電力行業(yè)熱工自動化技術的應用現狀與發(fā)展

電力行業(yè)熱工自動化技術

應用現狀與發(fā)展許紅兵

1）電力全國裝機容量：1998年超過277GW以來，我國發(fā)電裝機容量和年發(fā)電量已連續(xù)名列世界第二位，2009年初突破800GW。

2）電力過程自動化，是綜合運用控制理論、電子設備、儀器儀表、計算機軟硬件技術及其他技術，對發(fā)電過程實現檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，達到增加發(fā)電量、提高發(fā)電生產效率和質量、降低消耗、確保安全等目的的一類綜合性技術。

3）電廠過程自動化是確保電力生產具有高可靠性、高安全性和經濟性的重要保障，同時也是有效地改善運行人員工作條件，最終提高發(fā)電企業(yè)市場競爭力的重要手段。引言電力行業(yè)熱工自動化技術的應用狀況1.1DCS的發(fā)展與當今應用特點1.2全廠輔控系統(tǒng)走向集中監(jiān)控1.3變頻技術的普及應用與發(fā)展1.4局部系統(tǒng)應用現場總線1.5熱工控制優(yōu)化技術的應用1.6新型檢測儀表／裝置的應用1.7SIS系統(tǒng)的應用發(fā)展1.1DCS的發(fā)展與當今應用特點

1）熱工自動化系統(tǒng)發(fā)展2）單元機組控制系統(tǒng)一體化的崛起3）DCS結構變化，應用技術快速發(fā)展1)熱工自動化系統(tǒng)發(fā)展一前單機容量小，一般母管制運行，自動化程度較低，簡單的儀表，人工操作控制生產過程。60年代出現集中控制方式，國內主要使用DDZ-I型、lI礎、IlI型電動單元組合儀表。

70年代開始使用單回路調節(jié)裝置和模擬組裝儀表…，75年美國Honeywell公司推出TDC-2000DCS，第一套投入過程控制運行，DCS應用迅速

。

70年代末初國內開始探索試用DCS。一些進口機組成套進口DCS為基礎的控制系統(tǒng)，但僅DAS和MCS功能；其它功能多以CMOS電路組成。80年代開始，電廠開始上廠級實時監(jiān)控系統(tǒng)（國內稱之為SIS，國外稱之為MES）

。21世紀初近幾年DCS的應用范圍和功能迅速擴展至全廠,工藝上能夠實現的系統(tǒng)，DCS都能進行可靠控制。近幾年瑞士Intechno咨詢公司研究報告，世界過程自動化市場2005至2010年間將以年平均5.1％速度增長，2010年可高達942億美元。其中尤以化工、電力、石化增長最為迅猛。自動化市場經濟、組織和技術的發(fā)展在未來幾年內對自動化技術帶來深遠變革。近期發(fā)展是充分利用IT(信息技術)及AI(人工智能)等先進技術，逐步采用現場智能儀表及設備，整合控制與信息系統(tǒng)，融合…發(fā)展2）單元機組控制系統(tǒng)一體化的崛起ECS逐步納入DCS范圍DCS模件完成ETS功能DEH與DCS合二為一脫硫進入單元DCS控制一體化優(yōu)點：減少信號間的連接接口減少信號傳遞過程故障減少備件品種和數量降低維護工作量和費用控制系統(tǒng)一體化的實現，是DCS應用功能快速發(fā)展的體現。排除人為因素外，控制系統(tǒng)一體化將為更多電廠所采用過去DCS發(fā)展控制器現在·控制功能盡可能分散·過多的控制器和接口·故障停機的概率增加·控制系統(tǒng)間信號聯系DCS轉向適度集中·減少故障環(huán)節(jié)·減少信息傳遞途徑·內部信息交換方便3）DCS結構變化，應用技術得到快速發(fā)展·功能與容量成倍增加·性能與可靠性提高·更多安全措施采用··通用化硬件平臺·獨立應用軟件體系·標準化通訊協(xié)議·PLC控制器融入·FCS功能／APS功能對DCS的幾點看法：1、DCS的應用與機組大小無關（對DCS不限制點數是基本要求）2、DCS必須向外開放，用戶應用軟件必須容易嵌入（自定義控制器）3、DCS的標準化已是時機：

需要的工作：標準系統(tǒng)硬件結構標準網絡通訊協(xié)議標準數據結構1.2全廠輔控系統(tǒng)走向集中監(jiān)控電廠10多個輔助車間，通常PLC和上位機構成各自網絡，在各車間控制室內單獨控制；過去各個輔助車間的控制趨向適度集中，向整合成一個輔控網（簡稱BOP）方向發(fā)展?，F在外圍控制少人或無人值班。整個輔控網硬件和軟件統(tǒng)一，減少庫存?zhèn)淦穫浼?，降低基建費用和今后的日常管理維護費用。優(yōu)點國華浙能寧海電廠4×600MW燃煤機組BOP覆蓋水、煤、灰等共13個輔助車間子系統(tǒng)的監(jiān)控，下設水、煤、灰三個監(jiān)控點，集中監(jiān)控點設在四機一控室里。優(yōu)點某廠輔助車間集中控制系統(tǒng)結構圖1.3變頻技術的普及應用與發(fā)展因為蘊藏著巨大的節(jié)能潛力，可以預見隨著高壓變頻器可靠性的提高、一次性投資降低和對電網的諧波干擾減少，更多機組上的大電機會走向變頻調速控制。前些年在小型電機（如給粉機、凝泵）控制上應用發(fā)展迅猛。因此近年擴展到一些高壓電機控制上應用。1.4現場總線局部系統(tǒng)應用全球安裝超過2400萬臺PROFIBUS現場儀表設備。電力行業(yè)典型應用是03年1月交付營運的德國尼德豪森電廠2×950MW機組控制系統(tǒng),其現場總線的設備規(guī)模為約900個馬達／泵、1200個閥門執(zhí)行器和400個氣動閥門電磁閥?，F應用情況展望解決數字化的瓶頸，智能地實現監(jiān)視和管理過程變量的功能，有效地診斷自身健康狀況，獲知更多的工藝過程健康信息，從設備異常狀態(tài)管理過度到異常狀態(tài)預防現場總線與DCS緊密結合，提高設備控制質量和設備管理水平，降低工程和維護費用；方向德國尼德豪森電廠2×950MW機組的控制系統(tǒng)配置圖國內政府從“九五”起開始投資現場總線開發(fā)，HART和FF儀表開始生產。但尚無大型示范工程，處于探討摸索階段，近二年有十多個工程應用了現場總線，但都是在局部系統(tǒng)上。國華寧海電廠國內首家過程控制采用現場總線火電廠，機組開、閉式水系統(tǒng)中電動門控制采用ProfibusDP總線技術，電動執(zhí)行機構采用PumaMatic，帶有雙通道Profibus-DP冗余總線接口作為DP從站掛總線上?？偩€光纖、總線上第一類DP主站的AP和相應光電轉換裝置都采用冗余結構。國內首家在局部過程控制中全面采用現場總線的火電廠。其鍋爐補給水處理和廢水系統(tǒng)，采用二層通訊網絡結構的現場總線控制?，F場設備層間采用Profibus-DP通訊。主環(huán)網用光纜，分支現場總線通訊用總線電纜。各自有兩條由光電耦合器組成的現場總線環(huán)形光纜網構成冗余配置。華能玉環(huán)電廠1.5熱工控制優(yōu)化技術的應用發(fā)展傳統(tǒng)控制方法難以滿足電廠熱力流程對系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能最優(yōu)化方面的要求，汽溫超標成為制約機組負荷變化響應能力和安全穩(wěn)定運行的障礙之一。問題基于現代控制理論的一些控制策略逐步在電廠過程控制中應用，如模型預測控制（簡稱MPC）法、模糊控制法、基于神經網絡技術的前饋控制作用等，在提高熱工控制系統(tǒng)（尤其是汽溫）品質過程中取得一定效果。解決辦法國華浙能寧海發(fā)電廠PROFI系統(tǒng)，充分使用基于模型的現代控制理論，取得調節(jié)的較好效果。圖2是其汽溫控制原理示意圖。實例狀態(tài)觀測器解決汽溫這種大滯后對象的遲延造成的控制滯后焓值變增益控制器解決蒸汽壓力變化對溫度控制的影響基于模型的Smith預估器對導前溫度變化進行提前控制；通過自學習功能塊實時補償減溫水閥門特性的變化；

對再熱汽溫控制，盡量以煙道擋板作為調節(jié)手段，不采用或少采用減溫水作為控制手段，以提高機組效率主蒸汽溫度偏差穩(wěn)態(tài)基本控制在2℃以內，動態(tài)基本控制在5℃以內。目前國外采用的電站優(yōu)化軟件，主要包括實時過程控制參數的優(yōu)化控制軟件和保持系統(tǒng)或設備經濟高效運行的優(yōu)化管理軟件兩類軟件特點在于實時、在線和閉環(huán)控制功能，主要用于機組負荷變化過程控制，減少參數動態(tài)偏差和被調量的時間延遲；如機爐協(xié)調、汽等優(yōu)化控制軟件、報警功能優(yōu)化軟件等。第一類軟件特點在于注重運行經濟性、對設備或系統(tǒng)的開環(huán)分析能力及系統(tǒng)管理、決策支持功能。如能量管理、設備及系統(tǒng)性能優(yōu)化、過程信息統(tǒng)計分析、設備資源管理等優(yōu)化管理軟件。第二類目前計算機控制系統(tǒng)的潛能還未充分發(fā)揮。借鑒國外經驗，開發(fā)應用效益明顯、智能化程度高、適合我國機組的優(yōu)化控制管理軟件，將是自動化發(fā)展的一個任務。

方向1.6新型檢測儀表／裝置的應用

目前國內工業(yè)上應用的大多數傳感器技術，都有著其自身難以克服的不足。較之監(jiān)控系統(tǒng)而言，現場傳感器和終端控制元件的技術進步相對落后。是熱工自動化系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。國際先進電力企業(yè)在采用新型控制系統(tǒng)的同時，高度重視新型傳感器技術的開發(fā)及應用，其中應用較為成熟的有光纖測量技術、氣固兩相流體流量檢測技術、聲波高溫計等。1。分散測量的能力。對光纖的測量值進行濾波或輸出處理后，一根光纖整個長度均可作為一個傳感器。2。光纖傳感器還具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、響應速度快、……3。光纖可實現的傳感信息量廣。如光導纖維本身就對壓力和應變力極為敏感，這就意味著光纖可以同時作為壓力、溫度和應力傳感器而使用。。4.目前一些先進國家已進入全面商業(yè)化應用階段。光纖分布式溫度傳感器正逐漸用于電站關鍵部件的溫度監(jiān)視。光纖可用于測量磁、聲、力、溫度、位移、旋轉、加速度、液位、扭矩、應變、電流、電壓、傳像和某些化學量等測量，能經濟地實現對大量地點的溫度監(jiān)視。光纖測量技術電廠中存在著許多兩相流體的應用場合，如，為提升電廠的生產效率、降低運行和維護成本、滿足日益嚴格的環(huán)保要求，有效解決相應的兩相流體流量測量難題。利用發(fā)射進煤粉管內的微波反向散射原理測量煤粉濃度和速度氣固兩相流量檢測

國際上眾多儀表制造商和研究機構對電廠內的兩相流量測量進行了大量的研發(fā)，已開發(fā)和生產出了不少的兩相流量檢測裝置?；诿}沖超聲波束衰減量測量煤粉流速依據煤粉對b射線或g射線的吸收測定煤粉流量通過煤粉顆粒碰撞一列金屬棒而引起金屬機械振動的監(jiān)視來間接判定煤粉顆粒分布……1。國內電廠鍋爐爐膛和后爐膛區(qū)溫度的測量現狀

。煙溫探針來進行啟動過程煙溫檢測

3。國際上在爐膛溫度測量方面采用測量裝置可分兩類：電廠鍋爐爐膛和后爐膛區(qū)的溫度，不僅直接反應出其內燃料燃燒強度大小，燃燒過程效率優(yōu)劣，而且還間接影響鍋爐受熱面及后續(xù)流程(如脫硝、灰份控制等)的正常運行。聲波式高溫計

正常運行測量相應受熱面金屬壁溫與煙氣直接接觸吸入式熱偶高溫計發(fā)射光譜幅射高溫計和聲波高溫計1.7SIS系統(tǒng)的應用發(fā)展SIS系統(tǒng)是實現電廠管理信息系統(tǒng)與各種分散控制系統(tǒng)之間數據交換、實時信息共享的橋梁，其功能……，電力規(guī)劃總院2000年提出，至今估計有300家電廠建立了系統(tǒng)。應用自從SIS系統(tǒng)投運以來，其所起的作用只是數據的采集、存儲、顯示和可打印各類生產報表，能夠真正把SIS的應用功能盡情發(fā)揮出來的很少，其面向……，

。問題主要有設計不夠完善，多數SIS廠家并沒有完全吃透專業(yè)性極強的后臺程序及算法，使其在生產實際中未能發(fā)揮作用，加上與現場生產脫節(jié)

。原因SIS系統(tǒng)的建設符合技術發(fā)展需要和電力市場發(fā)展趨勢，將有可能給電廠特別是大型電廠帶來經濟效益。方向電力行業(yè)熱工自動化的未來發(fā)展動向及其前景2.1單元機組監(jiān)控智能化是熱控方向2.2全方位管控一體化2.3過程控制優(yōu)化軟件將得到進一步應用2.4現場總線與PLC、DCS相互依存發(fā)展2.5輔控系統(tǒng)集控將得到全面推廣2.6單元機組控制物理位置趨向集中布置2.7APS技術應用2.8無線測量技術應用2.9提高熱工自動化系統(tǒng)可靠性研究將深入2.11火電廠機組檢修運行維護方式將改變2.12其它趨勢2.1單元機組監(jiān)控智能化是熱控方向對現場智能傳感器進行在線遠程組態(tài)和參數設置、對因安裝位置和高靜壓造成的零位飄移進行遠程修正，精度自動進行標定，計算各類誤差,并生成標定曲線和報告；自動跟蹤并記錄儀表運行過程中綜合的狀態(tài)變化，如掉電、高低限報警、取壓管路灰堵或零位變化等。儀表智能管理軟件對智能化閥門進行在線組態(tài)、調試、自動標定和開度階躍測試，判斷閥門閥桿是否卡澀,閥芯是否有磨損等，通過閥門性能狀況的全面評估，為實現預測性維護提供決策：閥門智能管理軟件…單元機組監(jiān)控系統(tǒng)智能化近幾年開始起步。未來數年里，信息智能化的儀表與軟件會在火電廠得到發(fā)展應用趨勢對重要轉動設備的狀態(tài)如送、引風機，給水泵等，綜合采用基于可靠性的狀態(tài)監(jiān)測多種技術，通過振動、油的分析以及電機診斷，快速分析（是否存在平衡不好,基礎松動,沖擊負荷，軸承磨損等現象）和識別故障隱患,在隱患尚未擴展之前發(fā)出報警,為停機檢修提供指導和幫助設備狀態(tài)智能管理軟件單元機組監(jiān)控智能化將帶來機組檢修方式的轉變，以往定期的、被動式維護將向預測性、主動式為主的維護方式過渡，檢修計劃將根據機組實際狀況安排。檢修方式轉變智能化報警軟件將對報警信號進行匯類統(tǒng)計、分析和預測，對機組運行趨勢和狀態(tài)作出分析、判斷，用以指導運行人員的操作；故障預測、故障診斷以及狀態(tài)維修等專用軟件，將在提高機組運行的安全性，最大限度地挖掘機組潛力中發(fā)揮作用。故障診斷維護軟件2.2全方位管控一體化

一方面是控制系統(tǒng)充分利用現場總線等先進技術全面挖掘生產過程的監(jiān)控及檢修數據信息，在廠內和CMMS(計算機檢修維護管理系統(tǒng))實現無縫聯接；另一方面是在企業(yè)級通過MES(即制造執(zhí)行系統(tǒng)，類似于國內SIS)和集團ERP(企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng))互聯。作用置于控制系統(tǒng)級與ERP之間，優(yōu)化電廠生產級的工作流程，改進生產質量，增加過程可靠性，營造一個快速反應、有彈性、高效率、精細化的制造環(huán)境?！璏ES（SIS）系統(tǒng)將貫穿整個組織的信息、通訊和自動化技術等價值創(chuàng)造鏈上的各個環(huán)節(jié)進行水平和垂直無縫整合與集成，…定義2.3過程控制優(yōu)化軟件將進一步應用…目前有關自適應、狀態(tài)預測、模糊控制及人工神經網絡等技術，在電廠控制系統(tǒng)優(yōu)化應用報道有不少，但真正運行效果好的不多…問題1安全、經濟效益方面取得明顯效果，通用性強、安裝調試方便的優(yōu)化控制專用軟件（尤其是燃燒和蒸汽溫度優(yōu)化、性能分析軟件）將會在電廠得到親睞、發(fā)展應用…應用1目前機組的AGC均為單機方式，…，這種方式對機組和設備的壽命都會產生一定的負面影響。問題2…發(fā)電企業(yè)將從各個角度考慮降低運行成本，延長機組使用壽命。配置全廠負荷分配系統(tǒng)（將是發(fā)電企業(yè)必然的要求，單機AGC方式將向全廠負荷分配方式轉變。應用22.4現場總線與PLC、DCS相互依存發(fā)展未來一段時間里，現場總線將與DCS、PLC相互依存發(fā)展，現場總線借助于DCS和PLC平臺發(fā)展自身的應用空間，DCS和PLC則借助于現場總線完善自身功能。發(fā)展趨勢現場總線在電廠的應用將借助于PLC，1）PLC已廣泛應用于電廠輔控…，2）現場總線和PLC的制造商間關系密切，…?？偩€PLC關系目前現場總線難以迅速應用到整個電廠，而DCS雖然是電廠在線運行機組的主流控制系統(tǒng)，但無法滿足工程師站上對現場儀表進行診斷、維護和管理的要求…，

總線DCS關系2.5輔助車間集控將得到全面推廣在實施過程中，目前要解決好以下問題：輔控系統(tǒng)I/O點量大，各輔助車間物理位置分散，存在遠距離通信、信號衰減和網絡干擾問題，因此監(jiān)控系統(tǒng)主干通信網宜采用多模光纜以確保通信信號的可靠性。系統(tǒng)可靠性各輔控系統(tǒng)供貨商不同，使用軟件不同可能使其操作員站人機界面不一致。選型時應注意上位機軟件，統(tǒng)一人機界面，風格及操作方式的設計，以方便各系統(tǒng)畫面接入BOP網絡。此外保證執(zhí)行、測量、發(fā)訊設備可靠性。軟件硬件各輔控系統(tǒng)采用不同的控制設備，通信接口協(xié)議不同，甚至不同的物理接口，因此須解決網絡通信協(xié)議的轉換問題，選型時應事先規(guī)定好各系統(tǒng)間的接口連接協(xié)議。通信協(xié)議轉換2.6機組控制物理位置趨向集中布置一個集控室的概念，通常為一臺單元機組獨用或為二臺單元機組合用，電子室分成若干個小型的電子設備間，分別布置在鍋爐、汽輪機房或其它主設備附近。其優(yōu)點是節(jié)省了電纜。過去…集控室的概念擴大，出現了全廠單元機組集中于一個控制室，單元機組的電子設備間集中，現場一般的監(jiān)視信號大量采用遠程I/O柜的配置方式，且形成一種趨勢，其優(yōu)點是可提高機組運行管理水平。近幾年2.7APS技術應用APS機組級順序控制系統(tǒng)代名詞?！捎谠O備自身的可控性和可用率不滿足自動化要求，加上一些工藝和技術上還存在問題，目前燃煤機組實施APS系統(tǒng)的還不多見。應用情況由于APS系統(tǒng)的實質是電廠運行規(guī)程的程序化，其優(yōu)勢在于可以大大減輕運行人員的工作強度，避免人為操作中的各種不穩(wěn)定因素，縮短機組啟停時間。作為提高生產效率和機組整體自動化水平，增強在電力企業(yè)的市場競爭能力行之有效的方法，將會成為未來機組控制發(fā)展的方向之一，引導設計、控制系統(tǒng)廠商和電廠人員更多地去深入研究，設計和完善功能，并付緒實施：。應用趨勢2.8無線測量技術應用。：無線測量技術能監(jiān)視和控制運行過程中發(fā)生的更多情況以獲得關鍵的工藝信息，整合進入DCS。除節(jié)省大量安裝成本以外，還將推動基本過程和自動化技術的改善。如供熱、供油和煤計量，酸堿、污水區(qū)域測量等，都可能通過無線測量技術實現遠程監(jiān)控。應用情況美國德州LCRA集團公司為了降低電廠運行維護成本，由一套電廠人員集中管理其下屬容量為650MW的SireGideon電廠和容量為545MW的LostPines電廠，采用了Apprion公司的WiMAX無線網絡系統(tǒng)，應用實例2.9提高熱工系統(tǒng)可靠性研究將深入熱控系統(tǒng)存在的不足之處，使得熱控保護系統(tǒng)誤動作引起機組跳閘事件還時有發(fā)生。在電力生產企業(yè)面臨安全考核風險增加和市場競爭加劇的環(huán)境下，從提高熱工自動化系統(tǒng)的可靠性著手，深入開展技術研究，是熱工自動化系統(tǒng)長期的工作：理由包括控制軟硬件的合理配置，采集信號的可靠性、干擾信號的抑制，控制邏輯的優(yōu)化、控制系統(tǒng)故障應急預案的完善和測量儀表的合理校驗周期等。隨著機組控制可靠性要求的提高，重要控制子系統(tǒng)的硬件配置中，將會采用安全型控制器、安全型PLC系統(tǒng)或者它們的整合，保護采集信號將會更多的采用三選二判斷邏輯。獨立的測量裝置需要設計干擾信號抑制功能。研究內容2.9實現遠程監(jiān)控和動態(tài)監(jiān)督各集團公司的機組數量和容量不斷增加且分布全國各地，目前狀況要做到實時有效地生產管理難度大。同樣作為技術監(jiān)督服務方的省級電科（試）院服務機組數量和服務范圍的快速增加，專家型技術人員相對短缺，服務效率與客戶要求的差距增大?，F狀實施遠程監(jiān)控和動態(tài)監(jiān)督系統(tǒng)，對機組的運行狀況進行實時監(jiān)視，對生產運營情況進行決策；省級電科（試）院可進行實時動態(tài)監(jiān)督、遠程技術支持、服務和故障事故原因分析查找。發(fā)展2.9實現監(jiān)督程序化各基于實時參數的設備管理系統(tǒng)軟件，目前國外引入的已不新鮮，但價格昂貴且有些水土不服之疑。省電科（試）院開發(fā)的監(jiān)督管理系統(tǒng)，有的缺乏實時數據支持和在線綜合分析以及與其它系統(tǒng)的接口功能，不被電廠接受。軟件問題建立電廠設備檢修運行維修管理一體化的熱工監(jiān)督信息平臺，通過與SIS系統(tǒng)接口，將DCS控制系統(tǒng)界面以標準化格式引入平臺，對熱工在線運行參數、自動調節(jié)品質綜合分析判斷，…。越限報警信號進行歸類、智能分析，…熱工參數考核指標實時統(tǒng)計和自動生成，檢修和日常維修工作流中在平臺下進行定管信息化。開發(fā)應用2.10