內(nèi)；

（4）高速柴油機多采用輕油為燃料，少量采用燃氣為燃料。中速柴油機多采用重油為主燃料，輕油為備 用燃料；

（5）以空冷為主，極少二次閉環(huán)循環(huán)冷卻和直流 冷卻。

2.2　柴油機發(fā)電站的工藝系統(tǒng)組成

柴油機發(fā)電站與常規(guī)電站控制系統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別在于工藝系統(tǒng)差別，能否熟練掌握不同類型柴油機發(fā)電站的工藝系統(tǒng)，是控制系統(tǒng)能否正常投運的關(guān)鍵。高速柴油機的工藝系統(tǒng)相對較簡單，可參照國內(nèi)應(yīng)急柴油機發(fā) 電項目和冷熱電三聯(lián)供分布式能源項目。本文重點介紹典型的以重油為主燃料，輕油為備用燃料，采用空冷布置在廠房內(nèi)的陸用中速柴油機發(fā)電站工藝系統(tǒng)。

2.2.1　燃料系統(tǒng)

通常，重油由汽車運至發(fā)電站內(nèi)，通過重油卸油泵輸送至罐區(qū)重油儲罐儲存。首先，重油儲罐內(nèi)的重油經(jīng)輸送泵送到重油中間油罐內(nèi)，接著重油中間油罐內(nèi)的重油進入重油分離模塊進行分離，然后輸送至重油日用油罐。分離出來的渣油用渣油泵輸送至渣油罐儲存。最后重油日用油罐內(nèi)的重油進入重油供油模塊 向柴油機增壓模塊供油，重油供油模塊一般設(shè)置柴油置換接口。重油相關(guān)的儲罐和設(shè)備需要蒸汽加熱、管道需要蒸汽伴熱。

通常，輕油由汽車運至發(fā)電站內(nèi)，通過輕油卸油泵輸送至罐區(qū)輕油儲罐儲存。儲油罐內(nèi)的輕油經(jīng)輕油供油模塊向柴油機增壓模塊供油。若配置黑啟動柴油機和啟動鍋爐，其燃料也由輕油系統(tǒng)提供。

2.2.2　潤滑油系統(tǒng)

通常，潤滑油由汽車運至發(fā)電站內(nèi)，通過潤滑油卸油泵輸送至罐區(qū)潤滑油儲罐儲存。潤滑油儲罐內(nèi)的潤滑油經(jīng)潤滑油泵向柴油機供油。

2.2.3　單元機組（發(fā)動機和發(fā)電機）輔助系統(tǒng)和設(shè)備

單元機組輔助系統(tǒng)主要包括：增壓模塊、潤滑油 分離模塊、潤滑油預(yù)供泵、噴嘴冷卻模塊、預(yù)熱模塊、 進排氣系統(tǒng)、空冷系統(tǒng)、高低溫膨脹水箱和主廠房機組通風(fēng)器等。上述系統(tǒng)和設(shè)備與單元機組本體密切相關(guān)， 由柴油機廠家提供推薦配置系統(tǒng)圖，各品牌柴油機大體類似，但模塊劃分和細節(jié)千差萬別。

2.2.4　其它公用輔助系統(tǒng)

典型的柴油發(fā)電站還配置化水處理系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)、油污水處理系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、啟動鍋 爐系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、鍋爐加藥系統(tǒng)、閉式水加藥系 統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)和黑啟動柴油機等，環(huán)境保護要求嚴格的地區(qū)還配置脫硝系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)。上述 系統(tǒng)與常規(guī)電站項目系統(tǒng)基本相同，不做贅述。

3　主流柴油機發(fā)電機組控制系統(tǒng)特點  

高速柴油機工藝系統(tǒng)簡單，機組控制系統(tǒng)集成性好，除公用輔助系統(tǒng)需要簡單控制外，基本無額外設(shè) 計，本文重點介紹中速柴油機控制系統(tǒng)的特點。

世界主流品牌中速柴油機生產(chǎn)商有曼恩 （MAN）、瓦錫蘭（Wartsila）和卡特比勒（CAT） 等，均在國內(nèi)有許可生產(chǎn)商或者代理商。其中，曼恩 （MAN）有8家；瓦錫蘭（Wartsila）有3家；卡特比 勒（CAT）有1家[1]。海外柴油機發(fā)電站普遍采用上述 品牌產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)特點分別如下：

3.1　曼恩（MAN）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)特點

曼恩（MAN）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)由機組控制柜（GCP）、發(fā)動機控制柜（ECP）、公用控制柜 （CCP）以及機組輔助控制柜（EAP）、空冷控制柜 （ERP）和控制網(wǎng)絡(luò)組成，控制規(guī)劃圖如圖1所示[2]， 圖中雙向箭頭連接線條代表控制或者電源等硬接線，其余連接線條代表通訊。

圖1 曼恩（MAN）柴油發(fā)電機組控制規(guī)劃圖

其中，機組控制柜（GCP）布置在集控室內(nèi)，柜內(nèi)設(shè)有可編程邏輯控制器（PLC），主要完成對機組及機組輔助系統(tǒng)的控制、保護和監(jiān)視，同發(fā)電機的出口開 關(guān)、中心點接地開關(guān)和全廠監(jiān)控系統(tǒng)相連，同時，也與公用控制柜（CCP）相連，有時，也將余熱鍋爐控制柜 （BCP）納入。

發(fā)動機控制柜（ECP）布置在機組旁，柜內(nèi)設(shè)有發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制器和發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）,是機組和機組控制柜（GCP）的聯(lián)絡(luò)接口，負責(zé)采集機組 的信號，并向機組發(fā)出保護指令，且在緊急情況下，向機組輔助控制柜（EAP）發(fā)出急停信號。

公用控制柜（CCP）布置在集控室內(nèi)，主要完成組網(wǎng)、公用保護、機組間負荷分配調(diào)節(jié)等功能。

機組輔助控制柜（EAP）是一面I/O柜，一般布置 在電子設(shè)備間內(nèi)。主要完成對2.2.3節(jié)中除空冷系統(tǒng)外 的單元機組輔助系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)視和控制。

空冷控制柜（ERP）是一面I/O柜，一般布置在電子設(shè)備間內(nèi)，也可直接布置在距離空冷塔較近的就地電子設(shè)備間內(nèi)。主要完成對2.2.3節(jié)中空冷系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

3.2　瓦錫蘭（Wartsila）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)特點

瓦錫蘭（Wartsila）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)由機組控制柜（Genset control panel）、機組就地 控制柜（Genset local control panel）、公用控制 柜（Common control panel）、機組輔助控制柜 （Genset aux. Control panel）和控制網(wǎng)絡(luò)組成，其 控制規(guī)劃圖如圖2所示[3]，圖中連接線條代表通訊和硬接線。

圖2 瓦錫蘭（Wartsila）柴油發(fā)電機組控制規(guī)劃圖

機組控制柜（Genset control panel）、機組就地控制柜（Genset local control panel）、公用控制 柜（Common control panel）的功能分別與3.1節(jié)中 的GCP、ECP、CCP的功能基本相同，但機組控制柜 （Genset control panel）一般不接入余熱鍋爐控制柜 （BCP）。而機組輔助控制柜（Genset aux. Control  panel）的功能則包括了3.1節(jié)中的EAP和ERP的全部功 能。

3.3　卡特比勒（CAT）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)特點

卡特比勒（CAT）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)由機組控 制柜（GCP）、就地數(shù)據(jù)柜（LDP）、廠控柜（PCP） 和控制網(wǎng)絡(luò)組成，其控制規(guī)劃圖如圖3所示[4]。

圖3 卡特比勒（CAT）柴油發(fā)電機組控制規(guī)劃圖

機組控制柜（GCP）和廠控柜（PCP）的功能分 別與3.1節(jié)中的GCP、CCP的功能基本相同，但機組控制柜（GCP）一般不接入余熱鍋爐控制柜（BCP），且 PCP囊括的功能更廣泛，有全廠監(jiān)控的功能。就地數(shù)據(jù) 柜（LDP）的功能則包括了3.1節(jié)中ECP、EAP和ERP 的全部功能。

4　柴油機發(fā)電站控制系統(tǒng)設(shè)計要點

4.1　全廠控制系統(tǒng)的選擇

分散控制系統(tǒng)（DCS）和可編程邏輯控制器（PLC）已廣泛應(yīng)用于電站全廠控制系統(tǒng)，均能滿足柴油機發(fā)電站的控制要求，一般柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)是 PLC。針對海外項目要求設(shè)備型號統(tǒng)一、備品備件種類少和備品備件易得的特點，可按如下原則進行全廠控制系統(tǒng)的選擇。

（1）如果柴油發(fā)電機組成套商提供了全套機組控制柜，除項目有特殊要求外，建議選擇與柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)同品牌同系列的PLC。

（2）如果柴油發(fā)電機組成套商只提供了發(fā)動機控制柜/機組就地控制柜/就地數(shù)據(jù)柜時，可按經(jīng)濟性適用性原則靈活選用DCS或者PLC。

項目經(jīng)驗表明方式（2），設(shè)計和調(diào)試過程中與成套商全程配合工作量，深入溝通確定的技術(shù)細節(jié)多， 容易出現(xiàn)溝通錯誤，尤其當機組從國外直接采購時，與外方溝通工作量大效率低，甚至影響項目實施進度。 因此，建議采購時盡量選用成套性好的產(chǎn)品，按方式 （1）選擇全廠控制系統(tǒng)。

4.2　全廠控制系統(tǒng)規(guī)劃

全廠控制系統(tǒng)規(guī)劃按工藝保護連鎖要求、功能和位置相近的分區(qū)域分散集中控制的原則進行。

（1）2.2.3中系統(tǒng)和設(shè)備與柴油發(fā)電機組本體一起納入單元機組控制；

（2）2.2.1~2.2.2中系統(tǒng)和設(shè)備以及2.2.4中油污水處理系統(tǒng)一般布置在油罐區(qū)附近，設(shè)油系統(tǒng)控制柜；

（3）化水處理系統(tǒng)設(shè)化水系統(tǒng)控制柜；

（4）生活污水處理系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、消防水系 統(tǒng)一般布置在一個區(qū)域，設(shè)水系統(tǒng)控制柜；

（5）壓縮空氣系統(tǒng)、啟動鍋爐系統(tǒng)、鍋爐加藥系 統(tǒng)、閉式水加藥系統(tǒng)一般布置在主廠房區(qū)域，設(shè)雜項控制柜； （6）脫硝系統(tǒng)和脫硫系統(tǒng)分別單獨設(shè)控制柜；

（7）余熱鍋爐系統(tǒng)視情況納入雜項控制柜或者單元機組控制；

（8）電氣系統(tǒng)設(shè)電氣控制柜。

上述各系統(tǒng)控制柜組網(wǎng)形成全廠控制網(wǎng)絡(luò)，控制 網(wǎng)絡(luò)為雙冗余，并配置相應(yīng)的操作員站、工程師站、服務(wù)器、打印機等人機接口。

4.3　其它注意事項

（1）應(yīng)詳細落實項目所在地對控制系統(tǒng)軟硬件、 自動化水平的具體要求以及運行人員素質(zhì)和操作習(xí)慣等情況，并開展針對性設(shè)計。

（2）部分項目所在地環(huán)境條件惡劣，存在高溫 （低溫）、濕度大、高煙霧或者沙塵天氣頻繁等現(xiàn)象， 需要考慮特殊的防護措施。

（3）全廠裝機容量較小時，可不設(shè)置工程師室， 工程師站和服務(wù)器等可與操作員站等布置在集控室內(nèi)。

（4）柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)的標準化和系列化較成熟，邏輯固化，一般不允許修改。通常，海外項目除機組本體外的其它設(shè)備均為國產(chǎn)，須按柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)的要求進行設(shè)計和采購，如電動機控制，其一般只接受單點控制，即1個DO（啟動/停止），2DI（運 行，故障）。且對觸點常開（NO）常閉（NC）狀態(tài)有明確要求；當電動機變頻時，其一般只接受1個AI（頻 率反饋），1個AO（頻率指令），其它信號均不能接 入。工藝系統(tǒng)中的溫度、壓力和流量等儀表安裝位置和信號類型（模擬量、開關(guān)量或者脈沖量等）也有明確要求。

（5）重油分離模塊、潤滑油分離模塊和增壓模塊等一般自帶小型控制器，硬接點較少，大部分信號以通訊方式傳輸?shù)饺珡S控制系統(tǒng)，因此，全廠控制系統(tǒng)需預(yù)留足夠的通訊接口。

（6）增壓模塊與重油供油模塊和輕油供油模塊之間需設(shè)置直接硬連鎖，即重油供油模塊和輕油供油模塊需將運行狀態(tài)反饋給增壓模塊，作為其允許啟動條件。

（7）通常柴油發(fā)電機組只成套提供控制柜，而不提供連接電纜。其接線圖開列電纜均是歐美線規(guī)，需選擇合適的國標電纜與之對應(yīng)，進行替代。

5　結(jié)束語

本文根據(jù)海外柴油機發(fā)電站設(shè)計經(jīng)驗，對柴油機發(fā)電站的類型及其工藝系統(tǒng)組成進行了介紹，對主流柴油發(fā)電機組的控制系統(tǒng)特點進行了分析，并闡述其控制系統(tǒng)設(shè)計要點。實際上每個海外項目情況千差萬別，需結(jié)合具體項目特點靈活應(yīng)對，綜合考慮技術(shù)合理性、經(jīng)濟可行性和可實施性進行柴油機發(fā)電站控制系統(tǒng)設(shè)計。

作者簡介：

任　林（1981-），男，四川南充人，高級工程師，現(xiàn) 就職于中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，主要研究方向是電廠熱工控制設(shè)計。

常崢嶸（1984-），男，湖南長沙人，工程師，現(xiàn)就職于中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，主要研究方向是電廠工藝設(shè)計。

參考文獻：

[1] 吳繼英. 海外重油箱式電站和廠房式電站分析對比[J]. 工業(yè)工程設(shè)計, 2020, (4) : 117 – 118, 131.

[2] Scheme PLC architecture GCP[M], MAN diesel&turbo SE, 2013.

[3] Automation layout Gas plants (C3) and Oil plants (C2)[M]. Wartsila 2011.

[4] CAT 9CM32C technical specification, Lei Shing Hong machinery (Shanghai) Ltd. 2017.

摘自《自動化博覽》2021年5月刊