電力行業(yè)熱工自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

1、熱工自動化技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展總的來說，熱工自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是高速化、智能化、集成化和透明化。故障信息的研究和充分利用是發(fā)現(xiàn)熱故障診斷和故障預(yù)測的基礎(chǔ)，現(xiàn)場總線的應(yīng)用為熱自動化系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了廣闊的空間。1當(dāng)前電力行業(yè)熱工自動化技術(shù)的發(fā)展隨著世界高科技的迅速發(fā)展和我國機組容量的迅速提高，火電廠熱工自動化技術(shù)在吸收相關(guān)學(xué)科最新成果的基礎(chǔ)上得到迅速發(fā)展和提高，近年來日新月異。一方面，作為機組主要控制系統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)在控制結(jié)構(gòu)和控制范圍上發(fā)生了巨大的變化；另一方面，隨著基于現(xiàn)代控制理論的廠級監(jiān)控管理信息系統(tǒng)(SIS)、現(xiàn)場總線技術(shù)和控制技術(shù)的應(yīng)用，給熱工自動化系統(tǒng)注入了新的活力

2、。1.1集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展隨著火電廠熱工自動化系統(tǒng)的發(fā)展和變化，20世紀集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用正在更新，但現(xiàn)在是集散控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍和功能的迅速擴展。1.1.1集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴大20世紀末，當(dāng)集散控制系統(tǒng)應(yīng)用于我國燃煤機組時，其監(jiān)控功能僅限于集散控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、FSSS和控制系統(tǒng)。即使在2004年發(fā)布的Q/DG1-K401-2004 火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)規(guī)范書中，集散控制系統(tǒng)應(yīng)用的主要功能子系統(tǒng)仍是上述四項，但事實上，近年來集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴大。除了大量高參數(shù)、大容量、不同控制結(jié)構(gòu)的燃煤火電機組(如浙江省玉環(huán)電廠1000兆瓦機組)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)

3、等各種控制子系統(tǒng)的綜合應(yīng)用外，可以說只要該系統(tǒng)在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，DCS就能夠?qū)ζ溥M行可靠的控制。1.1.2機組控制系統(tǒng)一體化的興起隨著一些電廠將發(fā)變組和廠用電系統(tǒng)的控制(ECS)功能納入分散控制系統(tǒng)(DCS)的SCS控制功能范圍，ETS控制功能轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒖刂葡到y(tǒng)(DCS)模塊，DEH和分散控制系統(tǒng)(DCS)的軟硬件合二為一，部分機組的濕法煙氣脫硫控制直接進入機組分散控制系統(tǒng)(DCS)控制的成功運行，標(biāo)志著控制系統(tǒng)隨著分散控制系統(tǒng)(DCS)技術(shù)的發(fā)展而日趨完善和成熟。由于集成減少了信號之間的連接接口和由異常接口和線路引起的傳輸過程故障，減少了備件的種類和數(shù)量，降低了維護工作量和成本，近年來集成控

4、制系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于不同容量的新機組。例如，西屋Ovation系統(tǒng)用于浙江華能玉環(huán)電廠41000兆瓦機組、臺州電廠2300兆瓦機組和安徽豐臺電廠4600兆瓦機組，西門子公司的T-XP系統(tǒng)用于國華鎮(zhèn)能寧海電廠4600兆瓦機組，大唐烏沙山電廠4600兆瓦機組采用I/A系統(tǒng)，浙江樂清電廠4600兆瓦機組采用ABB公司的SYMPHONY系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)集成的實現(xiàn)是電力行業(yè)集散控制系統(tǒng)應(yīng)用功能快速發(fā)展的體現(xiàn)。排除人為因素，控制系統(tǒng)的集成將被越來越多的電廠采用。1.1.3集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年來集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。過去，人們強調(diào)盡可能多地分配控制功能，這導(dǎo)致控制

5、器和接口之間過度使用連接。然而，控制器和接口之間過多的連接可能不會提高系統(tǒng)運行的可靠性，但可能會導(dǎo)致故障停機概率的增加。此外，機組各控制系統(tǒng)之間的信號有著千絲萬縷的聯(lián)系和牽連，一對控制器的故障可能導(dǎo)致機組停機，即使不直接導(dǎo)致停機，也會因失去正確的信號而影響其他控制器的正常工作。因此，隨著控制器功能和容量的倍增，更多的安全措施(包括采用安全控制器)，冗余技術(shù)的采用(集散控制系統(tǒng)的核心部件部分中央處理器采用22個冗余模式)，以及速度和可靠性的提高，集散控制系統(tǒng)正轉(zhuǎn)向適度集中化，多個密切相關(guān)的控制系統(tǒng)和非常復(fù)雜的控制功能集中在一對控制器中，上述單元采用集成控制系統(tǒng)。它正成為集散控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的一個

6、新的發(fā)展方向，不僅減少了故障環(huán)節(jié)，而且由于內(nèi)部信息交換的方便和信息傳輸渠道的減少，提高了可靠性。此外，隨著近年來集散控制系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如采用通用硬件平臺、獨立應(yīng)用軟件系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議、集成可編程控制器、實現(xiàn)現(xiàn)場總線功能、一鍵啟動技術(shù)的成功應(yīng)用等。這些都為集散控制系統(tǒng)增添了新的活力，進一步完善了其功能，拓寬了其應(yīng)用范圍。1.2全廠輔助控制系統(tǒng)走向集中監(jiān)控火力發(fā)電廠有10多個輔助車間。在中國，可編程控制器和上位機組成自己的網(wǎng)絡(luò)，在每個車間的控制室分別控制，因此需要配備大量的操作人員。為了提高外圍設(shè)備的控制水平和勞動生產(chǎn)率，達到減員增效的目的，隨著集散控制系統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信功能的提高，各輔

7、助車間的控制現(xiàn)已適度集中，并集成到一個輔助控制網(wǎng)絡(luò)中(簡稱BOP，工廠平衡的縮寫)，即通過計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成獨立的外圍輔助系統(tǒng)。 在全廠的信息技術(shù)系統(tǒng)上監(jiān)控運行狀態(tài)，實現(xiàn)少人值守或無人值守的外圍控制。近年來，新項目在這方面發(fā)展迅速。例如，國華鎮(zhèn)能寧海電廠一期工程(4600兆瓦)燃煤機組防噴器涵蓋了水、煤、灰等13個輔助車間子系統(tǒng)的監(jiān)控。集中監(jiān)控點設(shè)在四臺機器和一個控制室，打破了全廠輔助車間的傳統(tǒng)運行管理模式，不僅比常規(guī)減少了30%的人員，而且提高了全廠的運行管理水平。整個輔助控制網(wǎng)絡(luò)軟硬件的統(tǒng)一降低了備件庫存和日常管理維護成本。由于取消了幾個本地控制室，基本建設(shè)成本和未來維護成本都有所降低。

8、老廠的一些輔助車間也在進行防噴器改造，其中浙江省第一家是嘉興電廠2300MW機組，取得了良好的效果。1.3變頻技術(shù)的推廣、應(yīng)用和發(fā)展變頻器作為控制系統(tǒng)中重要的功率轉(zhuǎn)換元件，具有提供高性能可變電壓和可控交流電源的特點。在過去的幾年里，它在火電廠小型電機(如給粉機和凝結(jié)水泵)控制中的應(yīng)用發(fā)展迅速。由于變頻調(diào)速不僅在調(diào)速范圍和精度、動態(tài)響應(yīng)速度、低速旋轉(zhuǎn)扭矩、工作效率和方便性等方面顯示出優(yōu)越性，而且由于節(jié)能效果，對經(jīng)濟效益和社會效益也有顯著的影響，交流變頻調(diào)速技術(shù)在一些中小型電機中得到廣泛應(yīng)用后隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的自動化儀器?，F(xiàn)場總線就是其中之一，它與集散控制系統(tǒng)緊密結(jié)合。提高控制信號傳

9、輸?shù)臏?zhǔn)確性、實時性、快速性以及機組運行的安全性和可靠性，解決現(xiàn)場設(shè)備的現(xiàn)代化管理，減少工程投資，是一種先進有效的結(jié)合。目前，在西方發(fā)達國家，現(xiàn)場總線已經(jīng)應(yīng)用于各個行業(yè)，其中，尼德豪森電廠2950兆瓦機組的控制系統(tǒng)是電力行業(yè)中最典型的控制系統(tǒng)，采用了現(xiàn)場總線?！熬盼濉币詠?，中國政府開始投資開發(fā)現(xiàn)場總線，并取得了初步成效。開始生產(chǎn)HART儀表和FF儀表。然而，由于電廠控制的高可靠性要求，缺乏大型示范項目和現(xiàn)場總線對電廠設(shè)計、安裝、調(diào)試、生產(chǎn)和管理影響的研究。因此，現(xiàn)場總線在電廠中的應(yīng)用還處于探索階段。近兩年來，中國有十多個項目應(yīng)用了現(xiàn)場總線，但都是在本地系統(tǒng)上。國華鎮(zhèn)能寧海電廠機組啟閉水系統(tǒng)電動門

10、控制采用Profibus-DP總線技術(shù)，電動執(zhí)行機構(gòu)采用德國歐瑪公司引進的一體化智能產(chǎn)品Puma Matic，總線上掛有雙通道Profibus-DP冗余總線接口作為DP從站。為了提高安全性和可靠性，總線光纖、作為總線上第一個動力定位主站的接入點以及相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換裝置都采用了冗余結(jié)構(gòu)，這是我國第一個在過程控制中采用現(xiàn)場總線技術(shù)的火電廠。華能玉環(huán)電廠2的補給水處理系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)采用雙層通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其鏈路設(shè)備和主站級網(wǎng)絡(luò)采用冗余配置?？刂葡到y(tǒng)的人機終端與主控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，以太網(wǎng)交換機采用ITP接口，四個交換機組成光纖公路網(wǎng)?，F(xiàn)場總線用于現(xiàn)場設(shè)備之間的通信。光纜用于主

11、環(huán)網(wǎng)，總線電纜用于分支現(xiàn)場總線通信。提供兩套冗余主控制器，分別用于鍋爐補給水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)，每套控制器有兩個由光電耦合器組成的現(xiàn)場總線環(huán)型光纜網(wǎng)絡(luò)，形成冗余配置。所有現(xiàn)場儀表和氣動閥門定位器(均帶有動力分配總線接口)通過動力分配/動力分配耦合器連接到現(xiàn)場總線。中低壓電氣設(shè)備(MCC)采用具有現(xiàn)場總線通信接口功能的智能電機控制器。計量泵中的電機采用帶總線的變頻器。鍋爐補給水陰陽床氣動隔膜閥的電磁控制閥由帶總線接口的閥島控制，閥島與現(xiàn)場總線相連。這是中國第一個在本地過程控制中完全采用現(xiàn)場總線技術(shù)的火電廠。應(yīng)用實踐表明，在輔助控制網(wǎng)絡(luò)中全面采用現(xiàn)場總線技術(shù)已經(jīng)成熟。1.5熱控優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展隨著

12、過程生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)刂葡到y(tǒng)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的控制方法越來越難以滿足火電廠熱工過程對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能優(yōu)化的要求，蒸汽溫度過高已成為制約機組負荷變化響應(yīng)能力和安全穩(wěn)定運行的主要障礙之一(燃燒優(yōu)化主要由鍋爐專業(yè)進行，本文不做討論)。因此，一些基于現(xiàn)代控制理論的現(xiàn)代控制系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于火電廠過程控制領(lǐng)域。例如，基于過程模型并在線動態(tài)求解優(yōu)化問題的模型預(yù)測控制方法，使自動裝置模擬人工操作的經(jīng)驗和規(guī)律實現(xiàn)復(fù)雜被控對象自動控制的模糊控制方法，以及利用熟練操作人員成功人工操作的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在常規(guī)串級PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前饋控制，在提高控制品質(zhì)的過程中取得了良好的效果在圖1中，基于狀態(tài)空間算法

13、的狀態(tài)觀測器用于解決蒸汽溫度延遲引起的控制滯后，焓變增益控制器用于解決蒸汽壓力變化對溫度控制的影響，基于該模型的史密斯預(yù)估器提前控制預(yù)引導(dǎo)溫度的變化。通過自學(xué)習(xí)功能塊實時補償減溫水閥門特性的變化；再熱蒸汽溫度控制盡量采用煙道擋板作為調(diào)節(jié)手段，不采用或采用減溫水作為控制手段，以提高機組效率；單元協(xié)調(diào)控制模塊采用非最小化形式描述的離散卷積和模型，提高了系統(tǒng)的魯棒性；根據(jù)控制質(zhì)量的二次性能指標(biāo)，不斷優(yōu)化計算預(yù)測輸出，實時補償模型失配、時變和干擾等不確定因素，提高系統(tǒng)的控制效果；PROFI投入運行后，響應(yīng)時間為57秒，最大壓力偏差為0.208兆帕，汽包水位最高變化與最低變化之差為-38.86毫米，爐膛

14、負壓曲線最高值與最低值之差為-145帕，主蒸汽溫度偏差穩(wěn)態(tài)基本控制在2以內(nèi)，動態(tài)控制在5以內(nèi)。1.6 sis系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)SIS系統(tǒng)是電廠管理信息系統(tǒng)和各種分散控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和實時信息共享的橋梁。其功能包括工廠級的實時數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，以及工廠級的性能計算和分析。在電網(wǎng)明確定義有非直接調(diào)度方式且應(yīng)用軟件成熟的前提下，可以設(shè)置負荷調(diào)度和分配功能。設(shè)備故障診斷功能、壽命管理功能、系統(tǒng)優(yōu)化功能等功能(是否根據(jù)電廠的實際情況進行設(shè)置)3。自2000年國家電力公司電力規(guī)劃院提出這一概念和規(guī)劃以來，估計已有200多家電廠建立了SIS系統(tǒng)，發(fā)展迅速。但是，自從SIS系統(tǒng)投入運行以來，其功能僅僅是各種

15、生產(chǎn)報表的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和打印，很少能真正發(fā)揮SIS的應(yīng)用功能。其用于統(tǒng)計/生產(chǎn)管理、基于熱經(jīng)濟性分析的運行優(yōu)化、以質(zhì)量經(jīng)濟性為目標(biāo)的控制優(yōu)化以及以提高可靠性為目標(biāo)的設(shè)備故障診斷的大多數(shù)數(shù)據(jù)分析工具都未能實施。主要原因是設(shè)計不完善，大部分SIS廠商對高度專業(yè)的背景程序和算法不完全了解，使其無法在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮作用，與現(xiàn)場生產(chǎn)脫節(jié)。因此，SIS代理所能做的就是在利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建基本SIS框架的同時進行探索。此外，對于安全信息系統(tǒng)應(yīng)該包括什么沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這減緩了其功能的應(yīng)用。但是，從更廣的角度來看，SIS系統(tǒng)的建設(shè)符合技術(shù)發(fā)展的需要和中國電力市場的發(fā)展趨勢，將會給發(fā)電廠特別是大型現(xiàn)代化發(fā)

16、電廠帶來良好的經(jīng)濟效益。2電力行業(yè)熱工自動化系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢和前景隨著國家環(huán)保法律要求的日益嚴格和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，未來的熱力系統(tǒng)將圍繞“節(jié)能、增效、可持續(xù)發(fā)展”的主題，朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、透明化、保護化、控制化、測量化和數(shù)據(jù)通信一體化的方向發(fā)展。新的測量控制原理和方法不斷得到應(yīng)用，使機組的運行和故障處理像普通計算機一樣方便。2.1機組監(jiān)控智能化是熱工自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向隨著分散控制系統(tǒng)在機組中的推廣和應(yīng)用，機組監(jiān)控呈現(xiàn)出新的面貌，但其監(jiān)控智能在電力行業(yè)并沒有得到很大提高。雖然許多智能監(jiān)控軟件已經(jīng)在國內(nèi)化工和冶金行業(yè)得到了很好的應(yīng)用，并取得了一定的效益，但這些軟件在我國電力行業(yè)才剛剛起步

17、。隨著科技的發(fā)展，自動化系統(tǒng)的智能化儀表智能管理軟件將對現(xiàn)場智能傳感器進行在線遠程配置和參數(shù)設(shè)置，遠程校正安裝位置和高靜壓引起的零點漂移，自動校準(zhǔn)精度，計算各種誤差，并生成校準(zhǔn)曲線和報告；自動跟蹤記錄儀表運行過程中的綜合狀態(tài)變化，如斷電、高低限報警、壓力管道是否堵塞或零位是否漂移等。智能閥門管理軟件將對智能閥門進行在線配置、調(diào)試、自動校準(zhǔn)和開啟步進測試，判斷閥桿是否卡死，閥芯是否磨損等。并通過對閥門性能的綜合評估為實現(xiàn)預(yù)測性維護提供決策。重要旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)智能管理軟件將全面采用各種基于可靠性的重要旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，如風(fēng)機、引風(fēng)機、給水泵等。通過振動和油液分析以及電機診斷，可以快速分析是否存在平衡不良、基礎(chǔ)松