火電廠智能自動控制的技術(shù)路線

火電廠智能自動控制的技術(shù)路線計算機分散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem-DCS）在發(fā)電廠中已經(jīng)普及應用，我們國家DCS的硬件水平早就躋身世界先進行列，但在機組控制應用軟件方面與先進工業(yè)國家相比還是有明顯的落差。1985年，從先進工業(yè)國家引進的350MW及以上等級燃煤機組中設計有數(shù)字式智能自動化系統(tǒng)（DIASYSDigitalIntelligentAutomaticSystem），APS（AutomaticProcedureStart-up／Shut-down-機組程序自動啟停系統(tǒng)）和FCB（FCB-FastCutBacke-鍋爐快速減出力）功效作為DCS熱工控制的原則配備。一、先進控制的內(nèi)涵當代大型火電燃煤機組熱工自動控制的頭上有兩顆刺眼的明珠，一種是APS，另一種就是FCB。兩者都采用當代控制理論構(gòu)建了高度自動化和智能化的控制功效。1.APSAPS是依靠DCS能夠在燃煤機組規(guī)定的運行區(qū)間內(nèi)分階段遞進導引熱工控制系統(tǒng)完畢機組啟動或停止的自動程序控制，是當代電廠高度自動化、智能化的標志。這是由于，想要實現(xiàn)APS，全部參加APS的熱工控制必須含有“一鍵啟?！钡幕灸芰?，APS的先進控制令MCS、SCS、CCS等熱工控制系統(tǒng)的工作方式、控制方略和邏輯模塊在智能化方面有了脫胎換骨的變革。APS因DSS（每日啟停）方式應運而生，因APS而極大地提高了機組的熱工自動化水平，智能化的熱工自動控制成就了APS，相得益彰，增進了燃煤機組的安全、經(jīng)濟運行。APS也就成為評價電廠生產(chǎn)技術(shù)管理、熱工控制和機組運行水平高低的一種原則。即便電廠不是DSS運行方式，APS同樣值得大力推廣應用。2.FCB機組在高于鍋爐最低穩(wěn)燃負荷工況下正常運行時，因汽輪發(fā)電機組（內(nèi)部）或電網(wǎng)（外部）突發(fā)故障造成發(fā)電機與電網(wǎng)解列，甩掉全部對外供電實發(fā)功率，但鍋爐尚未發(fā)生MFT（MasterFuelTrip－主燃料跳閘）的瞬間，用以快速減少鍋爐出力維持“發(fā)電機解列帶廠用電”或“停機不停爐”運行方式且過程中能確保熱力參數(shù)不超出保護動作值的超馳控制功效。過往FCB的實踐充足證明，F(xiàn)CB“功在電網(wǎng)、利在電廠”。在電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電事故時，發(fā)電廠運用FCB功效“保廠用電”維持“孤島運行”，有助于電網(wǎng)在最短的時間內(nèi)恢復正常供電，其社會效益無法用簡樸的數(shù)字來預計，更有助于電廠提高機組運行安全水平、減少運行成本、延長機組壽命、避免超臨界直流爐爆管以及提高機組的節(jié)能效果。3.先進控制的特點DCS邏輯引入智能化模塊，在模擬量自動調(diào)節(jié)（MCS）回路中已經(jīng)全方面采用“傻瓜自動”，在開關(guān)量順控控制（SCS）中也全部應用了“一指聯(lián)鎖”，針對電廠特有的“復變參數(shù)”環(huán)境，采用了“交叉引用、條件自舉”控制方略，實現(xiàn)了熱工控制系統(tǒng)的“一鍵啟?！?。近些年來，在世界范疇內(nèi)，許多國家都在火力發(fā)電廠燃煤機組招標技術(shù)規(guī)范中明確了APS和FCB作為熱工自動控制的必備功效，列入機組商業(yè)運行的考核項目，足以見得各國對燃煤機組APS的信任程度，形成一種應用先進技術(shù)的潮流，同時也表明APS和FCB已經(jīng)是一種非常實用的控制技術(shù)。二、國內(nèi)DCS應用現(xiàn)狀那么國內(nèi)電廠DCS應用控制的現(xiàn)狀是如何的呢？控制理念、邏輯方略和應用軟件仍停留在上個世紀八十年代初的水平。1.設備聯(lián)鎖絕大多電廠聯(lián)鎖設備的運行、備用和聯(lián)鎖開關(guān)的投、切以及狀態(tài)監(jiān)測、鑒定等互有關(guān)聯(lián)的一系列操作都由人工完畢。設備聯(lián)鎖人工投入時，①手動啟動第一臺設備，②待工藝參數(shù)穩(wěn)定，再手動合閘聯(lián)鎖開關(guān)，第二臺設備投入聯(lián)鎖備用。切除時，③停止在運設備前，人工先行手動斷開聯(lián)鎖開關(guān)，切除備用設備聯(lián)鎖，④手動操作停止在運設備。這是軟鍵盤的操作硬開關(guān)的方略。2.模擬量自動調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)回路“手動／自動”的投切、調(diào)節(jié)器“手動”投“自動”之前調(diào)節(jié)器入口偏差的糾正，一切都要由人工判斷、人工決策和人工操作。與1975年代DDZ-Ⅱ電動單元組合儀表時代的操作沒有本質(zhì)區(qū)別，只但是操作平臺換成了DCS。3.次序自動控制SCS順控與MCS調(diào)節(jié)分別自成體系獨立存在，互相間缺失邏輯交集，步進過程中開關(guān)量自動控制和模擬量手動操作各行其是，形成不了有機關(guān)聯(lián)的整體而減少了自動控制性能。次序控制、自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)共處同一工藝系統(tǒng)時，在次序自動控制進程中，自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)的投、切時機要依靠操作人員來觀察、鑒定，并只能隨著著次序控制的自動步序人工伺機手動操作，把自動聯(lián)鎖和自動調(diào)節(jié)工作方式由“手動”轉(zhuǎn)向“自動”，手動操作與自動次序控制形成了“混搭”現(xiàn)象，既減少了工藝系統(tǒng)的自動化水準，又給系統(tǒng)控制安全帶來不擬定的風險。4.熱工系統(tǒng)“一鍵啟停”由于以上1.2.3.三方面應用軟件的缺點和局限性，現(xiàn)在電廠熱工控制系統(tǒng)尚不能實現(xiàn)“一鍵啟?！?。5.APS熱工系統(tǒng)“一鍵啟?！笔菍崿F(xiàn)APS的基礎(chǔ)，沒有基礎(chǔ)，無法構(gòu)建APS。6.FCB數(shù)年來，在控制理念方面存在較大錯誤認知，設備配備等方面受某些進口機組誤導，300MW等級及以上容量機組的FCB基本上處在空白狀態(tài)。三、先進控制推動規(guī)劃總體的指導思想：明確目的、全方面規(guī)劃、扎實基礎(chǔ)、分步實施。1.目的與規(guī)劃充足運用DCS硬件優(yōu)勢，對的把握當代科技發(fā)展動向，對標先進工業(yè)國家電廠先進控制水平，結(jié)合國內(nèi)實際狀況，功夫下在應用軟件的開發(fā)研制上，APS和FCB即使是一種復雜的熱工控制系統(tǒng)，但APS和FCB也有自己的形成過程，只要找出APS和FCB的內(nèi)在的特性和規(guī)律，合理規(guī)劃APS和FCB的設計和實施計劃，完全能夠事半功倍。力求在三到五年時間能夠成功地全方面應用APS和FCB，實現(xiàn)電廠的“先進控制”。2.分步實施(1)智能化模塊攻關(guān)重要涉及下列基礎(chǔ)智能模塊和邏輯：1）模擬量三態(tài)式切換邏輯；2）超馳糾偏邏輯；3）開關(guān)量設備的本安開關(guān)邏輯；4）缺省自動選擇器邏輯；5）開關(guān)量和模擬量控制的“交叉引用、條件自舉”原則方略。(2)智能模塊構(gòu)建應用邏輯1）模擬量“傻瓜自動”模擬量自動調(diào)節(jié)回路“三態(tài)式自舉切換”，采用控制裝置品質(zhì)條件以及工藝設備狀態(tài)條件自舉轉(zhuǎn)換自動調(diào)節(jié)回路的工作方式，與“超馳糾偏”無縫銜接，模擬量調(diào)節(jié)回路從手動到自動的過程只需通過一次人工操作，后續(xù)的控制都由算法邏輯自動完畢，我們稱這種智能化、人工操作簡便的MCS為“傻瓜自動”。一臺600MW等級的燃煤機組大概有110個模擬量自動調(diào)節(jié)回路。2）開關(guān)量“一指聯(lián)鎖”自動聯(lián)鎖要含有聯(lián)鎖設備狀態(tài)監(jiān)測、鑒定的“思維”能力和“聯(lián)鎖開關(guān)投、切”的自動操作，還應含有在運設備記憶、電氣聯(lián)鎖、熱工聯(lián)鎖、異常自檢等功效。人工操作也簡化成一次完畢，猶如操作一部“傻瓜相機”。我們定義這種自動聯(lián)鎖為“一指聯(lián)鎖”。(3)熱工控制系統(tǒng)“一鍵啟?！?）鍋爐SCS規(guī)劃有①鍋爐給水、②給水泵小汽機潤滑油油／蒸汽、③鍋爐風煙、④鍋爐一次風、⑤鍋爐爐水循環(huán)泵、⑥鍋爐排空氣與疏水、⑦輔助蒸汽、⑧輕油、⑨鍋爐燃燒器管理系統(tǒng)（BMS）等共9個系統(tǒng)。BMS內(nèi)含鍋爐制粉系統(tǒng)的“一鍵啟?！?。2）汽機SCS；規(guī)劃有：①汽輪機凝結(jié)水系統(tǒng)、②循環(huán)水／閉式冷水系統(tǒng)、③汽輪機凝汽器真空系統(tǒng)、④低壓給水加熱系統(tǒng)、⑤高壓加熱給水系統(tǒng)、⑥汽輪機盤車系統(tǒng)、⑦汽輪機透平油系統(tǒng)、⑧汽輪機疏水系統(tǒng)、⑨發(fā)電機輔助系統(tǒng)等9個系統(tǒng)。3）機爐輔助系統(tǒng)除參加APS以外的鍋爐、汽機輔助系統(tǒng)開關(guān)量控制。(4)構(gòu)建APS與FCB1）構(gòu)建APS有了模擬量調(diào)節(jié)M/A站的“三態(tài)式”切換+PID調(diào)節(jié)器的“超馳糾偏”，就有了MCS的“傻瓜自動”。有了開關(guān)量控制的“本安操作開關(guān)”+“缺省自動選擇器”，就有了SCS的“一指聯(lián)鎖”。有了MCS的“傻瓜自動”和SCS的“一指聯(lián)鎖”，就能實現(xiàn)程序控制的“一鍵啟?！薄Ｓ辛顺绦蚩刂频摹耙绘I啟?！?，就有了構(gòu)建APS的堅實基礎(chǔ)，APS也就水到渠成。2）構(gòu)建FCBFCB實現(xiàn)兩種控制功效：①機組負荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負荷+5%ECR），汽輪機因故障跳閘，但鍋爐沒有MFT，停機不停爐。因機組內(nèi)部因素引發(fā)汽機跳閘而觸發(fā)FCB動作。②機組負荷高于35％ECR（或不投油穩(wěn)燃負荷+5%ECR），發(fā)電機因故障解列，但汽輪機轉(zhuǎn)速仍高于2950rpm，且鍋爐沒有MFT，發(fā)電機解列帶廠用電。因電網(wǎng)故障造成發(fā)電機解列觸發(fā)FCB。建議采用“排導法”實現(xiàn)FCB。汽輪機宜配備容量40%MCR汽機高旁+45%MCR低旁，鍋爐配備32%MCR過熱器PCV閥。PCV閥安裝在鍋爐過熱器聯(lián)箱出口蒸汽管道上，開閥即泄壓；方式簡樸，過熱蒸汽直排大氣，無需減溫，此為“排”。接到FCB指令立刻啟動汽機旁路，則為“導”。鍋爐PCV閥和汽機旁路閥的合力“排導”用于克制機組＞75ECR時的鍋爐壓力飛升，負荷低于75％BMCR，PCV閥不必“排”，只用汽機旁路的“導”，由于鍋爐有足夠的壓力飛升空間。3.核心技術(shù)拓展(1)給水系統(tǒng)“一鍵啟?！卞仩t給水系統(tǒng)從啟動到停止，調(diào)動幾十臺套特性各異的設備，歷經(jīng)十多個工作方式轉(zhuǎn)換，有的過程相對簡樸，有的則相稱復雜。能實現(xiàn)“一鍵啟?！?、“投后不管”這種近乎“傻瓜”機的操作，也絕非運行規(guī)程的原版照排，控制邏輯已經(jīng)含有判斷進程方向、途徑，決定進退、轉(zhuǎn)轍的“自主思考”能力。在APS的導引下，成功實現(xiàn)“一鍵啟?！钡腻仩t給水系統(tǒng)無論在啟停的安全性、快速性、重復穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等方面明顯高于人工操作，即使人工操作遵照了操作規(guī)程，人含有智慧，但人工只能串行操作，DCS能夠并行控制，各有所長。但是，這還只是能力大小的范疇。若賦予DCS起承轉(zhuǎn)合、自主決策的思維程式，哪怕是簡樸的智能邏輯算法，控制功效都會獲得極大地擴展和提高。欲解決復雜的問題，簡樸地采用傳統(tǒng)自動化的辦法已無力應對，采用更高一籌的智能化控制是解決問題的有力工具?！叭龖B(tài)式”模擬量調(diào)節(jié)、缺省自動選擇器、給水泵并/解列糾偏以及給水泵系統(tǒng)啟停的整體統(tǒng)籌是給水系統(tǒng)“一鍵啟?！钡暮诵募夹g(shù)。(2)鍋爐風煙系統(tǒng)“一鍵啟?！卞仩t風煙系統(tǒng)中含有8套自動聯(lián)鎖，工作是缺省聯(lián)鎖自動狀態(tài)。模擬量調(diào)節(jié)應用“一次硬操作、兩次軟邏輯”的功效，在“設備靜止”狀態(tài)，調(diào)節(jié)回路就能夠工作在自動方式，DCS邏輯進行判斷，熱工裝置符合規(guī)定，進入Stand-By，工藝系統(tǒng)滿足規(guī)定，投入自動。開關(guān)量和模擬量信號交叉引用、互為因果，兩者融為一體實現(xiàn)程序控制。次序控制和模擬量調(diào)節(jié)無縫銜接，超馳控制，自動糾偏，鍋爐風煙系統(tǒng)完畢“一鍵啟?！?。(3)鍋爐制粉系統(tǒng)“一鍵啟?！卞仩t制粉系統(tǒng)被控對象現(xiàn)有開關(guān)量又有模擬量，控制方式現(xiàn)有次序控制又有回路自動調(diào)節(jié)，并且設備次序啟停過程中，模擬量自動調(diào)節(jié)也在適時投入工作。因此，我們把鍋爐制粉系統(tǒng)控制訂義為：復變參量程序控制。制粉系統(tǒng)一鍵啟停的識別原則是：1）模擬量自動調(diào)節(jié)回路須能從工藝系統(tǒng)停止狀態(tài)至設備正常運行“自舉自動”。調(diào)節(jié)器定值隨動給定、偏差自動糾偏，從開環(huán)控制自動地投入閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，設備啟動前調(diào)節(jié)回路即可投入自動。2）開關(guān)量設備在設備級須有手動操作和自動控制兩種工作方式。杜絕次序控制過程中的手動/自動混搭現(xiàn)象，確保自動控制功效本質(zhì)安全。3）開關(guān)量設備冗余聯(lián)鎖須智能選擇、自動投入和切除，自動聯(lián)鎖投入時機應在設備啟動前。如果換一種說法，就是一旦按下制粉系統(tǒng)程序控制的“啟動”或“停止”按鈕，一切皆由自動裝置（DCS）自動控制和調(diào)節(jié)，運行操作人員只需動眼不必動手，制粉系統(tǒng)即可設備啟動、鋪煤、制粉乃至吹掃，實現(xiàn)全過程、全工況、全自動運行。(4)鍋爐超前加速BIR鍋爐超前加速（BoilerInputRating，BIR）控制在鍋爐設備硬件不做變化的前提下，運用熱工控制方略動態(tài)加緊鍋爐適應不同運行工況，充足應用DCS的軟實力，縮短鍋爐出力、壓力和溫度反映時間，與汽輪機工作更加協(xié)調(diào)，有助于火力發(fā)電廠燃煤機組提高供電質(zhì)量，是一種經(jīng)濟實用的技術(shù)。國外先進工業(yè)國家對BIR的應用研究已經(jīng)做得非常進一步和細致，現(xiàn)有理論指導，更有現(xiàn)場實踐，獲得廣泛應用。BIR含有三方面的技術(shù)特點，第一，控制的全方面性，不同于某些設計，僅在個別調(diào)節(jié)回路中加入前饋信號，BIR一經(jīng)動作立刻全方面發(fā)動，鍋爐燃燒、減溫調(diào)節(jié)等二十多個回路參加。第二，調(diào)節(jié)的針對性，每個調(diào)節(jié)回路設計有的放矢地調(diào)節(jié)控制對象，各自不同，但為實現(xiàn)整體目的又都異曲同工。第三，數(shù)據(jù)的實踐性，大量應用函數(shù)構(gòu)建控制方略框架，這些函數(shù)源于現(xiàn)場通過驗證的實驗成果。也正是這些實用性的特點，為發(fā)揮電廠多專業(yè)協(xié)作提供了有利條件。(5)全程CCS機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CoordinatedControlSystem，CCS）是機組重要的模擬量調(diào)節(jié)回路，CCS是實現(xiàn)APS全工況、全過程、全自動必不可少的支柱，擴展CCS的調(diào)節(jié)功效，創(chuàng)新“汽輪機高旁自動跟隨”（BER）方式，向負荷低端擴展機爐協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了CCS主汽壓力調(diào)節(jié)的全程覆蓋，CCS能夠?qū)崿F(xiàn)主汽壓力全程自動調(diào)節(jié)，為APS的成功奠定基礎(chǔ)。(6)APS一種完整的控制裝置，普通都由調(diào)節(jié)或邏輯運算功效的控制器和測量輸入、指令輸出的I/O接口構(gòu)成，例如DEH、SCS、MCS等系統(tǒng)。APS則獨具特點，控制功效全部靠軟件完畢，沒有任何一種硬接線的I/O接口，不會去直接控制某一臺具體設備的合閘、分閘，只與協(xié)同的控制系統(tǒng)進行信息和指令交換，起到機組啟、?？刂频南到y(tǒng)導引（Guid）作用，自然而然的控制邏輯位居系統(tǒng)的頂層。打一種比方，APS更像一種交響樂隊的指揮，樂隊指揮固然不會去演奏某件樂器，手中的指揮棒卻能舞動樂隊演奏的旋律。BMS、MCS、DEH、SCS等則好比樂隊的樂手，各自用心操練一件樂器。樂隊指揮和樂手相輔相成，高水準的樂手才有高水平的演奏效果，再加上樂隊指揮高水平的演繹，方能奏出優(yōu)秀的樂章。如果我們稱帶有I/O接口的控制系統(tǒng)為“驅(qū)動型”的，APS的控制就是“指導型”的。APS會根據(jù)機組啟停的節(jié)奏分步給出系統(tǒng)將要實現(xiàn)的目的，發(fā)出的指令能夠看做是對多個功效控制發(fā)揮作用的“導引”，協(xié)同調(diào)度驅(qū)動型的控制系統(tǒng)，由驅(qū)動型的控制系統(tǒng)去“實戰(zhàn)”，執(zhí)行啟、停有關(guān)的裝置和設備。執(zhí)行的效果要依靠驅(qū)動型系統(tǒng)的控制水平來獲取。因此，首先要提高功效控制的自動化水平。相對于過往傳統(tǒng)設計，圍繞APS需要開發(fā)多個帶有“人工智能”的新型控制方略。(7)FCB實現(xiàn)FCB重要有下列難度：1）運行工況嚴酷，成功的可能僅存瞬息由于突發(fā)故障，機