电力行业热工自动化技术的应用现状与发展

1、热工自动化技术在电力行业的应用现状及发展总的来说，热工自动化系统的发展趋势是高速化、智能化、集成化和透明化。故障信息的研究和充分利用是发现热故障诊断和故障预测的基础，现场总线的应用为热自动化系统的进一步发展提供了广阔的空间。1当前电力行业热工自动化技术的发展随着世界高科技的迅速发展和我国机组容量的迅速提高，火电厂热工自动化技术在吸收相关学科最新成果的基础上得到迅速发展和提高，近年来日新月异。一方面，作为机组主要控制系统的集散控制系统在控制结构和控制范围上发生了巨大的变化；另一方面，随着基于现代控制理论的厂级监控管理信息系统(SIS)、现场总线技术和控制技术的应用，给热工自动化系统注入了新的活力

2、。1.1集散控制系统的应用与发展随着火电厂热工自动化系统的发展和变化，20世纪集散控制系统的应用正在更新，但现在是集散控制系统应用范围和功能的迅速扩展。1.1.1集散控制系统的应用范围迅速扩大20世纪末，当集散控制系统应用于我国燃煤机组时，其监控功能仅限于集散控制系统、监控系统、FSSS和控制系统。即使在2004年发布的Q/DG1-K401-2004 火力发电厂分散控制系统（DCS）技术规范书中，集散控制系统应用的主要功能子系统仍是上述四项，但事实上，近年来集散控制系统的应用范围迅速扩大。除了大量高参数、大容量、不同控制结构的燃煤火电机组(如浙江省玉环电厂1000兆瓦机组)、脱硫系统、脱硝系统

3、等各种控制子系统的综合应用外，可以说只要该系统在技术上能够实现，DCS就能够对其进行可靠的控制。1.1.2机组控制系统一体化的兴起随着一些电厂将发变组和厂用电系统的控制(ECS)功能纳入分散控制系统(DCS)的SCS控制功能范围，ETS控制功能转变为分散控制系统(DCS)模块，DEH和分散控制系统(DCS)的软硬件合二为一，部分机组的湿法烟气脱硫控制直接进入机组分散控制系统(DCS)控制的成功运行，标志着控制系统随着分散控制系统(DCS)技术的发展而日趋完善和成熟。由于集成减少了信号之间的连接接口和由异常接口和线路引起的传输过程故障，减少了备件的种类和数量，降低了维护工作量和成本，近年来集成控

4、制系统逐渐应用于不同容量的新机组。例如，西屋Ovation系统用于浙江华能玉环电厂41000兆瓦机组、台州电厂2300兆瓦机组和安徽丰台电厂4600兆瓦机组，西门子公司的T-XP系统用于国华镇能宁海电厂4600兆瓦机组，大唐乌沙山电厂4600兆瓦机组采用I/A系统，浙江乐清电厂4600兆瓦机组采用ABB公司的SYMPHONY系统。控制系统集成的实现是电力行业集散控制系统应用功能快速发展的体现。排除人为因素，控制系统的集成将被越来越多的电厂采用。1.1.3集散控制系统结构变化，应用技术发展迅速随着电子技术的发展，近年来集散控制系统的结构发生了变化。过去，人们强调尽可能多地分配控制功能，这导致控制

5、器和接口之间过度使用连接。然而，控制器和接口之间过多的连接可能不会提高系统运行的可靠性，但可能会导致故障停机概率的增加。此外，机组各控制系统之间的信号有着千丝万缕的联系和牵连，一对控制器的故障可能导致机组停机，即使不直接导致停机，也会因失去正确的信号而影响其他控制器的正常工作。因此，随着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)，冗余技术的采用(集散控制系统的核心部件部分中央处理器采用22个冗余模式)，以及速度和可靠性的提高，集散控制系统正转向适度集中化，多个密切相关的控制系统和非常复杂的控制功能集中在一对控制器中，上述单元采用集成控制系统。它正成为集散控制系统应用技术的一个

6、新的发展方向，不仅减少了故障环节，而且由于内部信息交换的方便和信息传输渠道的减少，提高了可靠性。此外，随着近年来集散控制系统应用技术的发展，如采用通用硬件平台、独立应用软件系统、标准化通信协议、集成可编程控制器、实现现场总线功能、一键启动技术的成功应用等。这些都为集散控制系统增添了新的活力，进一步完善了其功能，拓宽了其应用范围。1.2全厂辅助控制系统走向集中监控火力发电厂有10多个辅助车间。在中国，可编程控制器和上位机组成自己的网络，在每个车间的控制室分别控制，因此需要配备大量的操作人员。为了提高外围设备的控制水平和劳动生产率，达到减员增效的目的，随着集散控制系统技术和网络通信功能的提高，各辅

7、助车间的控制现已适度集中，并集成到一个辅助控制网络中(简称BOP，工厂平衡的缩写)，即通过计算机和网络技术集成独立的外围辅助系统。 在全厂的信息技术系统上监控运行状态，实现少人值守或无人值守的外围控制。近年来，新项目在这方面发展迅速。例如，国华镇能宁海电厂一期工程(4600兆瓦)燃煤机组防喷器涵盖了水、煤、灰等13个辅助车间子系统的监控。集中监控点设在四台机器和一个控制室，打破了全厂辅助车间的传统运行管理模式，不仅比常规减少了30%的人员，而且提高了全厂的运行管理水平。整个辅助控制网络软硬件的统一降低了备件库存和日常管理维护成本。由于取消了几个本地控制室，基本建设成本和未来维护成本都有所降低。

8、老厂的一些辅助车间也在进行防喷器改造，其中浙江省第一家是嘉兴电厂2300MW机组，取得了良好的效果。1.3变频技术的推广、应用和发展变频器作为控制系统中重要的功率转换元件，具有提供高性能可变电压和可控交流电源的特点。在过去的几年里，它在火电厂小型电机(如给粉机和凝结水泵)控制中的应用发展迅速。由于变频调速不仅在调速范围和精度、动态响应速度、低速旋转扭矩、工作效率和方便性等方面显示出优越性，而且由于节能效果，对经济效益和社会效益也有显著的影响，交流变频调速技术在一些中小型电机中得到广泛应用后随着自动化技术的发展，出现了新的自动化仪器。现场总线就是其中之一，它与集散控制系统紧密结合。提高控制信号传

9、输的准确性、实时性、快速性以及机组运行的安全性和可靠性，解决现场设备的现代化管理，减少工程投资，是一种先进有效的结合。目前，在西方发达国家，现场总线已经应用于各个行业，其中，尼德豪森电厂2950兆瓦机组的控制系统是电力行业中最典型的控制系统，采用了现场总线。“九五”以来，中国政府开始投资开发现场总线，并取得了初步成效。开始生产HART仪表和FF仪表。然而，由于电厂控制的高可靠性要求，缺乏大型示范项目和现场总线对电厂设计、安装、调试、生产和管理影响的研究。因此，现场总线在电厂中的应用还处于探索阶段。近两年来，中国有十多个项目应用了现场总线，但都是在本地系统上。国华镇能宁海电厂机组启闭水系统电动门

10、控制采用Profibus-DP总线技术，电动执行机构采用德国欧玛公司引进的一体化智能产品Puma Matic，总线上挂有双通道Profibus-DP冗余总线接口作为DP从站。为了提高安全性和可靠性，总线光纤、作为总线上第一个动力定位主站的接入点以及相应的光电转换装置都采用了冗余结构，这是我国第一个在过程控制中采用现场总线技术的火电厂。华能玉环电厂2的补给水处理系统和废水系统采用双层通信网络结构的现场总线控制系统，其链路设备和主站级网络采用冗余配置。控制系统的人机终端与主控制器之间采用工业以太网通信，以太网交换机采用ITP接口，四个交换机组成光纤公路网。现场总线用于现场设备之间的通信。光缆用于主

11、环网，总线电缆用于分支现场总线通信。提供两套冗余主控制器，分别用于锅炉补给水系统和废水系统，每套控制器有两个由光电耦合器组成的现场总线环型光缆网络，形成冗余配置。所有现场仪表和气动阀门定位器(均带有动力分配总线接口)通过动力分配/动力分配耦合器连接到现场总线。中低压电气设备(MCC)采用具有现场总线通信接口功能的智能电机控制器。计量泵中的电机采用带总线的变频器。锅炉补给水阴阳床气动隔膜阀的电磁控制阀由带总线接口的阀岛控制，阀岛与现场总线相连。这是中国第一个在本地过程控制中完全采用现场总线技术的火电厂。应用实践表明，在辅助控制网络中全面采用现场总线技术已经成熟。1.5热控优化技术的应用与发展随着

12、过程生产领域对控制系统要求的不断提高，传统的控制方法越来越难以满足火电厂热工过程对系统稳定性和性能优化的要求，蒸汽温度过高已成为制约机组负荷变化响应能力和安全稳定运行的主要障碍之一(燃烧优化主要由锅炉专业进行，本文不做讨论)。因此，一些基于现代控制理论的现代控制系统逐渐应用于火电厂过程控制领域。例如，基于过程模型并在线动态求解优化问题的模型预测控制方法，使自动装置模拟人工操作的经验和规律实现复杂被控对象自动控制的模糊控制方法，以及利用熟练操作人员成功人工操作的经验数据，在常规串级PID控制系统的基础上，基于神经网络技术的前馈控制，在提高控制品质的过程中取得了良好的效果在图1中，基于状态空间算法

13、的状态观测器用于解决蒸汽温度延迟引起的控制滞后，焓变增益控制器用于解决蒸汽压力变化对温度控制的影响，基于该模型的史密斯预估器提前控制预引导温度的变化。通过自学习功能块实时补偿减温水阀门特性的变化；再热蒸汽温度控制尽量采用烟道挡板作为调节手段，不采用或采用减温水作为控制手段，以提高机组效率；单元协调控制模块采用非最小化形式描述的离散卷积和模型，提高了系统的鲁棒性；根据控制质量的二次性能指标，不断优化计算预测输出，实时补偿模型失配、时变和干扰等不确定因素，提高系统的控制效果；PROFI投入运行后，响应时间为57秒，最大压力偏差为0.208兆帕，汽包水位最高变化与最低变化之差为-38.86毫米，炉膛

14、负压曲线最高值与最低值之差为-145帕，主蒸汽温度偏差稳态基本控制在2以内，动态控制在5以内。1.6 sis系统的应用开发SIS系统是电厂管理信息系统和各种分散控制系统之间实现数据交换和实时信息共享的桥梁。其功能包括工厂级的实时数据收集和监控，以及工厂级的性能计算和分析。在电网明确定义有非直接调度方式且应用软件成熟的前提下，可以设置负荷调度和分配功能。设备故障诊断功能、寿命管理功能、系统优化功能等功能(是否根据电厂的实际情况进行设置)3。自2000年国家电力公司电力规划院提出这一概念和规划以来，估计已有200多家电厂建立了SIS系统，发展迅速。但是，自从SIS系统投入运行以来，其功能仅仅是各种

15、生产报表的数据采集、存储、显示和打印，很少能真正发挥SIS的应用功能。其用于统计/生产管理、基于热经济性分析的运行优化、以质量经济性为目标的控制优化以及以提高可靠性为目标的设备故障诊断的大多数数据分析工具都未能实施。主要原因是设计不完善，大部分SIS厂商对高度专业的背景程序和算法不完全了解，使其无法在生产实践中发挥作用，与现场生产脱节。因此，SIS代理所能做的就是在利用网络技术构建基本SIS框架的同时进行探索。此外，对于安全信息系统应该包括什么没有统一的标准，这减缓了其功能的应用。但是，从更广的角度来看，SIS系统的建设符合技术发展的需要和中国电力市场的发展趋势，将会给发电厂特别是大型现代化发

16、电厂带来良好的经济效益。2电力行业热工自动化系统的未来发展趋势和前景随着国家环保法律要求的日益严格和计算机网络技术的进步，未来的热力系统将围绕“节能、增效、可持续发展”的主题，朝着智能化、网络化、透明化、保护化、控制化、测量化和数据通信一体化的方向发展。新的测量控制原理和方法不断得到应用，使机组的运行和故障处理像普通计算机一样方便。2.1机组监控智能化是热工自动化系统的发展方向随着分散控制系统在机组中的推广和应用，机组监控呈现出新的面貌，但其监控智能在电力行业并没有得到很大提高。虽然许多智能监控软件已经在国内化工和冶金行业得到了很好的应用，并取得了一定的效益，但这些软件在我国电力行业才刚刚起步

17、。随着科技的发展，自动化系统的智能化仪表智能管理软件将对现场智能传感器进行在线远程配置和参数设置，远程校正安装位置和高静压引起的零点漂移，自动校准精度，计算各种误差，并生成校准曲线和报告；自动跟踪记录仪表运行过程中的综合状态变化，如断电、高低限报警、压力管道是否堵塞或零位是否漂移等。智能阀门管理软件将对智能阀门进行在线配置、调试、自动校准和开启步进测试，判断阀杆是否卡死，阀芯是否磨损等。并通过对阀门性能的综合评估为实现预测性维护提供决策。重要旋转设备状态智能管理软件将全面采用各种基于可靠性的重要旋转设备状态监测技术，如风机、引风机、给水泵等。通过振动和油液分析以及电机诊断，可以快速分析是否存在平衡不良、基础松