21世纪火电厂热工自动化展望

1/1021世纪火电厂热工自动化展望21世纪火电厂热工自动化展望PROSPECTOFTHERMALPROCESSAUTOMATIONOFFOSSILPOWERPLANTFOR21STCENTURY杨庆柏【摘要】在研究国内外自动化技术发展及其在火电厂工程中应用经验的基础上，从工程的观点出发，结合国内外实际应用业绩，论述了21世纪火电厂热工自动化的发展动向，以期快速提高我国火电厂热工自动化水平。【关键词】21世纪火电厂热工自动化现场总线控制系统ABSTRACTBASEDUPONTHESTUDYOFTHEDEVELOPMENTOFTHERMALPROCESSAUTOMATIONTECHNOLOGYANDITSAPPLICATIONEXPERIENCEINFOSSILPOWERPLANTPROJECTATHONEANDABROAD,THEDEVELOPMENTALTENDENCYOFTHERMALPROCESSAUTOMATIONOFFOSSILPOWERPLANTFOR21STCENTURYISDISCUSSEDFROMTHEPOINTOFVIEWOFPROJECTANDCOMBINEDWITHPRACTICALAPPLECATIONACHIEVEMENTSATHOMEANDABROAD,INANATTEMPTTORAPIDLYRAISETHERMALPROCESSAUTOMATIONLEVELOFFOSSILPOWERPLANTINCHINA2/10KEYWORDS21STCENTURYFOSSILPOWERPLANTTHERMALPROCESSAUTOMATIONBUSINSITUCONTROLSYSTEM火力发电机组的热工自动化是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳动条件的重要技术措施。展望21世纪，火电厂热工自动化预计将会朝着下面几个方向发展。1电气控制将纳入DCS1自从火电厂采用分散控制系统DCSDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM后，汽轮机和锅炉的控制水平有明显的提高。但作为单元机组中的重要一个环节，即发电机变压器组和厂用电系统的控制，大多数仍保留了传统的控制方式，控制盘台上装设很多模拟仪表光字牌和开关按钮，在一个控制室内与汽轮机和锅炉的DCS控制很不协调，严重影响了火电厂自动化水平。电气控制纳入DCS的范围主要为发电机系统和主厂房内的厂用电系统，主要包括发电机变压器线路组、高压起动/备用变压器、高压厂用工作变压器、低压厂用工作变压器、低压厂用备用变压器及低压厂用公用变压器等的控制和信号测量。保安电源系统、直流系统和不停电电源系统也要纳入DCS进行监视。另外，发电机励磁系统、自动准同期和厂用电快速切换更要优先考虑纳入DCS。3/10电气控制纳入DCS，国际上已开始广泛采用，许多大的DCS公司都有这方面的应用业绩。大港电厂引进的2320MW机组上的电气控制就纳入了DCS，现在已成功运行达8A。目前，国内大型火电厂主厂房内的电气开关也已基本实现了无油化，如中压开关采用真空开关与真空接触器，低压开关采用智能型空气开关等。电气设备的可控性及同计算机接口能力的提高，为电气控制纳入DCS打下了坚实基础。将部分电气控制纳入DCS，国内已有成功的经验，如东北电力集团公司直属的通辽发电厂在200MW机组的热工自动化改造中，率先将部分电气控制纳入DCS，迈出了炉、机、电一体化的第一步。今后，一台单元机组仅设1位主值班员，因此电气控制必须与汽轮机、锅炉控制形成一个整体，只有做到这一点，才能使我国火电厂自动化水平跻身于国际先进水平行列。2FCS将取代DCS3FCS的产生FCS是现场总线控制系统FIELDBUSCONTROLSYSTEM的简称。目前的DCS也称为传统的DCS，因DCS的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号420MADC连接，无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求，限制了控制过程视野，阻碍了上位机系统功能的发挥，因而产生了上位机与现场仪表进行数字通信的要求。从80年代4/10起，出现了智能化的现场仪表，如智能变送器等。这些智能化的现场仪表的功能远远超过模拟现场仪表，如可对量程和零点进行远方设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿等，深受用户欢迎。智能化现场仪表的出现，也要求与上位机系统实现数字通信。正是在上述2方面因素的驱动下，要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路，这条通信链路就是现场总线，FCS也就应运而生了。FCS的效益采用FCS取代DCS比采用DCS取代模拟仪表具有更大的经济效益。如变千百根电缆为一根，可节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确性、实时性、快速性和可靠性大为提高；现场总线通信协议国际标准化后，可使不同厂家的产品互相连接和操作，消除了目前自动化的孤岛现象；省去I/O端子柜和控制柜后，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少；由于机组控制室指2台机组共用1个控制室只有2根同轴电缆或光缆和几根紧急停机开关的电缆进入，大大有利于控制室的防火和火电厂的安全运行。FF及其产品目前，尽管存在着多种现场总线模式，但最开放、5/10功能最完备和最有应用前景的现场总线当属基金会现场总线FFFOUNDATIONFIELDBUS。它除了具备一般总线的特点外，在客户服务、功能模块调用、设备描述、诊断和保护、通信方式、数据精确传递、本安供电、设备的即插即用等方面，最能体现国际先进水平，是受到国际大多数地区和国家赞赏的总线标准。FF的低速总线H1协议已于1996年发表；FF的物理层协议已被国际电工委员会IEC批准为国际标准IEC11582；FF的链路层协议于1998年3月在IECTC/65工作组中表决通过，如果经IEC大会表决通过后也将成为国际标准。国外许多大公司都在按照FF已出台的标准开发各自的产品，如美国SMAR公司的302系列现场总线控制系统就是其中之一。各大公司的FF产品已分别在美国的MONSANTO化工厂和日本的CHUBU电厂完成了试运行，收到了较好效果。从1996年开始，FF产品进入我国后，已在8家工厂投入运行，如用于滨洲化工厂自备电厂的锅炉控制。FCS前景最近国家有关部委召开了关于现场总线技术会议，成立了现场总线专业委员会，制定了现场总线技术发展的前景目标，并由国家拨出专款用于现场总线技术的科技攻关。华北电力大学现场总线实验室的筹建申请已被国家电力公司批准，FCS的应用研究即将展开。前景目标是从现6/10在起到2016年，在技术上要基本完成从目前模拟现场仪表系统到基于现场总线的全数字开放的自动化系统的转化，使我国工业自动化仪表的技术水平赶上世界技术发展潮流。在现场总线技术的推进时间上，现在是用DCS取代模拟仪表时期，也是HART仪表的上升时期，本世纪末到2016年将是HART仪表与FF仪表的交替时期，自动控制系统将由以DCS为主的控制模式转换成以FCS为主的控制模式上。就工业生产过程来说，一切努力都放在提高质量、产量和可靠性上，FCS是一个对工业生产过程有巨大效益的新型自动控制装置，一旦现场总线国际标准出台，它立刻就会广泛地应用到电力等工业生产过程中。3驾驶仓式控制室将出现驾驶仓式控制室包含2层涵义一是物理上的，即控制室紧凑小型化；二是功能上的，即控制中心进一步智能化、自动化。值班人员控制机组运行，如使用傻瓜机照像，这是驾驶仓式控制室最本质的特征，主要表现在以下几方面1机组成千上成个信息应尽可能经智能化浓缩后再提供给运行操作人员。2机组主要模拟参数完全由自动控制装置DCS或FCS在全负荷或全程范围自动维持在最佳区域内。3炉、机、电实现全CRT监控，完全取消常规后备监控设备包括传统控制盘。网络控制室计算机化7/10后，将其纳入单元控制室，网络控制室随即取消。4生产过程按功能区或功能组划分，操作人员只需干预每个功能组，基本不用再直接向单个驱动对象风机、水泵及阀门等发出起、停或开、关命令。如汽轮机自起停功能组，只需操作人员按一下起动或停止按钮，汽轮机就会自动进行暖管、升压、冲转、升速、暖机、定速、并网和接带负荷，完全不用人来干预。燃烧器顺序控制功能组也是如此，功能组根据机组负荷自动起停燃烧器磨煤机。5机组紧急事故处理也完全依靠完善的保护系统自动完成，不但防止了人为误操作，而且还能快速、正确地处理事故，保护了人身和设备安全，大大提高了机组运行的安全性和经济性，也使操作人员能更快、更好地胜任大机组参数多、变化快和控制复杂的运行要求。6控制室面积大幅度减小，使控制室布置更加灵活，土建、照明及空调等费用都可大幅度降低。4智能控制应用增多智能控制历程从经典控制理论、现代控制理论发展到今天的智能控制理论，经历了约50A时间。从40年代至50年代，形成了经典控制理论，该理论基于传递函数建立起来的频率特性、根轨迹等图解解析设计方法，对于单输入单输出系统极为有效，至今仍在生产过程中得到广泛应用。但传递8/10函数对于系统内部的变量还不能描述，且忽略了初始条件影响，故传递函数描述不能包含系统所有信息。现代控制理论于60年代形成，它主要研究具有高性能、高精度的多输入、多输出多变量、变参数系统的最优控制问题。它对多变量有很强的描述和综合能力，其局限在于必须预先知道被控对象或过程的数学模型。现代控制理论是在经典和现代控制理论基础上于90年代基本形成的。智能控制的提出，一方面是实现大规模复杂系统控制的需要；另一方面也是现代计算机技术高度发展的结果。计算机使控制技术的工具发生了革命性变化，给智能控制的实现提供了有力的保证。智能控制是一种新的控制方法，它基本解决了非线性、大时滞、变结构和无精确数学模型对象的控制问题。智能控制方法智能控制就是利用有关方法或知识来控制对象，按一定要求达到预定目的。常见的智能控制方法大致有以下几种1模糊控制，从行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用控制方法；2分级递阶智能控制，模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成；3专家控制，将人的感性经验浅层知识和定理算法深层知识相结合的一种传统智能控制方法；4神经网络控制，从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴控制和辨9/10识方法；5拟人智能控制，模拟、延伸和扩展人的多层次智能即人控制器的控制方法；6预测控制，利用模型预测被控过程未来的输出及其与给定值之差，并据此以某种优化指标计算当前应施加于过程的控制作用。智能控制应用火电厂有些热工控制对象的数学模型是很复杂的，且很难测准，若继续沿用经典和现代控制理论往往很难奏效，事实也证明了这点。尽管智能控制理论和技术发展的历史不长，但其卓越的性能诱导人们在各方面进行许多应用尝试，取得了卓有成效的成果。智能控制在火电厂热工自动化中已开始采用，如通辽电厂在200MW机组热工自动化改造中，在直吹式锅炉主蒸汽压力控制中采用模糊控制，较好地解决了主蒸汽压力被控对象的纯迟延和大惯性等难题；铁岭电厂300MW机组协调控制系统因原设计采用经典控制策略和送引风系统漏风等问题的影响，一直未投入自动运