火电行业自动化的技术需求和发展展望_尹峰

火电行业自动化的技术需求和发展 展望 尹峰 孙长生 国网浙江省电力公司电力科学研究院浙江杭州 摘要 火电机组的热工控制技术经历了从模拟仪表到数字化 信息化的发展 正向更高性能的自动 可靠 节能 环保的控制目标迈进 通过实现安全 经济 性能多目标的全局均衡控制 最终将实现智能精细化控制目 标 目前制约技术发展的主要因素是基础性研究的滞后 限制了应用研究的进步 在测量检测新技术 先进控制 燃烧优化 节能控制 全局程控 信息利用以及网源协调等领域的技术研究将推动从基础到应用的技术进步 实 现火电行业自动化技术的高速可持续发展 关键词 火电机组 自动化 技术需求 基础研究 发展预见 随着全球经济与科学技术的飞速发展 电厂热工自动化技术不断地从相关学科中吸取最新成 果而迅速发展和进步 火电机组的热工控制经历了从模拟仪表到数字化 信息化的发展历程 普 及了 系统的应用 逐步推广了现场总线 优化控制和故障诊断技术 目前正由 数字化控制与信息化管理向更高性能的自动 可靠 节能 环保的控制目标迈进 在先进控制 全局程控 可靠性设计 故障预警 燃烧优化与节能控制等方面的研究不断深入 在可见的未来 在大数据的框架下整合各环节的成熟策略与控制需求 实现安全 经济 性能多目标的全局均衡 控制将成为火电机组自动化控制的新模式 随着科技的加速进步 基于智能决策 精确测量 准 确控制 自动容错 傻瓜式 运行的自动化模式将会最终实现 目前 制约技术发展的 因素主要集中在基础性研究领域 并直接限制了应用研究的进步 如 关系到机组燃烧优化目标的炉内测量技术 关系到机组运行可靠性的容错控制技术 以及达到实 用化水平的先进控制技术等等 但随着国家节能 降耗 减排工作深入的需要 未来十年 火电 行业热力控制自动化技术的研究与应用将会得到发展 本文对此进行了探讨与展望 测量与检測新技术研究与应用 控制参数与指标的软测量技术 软测量就是采用间接测量的思路 利用易于获取的其它测量信息 通过计算来实现对被测变 量的估计 软测量技术的核心问题是建立软测量的数学模型 以实现辅助变量对主导变量的最佳 估计 在软测量建模中有基于工艺机理的方法 基于对象数学模型的方法 基于回归分析的方法 基于模式识别的方法 基于粗糙集理论的方法 基于人工神经网络 基于支持向量机的方法等 1 烟气含氧量软测量 选择主蒸汽流量 给水流量 燃料量 送风量 送风机电流 引风 量 引风机电流 排烟温度等工艺参数作为软测量模型的输入 烟气含氧量软测量在建模方法上 早期采用比较多的是神经网络技术 近几年又出现了采用如数据融合 支持向量机等技术的方法 飞灰含碳量软测量 选择煤质特性参数和锅炉运行工况作为软测量的输入 影响锅炉飞 灰含碳量诸多因素具有耦合性强 非线性强等特征 因此 难以采用机理建模 比较适合采用辨 识建模 多采用 学习算法进行辨识建模 磨煤机 一次风流量软测量 选取风门挡板开度 一次风机 电流 一次风温度和压力 给煤 量等作为软测量辅助变量 采用基于支持向量机回归方法建立风量软测量模型 获得比现有测量 装置更准确可靠的测量结果 锅炉蓄热软测量 基于机理的锅炉蓄热系数计算模型与黑箱建模方法相结合 将机理模 型加入到黑箱模型中 一方面 降低估计参数的维数 另 一方 面在相对较少的实验样本下获得高精 度和更好泛化能力的锅炉蓄热系数的在线软测量模型 锅炉热效率软测量 锅炉热效率是反映锅炉运行经济性的 一项主要技术经济指标 也是 锅炉节能优化的目标参数 采用 神经网络等技术对锅炉热效率进行数学建模 以釆集到较少 量的热力参数 及时快捷地对锅炉效率进行软测量 其他软测量技术研究 烟气流量软测量 真空系统漏气量软测量 入炉煤质监测软测量 锅炉省煤器积灰软测量 冷凝器污脏软测量等 此外 针对节能 降耗 减排控制的最终控制目标 采用软测量或软仪表技术构造节能 降 耗 减排的目标指标参数 可为最终实现多目标闭环优化控制创造条件 入炉煤质在线检测技术 按照现行的国家标准 电厂从煤样的釆集 制备到提出工业分析的测定结果 往往需要 小 时甚至更长的时间 不能及时反映入厂或入炉煤的煤质情况 在线检测技术可直接测定煤质参数 提供入炉煤质数据 激光诱导击穿光谱技术 利用脉冲激光烧蚀煤样 使其局部电离 形成等离子体 等离 子体在膨胀和冷却过程中会发出特定频率的光谱信息 通过处理这些光谱信息 得到各检测量的 定量分析模型 从而实现相关组分的定性和定量分析 放射法煤质在线检测技术 釆用的放射源有 射线源及中子源两种 穿射煤层后的低能 射线强弱可直接反映灰分含量 高能射线可直接测出煤层密度值 利用两种能量的射线建立 数字元模型 即可测算出燃煤灰分值 热中子可以激发被测煤样中各元素的原子核 使之成为不 稳定的高能激发态 测定这些激发态原子核跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态时发出的 射线 能谱 就可检测各元素的含量 炉内煤质火焰检测技术 采用火焰闪烁特性 光谱特性 燃烧后烟气组分 炉膛温度特 性等多源数据融合的手段可实现当前燃用煤质的在线辩识 煤粉浓度和细度测量技术 在电厂煤粉的管道气力输送过程中 煤粉参数对于稳定燃烧 提高燃烧效率和降低污染物排 放密切相关 因此对煤粉参数的实时在线测量具有迫切的需求 电容层析成像技术 利用 一组 电极从外部环绕被测区域 利用被测区域内物质分布而导致 的各电极之间 的电容关系 由测得的电容值重现被测区域内的物质分布 光学波动法激光测量技术 处于运动状态的固体颗粒通过 一束测量激光束时 造成透射 光束光强随机变化 利用光电传感器测量光强随机变化信号并应用光脉动理论分析处理即可获得 颗粒的粒度和浓度 颗粒轨迹图象分析法 记录被测煤粉颗粒在 一定曝光时 间内的运动轨迹 通过煤粉颗粒 轨迹的尺寸同时获得速度和粒径 由于曝光时间的加长 降低了成像系统对光源光强的要求 从 而可以使用低功率紧凑型光源和普通工业相机 炉内燃烧在线测温技术 近年来 高性能的非接触式测温仪表的研究与应用获得了快速的发展 当前适用于锅炉炉内 温度在线测量且较为成熟的测量技术主要有光学辐射法 激光光谱法 光谱分析法和声学法 等 1 光学辐射法测温技术 火焰辐射图像含有丰富的炉膛温度场分布信息 在火焰图像携带 的辐射能水平和炉膛温度分布之间建立 一个数学关联模型 通过采用 火焰探头多方位同时摄 取燃烧室内部的瞬时火焰图像 借助光学理论 计算机图像处理技术和三维重建技术计算描绘出 整个炉膛内部的三维温度分布情况 激光法测温技术 每种气体分子都有独 一无二 的光谱吸收特性 激光发射器与接收器成 对使用 激光从发射器射出 穿过炉膛后由布置在炉膛另 一端接 收器接收 形成 一条激光测温 路 径 每条路径可以同时测量 等气体组分的平均浓度和温度 通常在锅炉的 一 个或多个层面上采用网格形式布置多条路径 然后通过复杂的数学运算 生成炉膛测量截面的气 体浓度与温度剖面分析图 其原理与医学 扫描仪的成像原理相似 光谱法测温技术 通过接收高温气体的红外光谱进行分析 可以获得其温度数 据 与激光法不同的是 该类系统未配置主动式激光源 是 一种被动式的红外光谱测量方法 因 此系统结构要简单许多 声学法测温技术 声学法测温原理主要基于声波在特定介质中的传播速度与介质温度间 的单值函数关系来实现 在炉膛内布置声波的收发装置 当声波穿越距离固定时 只要测出穿越 时间即可求得声波在该烟气中的传播速度 可求得声波穿越路径上的平均温度 激光光谱燃烧流场诊断技术 非接触测量技术 对燃烧场几乎没有扰动可以精确测量真实的燃烧过程 测量信息丰富可 以在线测量瞬态燃烧场的温度 压力 流速 组分 浓度分布 反应过程等各种信息 包括自发 振动喇曼散射 激光诱导荧光 相干反斯托克斯喇曼散射 分子滤波瑞 利散射 可调谐二极管激光吸收光谱等检测技术 飞灰含碳量在线检测技术 影响锅炉运行效率的主要因素之 一是飞灰含碳量 精确和实时地监测飞灰中的含碳量是实现 燃烧闭环控制 提高锅炉效率的必要手段之 一 微波吸收法是目前研究 应用最多 也是测量速 度最快的 一种测 碳技术 微波吸收和微波谐振法测量 利用飞灰中碳对特定波长微波的吸收和对微波相位的影响 或 利用飞灰中的碳对微波谐振腔特性的影响程度来确定飞灰含碳量 即根据飞灰中的碳粒吸收微波 诱导产生涡流的原理 测定飞灰中 的含碳量 先进控制技术理论基础 先进控制是具有比常规控制更好的控制效果的控制策略的统称 是提高过程控制质量 解决 复杂过程控制问题的理论和技术 控制领域中发展较快的控制算法包括 过程辨识 自适应 算法 模糊算法 仿人智能算法 预测算法 多种算法的混合算法等 未来十年中 这些先进控 制技术将会在电力行业热力过程控制中得到较快的应用 过程辨识 传统的辨识方法包括最小二乘法 极大似然法等在系统辨识中的应用发挥了比较好的效果 可实现多变量 单变量控制系统控制特性识别 为模型预测控制 内模控制提供基 础 自适应算法 利用可调系统的各种输入 状态和输出来度量某个性能指标 将所测的性能指标与规定的性 能指标相比较 由自适应机构来修正的三个参数或者产生 一个辅助的输入信号 以保持系统 的性能指标接近规定的指标 使系统达到最优或次优的控制效果 模 糊算 法 利用模糊集理论将专家知识或操作人员经验形成的语言规则直接转化为自动控制策略 设计 不依靠对象精确数学模型 利用语言知识模型进行设计和修正控制算法 自适应模糊算法 根据被控过程的运行状态给出合适的控制规则 根据给出的控制规则的控 制效果 对控制器的控制决策进 一步改善 以获得更好的控制效果 设计方法是在普通模糊控制 器的基础上增 加三个功能块即性能测量功能块 用来确定输出响应的校正量控制量校正功能块 用来将输出响应的校正量转换对控制量的校正量 控制规则修正功能块是对控制量的校正通过修 改控制规则来实现 仿人智能算法 通过智能机自动地完成其目标的控制过程 其智能机可以在熟悉或不熟悉的环境中自动地或 人机交互地完成拟人任务 专家控制 将人的感知经验与定理算法相结合的 一种算法 主要由知识获取 知识库 推理机和解释器四个部分组成 神经网络控制 从机理上对人脑生理系统进行结构模拟的 一 种控制和辨识方法 具有较 好的学习和适应能力 遗传算法 以适应度函数 目标函数 为依据 通过对个体施加遗传操作进行群体内个 体结构重组来实现群体优化的迭代过程 在这 一过程中 群体 问题的解 一代一代地得 以逐步 优化并逼近最优解 分层智能控制 将系统分为执行级 协调级和组织级三级 各级之间实现智能递增和精 度递减 执行级用于高精度局部控制 协调级用于按知识和实际输出进行控制参数调整 组织级 进行推理 决策和学习 预测 算法 综合利用历史信息和模型信息 对目标函数不断进行滚动优化 并根据实际测得的对象输出 修正或补偿预测模型 智能预测算法 将神经网络 模糊模型 遗传算法等智能技术引入预测控制算法 利用 智能方法来处理过程的描述问题 多变量模型预测控制 只强调模型的功能不要求模型的具体结构形式 考虑各控 制参数之间的关联性 能够有效的解决各控制目标的约束条件 达到最优控制 把整个对象工作 空间划分为稳工况模型类与变工况模型类两类 非线性预测算法 将系统的操作区域分为多个子区间 用不同的线性化模型描述区域内 的系统动态 由多个线性构成了非线性预测算法 先进控制技术应用 锅炉燃烧优化控制技术 锅炉目前采用的控制往往无法完全针对锅炉燃烧的特点控制最佳运行工况 而是运行人 员的经验和操作水平在很大程度上决定了机组的运行性能 建立锅炉燃烧优化系统来提高锅炉 的控制调节能力 减少操作人员的人为影响 正受到越来越多的关注和应用 锅炉燃烧的优化调整是机组优化运行的重要组成部分 锅炉效率和污染物 氮氧化物 是个要首先考虑的优化控制目标 结合锅炉的多输入多输出动态特性 并兼顾输入输出的约束条件 釆用先进控制方法 将使 控制系统的输出波动变小 由此将设定点移至操作约束的边界条件将实现热效率的提高 煤耗的 减少 通过先进测量和燃烧优化控制节能潜力可达 形成的节煤量每年 万吨标煤占 大高耗能行业减排潜力总量的 减少 排放约 万吨减少 排放约 万吨 占排放总量的 汽温优化控制策略 主蒸汽温度是确保机组安全 经济运行的重要参数之 一 主蒸汽温度过髙直接影响设备安全 运行 主蒸汽温度过低则严重影响机组的热效率 汽温控制实施系统的优化控制策略 包括较准 确的对象特性辨识 控制预估算法 扰动预估算法和控制系统的鲁棒优化等 主汽温对象模型辨识 采用遗传算法辨识对象模型 通过开环对象特性试验确认基本参 数 在闭环试验中修正对象模型参数 尽量保证模型的准确性 控制预估算法 目的是为了减弱对象纯迟延对系统的影响 使控制系统提前动作 该提 前量是提高控制品质的重要保证 扰动预估算法 当机组处于状态时 煤量和风量对系统产生强烈作用 扰动预估算 法将动态过程中的外扰与汽温波动进行折算 使之作用于预估控制算法之中 主汽温的鲁棒优化控制 采用遗传寻优的方法 将鲁棒性指标作为优化算法的 一个约束 指标 鲁棒优化的解即控制器的结构形式 其参数通过优化指标获得 节能型协调控制策略 节能型协调控制策略的主体思想是通过汽轮机滑压曲线优化 保持汽轮机调门处于较大开度 或全开运行 减少汽轮机高压调节汽门 的节流损失 提高汽轮机运行效率 同时利用凝结水节流 控制策略 弥补汽轮机负荷调节能力的下降 辅助实现机组的负荷调节功能 满足电网调节需求 汽轮机滑压曲线优化 通过试验获取汽轮机调门开度对机组各相关运行特性参数的影响 关系 结合试验结果进行综合推算和比较 根据滑压曲线的设定 保证汽机调门维持在经济运行 开度附近 并兼顾机组及调频能力 凝结水节流辅助机组负荷调节 当汽轮机调门优化至较大开度后 无法利用锅炉蓄热 升负荷调节能力不足 采取凝结水节流控制策略 在变负荷初期 在凝汽器和除氧器允许的水位 变化范围内 改变凝泉出口调门的开度 快速减小凝结水流量 改变汽轮机低压抽汽量 暂时 增加 一部分机组 的输出负荷 全局程控技术 机组自启停控制系统 可以使机组按照最优规划模式进行设备启停和控制 不仅大大 简化了操作人员的工作 减少了出现误操作的可能 提高了机组运行的安全可靠性 同时也缩短 了机组启动时间 提高了机组的经济效益 总体设计 包括系统框架设计 功能组设计以及与其他系统的接口设计 其中 接口主要包括与的功能接口技术 与及的接口技术等 断点设置 系统断点主要有机组启动准备断点 冷态冲洗及抽真空断点 锅炉点火 升温断点 冷机冲转断点 自动并网断点 升负荷断点 降负荷断点 机组解列断点 机组停运 断点 全程自动控制技术 主要包括给水全程控制 送引风全程控制 锅炉燃料全程控制 除 氧器水位全程控制和机组负荷全程控制等关键控制技术及设备投入管理 不同负荷段设定值管 理 变参数管理 特定工况下的连锁 闭锁功能管理 前馈量控制及管理等顺控技术与全程控制 的接口技术 信 息利 用 与可靠性技术 信息化技术的发展使大数据框架下的数据挖掘与信息融合技术获得了巨大的发展空间 除了 经营管理方面的应用外 技术领域获益最大的就是故障诊断与可靠性技术应用方面 在海量数据 与信息发掘技术的支撑下 可以获得常规逻辑方法无法实现的应用成果 数据挖掘与信息融合技术 数据挖掘 是从大量数据中获取有效的 新颖的 潜在有用信息的过程 其包括数据的抽取 存储和管理 数据的分析和展现等关键技术 通过系 统按 一定 的规则对数据库中已有的数据进行信息开采 挖掘和分析 从大量数据或选定样本中寻 找预测性信息 发现变量之间的关联 共性和差异性 进行关联 聚类 分类 预测 主元分析故障诊断方法 用均值聚类分析方法对过程数据进行分类 得到各稳态工况下 的数据 然后根据分类数据建立主元模型组 来描述整个过程 最后在故障检测中对检测 样本进行模糊划分 动态计算出与当前工况相适应的主元模型并进行检测 调节机构故障监控与补偿控制 利用基于数据驱动的调节机构建模技术 描述调节机构 的各种典型故障行为 与过程日常运行数据相结合 通过模型辨识技术 确定调节机构的故障类 型与故障大小 实现调节机构故障的在线 自动 快速检测 诊断与补偿控制 可靠性建模与定量计算 针对基本控制单元及其组成元件失效特点 以马尔可 夫过程分析方法为依据 建立基本控制单元可靠性数学模型 对其进行可靠性定量计算 容错设计提高热控系统可靠性 通过控制系统冗余配置 逻辑优化 信号鉴别 坏值剔 除 容错控制 软测量技术与故障诊断等几种容错设计方法 提高控制系统总体可靠性 3 6 网源协调控制技术 电网与电源点间的信息交互与协调控制是全局最优控制在整个电网系统上的延伸 将跨越过 程控制与电力系统控制专业领域 对于火电机组侧的控制要求 主要侧重在为 电网提供准确的信 息反馈与及时的指令执行 实现全网安全 性能与效益最优 并在全网数据模型中贡献准确的机 组级响应模型 厂级负荷优化控制 在满足电力 系统安全运行条件的前提下 将发电厂 或电源点视为 单个调度对象 由调度主站下发全