李麟章，王 健

（江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102）

節(jié)能減排是我國當前的一項基本國策，火力發(fā)電廠則是節(jié)能減排的重點對象，牽涉到規(guī)劃、設(shè)計、管理、運行、設(shè)備優(yōu)化很多方面，其中儀表和控制系統(tǒng)即熱工自動化設(shè)計的內(nèi)容也和其密切相關(guān)。本文針對熱工自動化設(shè)計關(guān)聯(lián)節(jié)能減排的一些主要問題進行分析，并提出一些看法。

1 強化熱力設(shè)備安全性控制

1.1 安全運行是實現(xiàn)節(jié)能減排的前提

在機組連鎖保護邏輯設(shè)計中，除基本的緊急保護外，還應(yīng)進一步完善諸如超馳控制、輔機故障自動減負荷（Run Back）、燃燒器管理（BMS）等的邏輯設(shè)計，以使機組適應(yīng)各種可能出現(xiàn)的非常工況，盡量避免或減少故障停機，確保機組長周期運行。例如，在超馳邏輯中設(shè)置對閉環(huán)回路發(fā)散的參數(shù)監(jiān)測，一旦條件因素成立，將能越權(quán)處理系統(tǒng)故障，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)不再繼續(xù)變壞；又例如，在BMS邏輯中考慮鍋爐低負荷時自動投入等離子點火或微油點火，使鍋爐負荷適應(yīng)變化范圍更大。

保證熱力設(shè)備長周期安全運行是節(jié)能減排的基本體現(xiàn)，以300 MW機組為例，若發(fā)生一次故障停機，平均停機時間按8 h計算，從重新點火到帶150 MW負荷耗時以4 h計，則少發(fā)電約330萬kW·h，消耗燃油20 t左右，損失很大[1]。

1.2 強化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）中配置設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷功能模塊，并且在機組投入生產(chǎn)時要求配合投用，發(fā)揮效能。在設(shè)計階段就應(yīng)配合增設(shè)必要的監(jiān)測點，例如補列一些輔機軸承振動監(jiān)測等，以不犧牲設(shè)備安全、經(jīng)濟運行為原則，在保證安全基礎(chǔ)上延長機組檢修間隔，改變固有的計劃檢修模式。同樣以300 MW機組為例，如果把機組每年一次的小修延長至一年半至兩年，就可以有效地降低檢修費用1/3～1/2，從而降低營運成本，按300 MW機組計算年節(jié)省費用可達200～300萬元[1]。

2 優(yōu)化熱力系統(tǒng)運行經(jīng)濟性

2.1 采用優(yōu)化控制軟件

目前，各類優(yōu)化軟件充斥市場，應(yīng)該進行一番調(diào)查、梳理、評審和推薦。在分散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)規(guī)范書中及在設(shè)計聯(lián)絡(luò)會上應(yīng)將軟件應(yīng)用和優(yōu)化作為重點內(nèi)容予以討論落實，有條件應(yīng)列入考核。

某研究表明，當過熱器出口溫度采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的串級預測控制時，其和常規(guī)串級控制階躍響應(yīng)相比調(diào)節(jié)速度快2倍，而超調(diào)量僅是常規(guī)的30%左右[2]。

采用實用且有效的先進算法的控制軟件，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊算法、非線型協(xié)調(diào)等，確實能顯著改善火電廠熱力系統(tǒng)中大量存在的大時延、非線型、多重耦合、多輸入多輸出等控制回路的調(diào)節(jié)特性，對常規(guī)比例—積分—微分控制器（PID）控制進行改造能達到提高機組經(jīng)濟運行的目的，其效益是提高了機組效率、降低煤耗、減少污染物的排放。

2.2 建立機組經(jīng)濟指標評價體系

借助SIS平臺，構(gòu)建能夠全面反映機組熱力性能特點的數(shù)學模型，利用機組性能計算功能模塊的采集計算，展開機組性能和耗差分析計算，建立機組經(jīng)濟指標評價體系。

某300 MW電廠把機組諸多經(jīng)濟指標按重要性大小分級，建立三級機組經(jīng)濟指標評價體系[1]，如一級指標有：供電煤耗、廠用電率、機組燃油消耗等；二級指標有：鍋爐效率、汽機熱耗、煙氣排放等；三級指標有主汽和再熱汽溫、飛灰可燃物、補水率、加熱器端差等。每一指標都明確責任人，可以通過SIS的運行指導，采取措施縮小或消除偏差，最終使指標受控，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

2.3 實行機組負荷經(jīng)濟分配

目前，機組控制系統(tǒng)中設(shè)計的自動發(fā)電控制（AGC）是指電網(wǎng)調(diào)度針對每臺單元機組直接目標負荷的控制。它是通過設(shè)在電廠端的遠程終端（RTU）和機組DCS用硬接線方式相連實現(xiàn)的。當電廠中有多臺單元機組時，每臺機組都需要按上述方式用硬接線將信號和RTU相連。目前的AGC方式主要為保證電網(wǎng)安全調(diào)度和負荷的平衡，和機組運行的經(jīng)濟性無多大聯(lián)系。

廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)新營運模式下，電網(wǎng)調(diào)度AGC指令應(yīng)該是對一個獨立發(fā)電公司的實時負荷指令，需要經(jīng)過電廠經(jīng)濟負荷分配再落實到每臺機組。AGC是和機組經(jīng)濟運行相連系的，這就體現(xiàn)了整個電網(wǎng)營運的經(jīng)濟性。

負荷經(jīng)濟分配一般配置在廠級SIS中，通過對單元機組實時性能計算與耗差分析結(jié)果應(yīng)用，獲取機組負荷特性實時曲線，同時要有手段來鑒別負荷經(jīng)濟分配的實時效果。對負荷經(jīng)濟分配軟件的研究也越來越受到人們的重視，除較經(jīng)典的等微增率原理、二次規(guī)劃分配原理等外，還提出了許多優(yōu)化方法，例如線型規(guī)劃法[3]、微粒群算法[4]等。

2.4 構(gòu)筑性能優(yōu)化知識庫

目前電廠都已設(shè)置廠級管理信息系統(tǒng)MIS，它可以通過SIS采集到機組運行的實時信息，這就為通過網(wǎng)絡(luò)平臺信息交流提供了條件?？梢砸园l(fā)電集團甚至由發(fā)電行業(yè)出面組織對同類型機組運行專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)筑機組性能優(yōu)化專家知識庫。需要時用戶可以通過主題詞和特征參數(shù)的提取，快速檢索同類機組性能問題，提出解決措施[1]。也可以憑借專家知識庫，各電廠再建立自己的專家系統(tǒng)，用于指導實時運行，提高經(jīng)濟運行效果。

3 提高節(jié)能減排新技術(shù)可靠性

3.1 提高啟動及低負荷時等離子點火和微油點火安全性

等離子點火和微油點火技術(shù)以其節(jié)省燃油、環(huán)保效益明顯等優(yōu)點正在被重點推廣使用。但是，在冷爐點火階段和低負荷時，由于煤粉燃燼延遲，導致爐膛上部屏底煙溫升高，高溫受熱面存在超溫風險。若點火偏于一側(cè)，還會引起鍋爐膨脹不均勻。另外，由于此時煙氣中飛灰可燃物含量高，很容易在空預器等尾部煙道沉積，引起自燃[5]。

針對上述不安全因素，一則應(yīng)該在點火控制邏輯設(shè)計中重點加強對煤粉研磨細度、一次風速、風粉濃度、空預器吹灰及省煤器灰斗除灰等的控制設(shè)計。二則應(yīng)加強開發(fā)可靠的飛灰可燃物檢測儀表，滿足實時檢測的要求。當前市面上生產(chǎn)的飛灰測碳儀，實際使用的可靠性和精確度都很難滿足要求。

3.2 脫硫和單元機組控制的融合

目前，發(fā)電廠大多采用煙氣石灰石濕法脫硫，控制采用獨立的控制系統(tǒng)，盡管其控制系統(tǒng)的硬件和單元機組控制DCS可能是一致的，然后兩者間通過不多的硬接線把必須的交換信號互聯(lián)起來，實現(xiàn)運行中的聯(lián)動和保護。

隨著環(huán)保要求越來越嚴格，當前已要求基建項目的脫硫要和機組同步投入使用，并且將取消煙氣脫硫系統(tǒng)旁路擋板和氣-氣交換器（GGH），進而取消增壓風機。這樣一來，脫硫系統(tǒng)煙氣通道的控制和鍋爐控制已密不可分，將脫硫控制納入機組DCS中監(jiān)控必然成為一種趨勢。這時，鍋爐控制回路和保護邏輯設(shè)計中將包括對脫硫系統(tǒng)中煙道擋板開閉、吸收塔超溫保護、煙氣排放溫度控制等的內(nèi)容。此外，也要妥善安排脫硫漿液制備、漿液循環(huán)、石膏脫水、脫硫廢水處理等公用系統(tǒng)的控制設(shè)計。

引風機和增壓風機合一，引風機電機功率將增大很多，對電氣設(shè)備造價影響較大，要關(guān)注采用3×35%引風機配置方式或采用汽動驅(qū)動引風機的可能性及其相關(guān)控制策略的變化。也要關(guān)注GGH若改用水-氣交換器后的控制策略的變化。

3.3 研究大型輔機采用變頻控制的技術(shù)規(guī)范

變頻器應(yīng)用在負荷頻繁調(diào)節(jié)或周期性大幅度變化的轉(zhuǎn)動機械上具有顯著的節(jié)能功效，因此在電廠中也越來越多地得到采用。某電廠320 MW機組兩臺凝結(jié)水泵采用一拖二高壓變頻器調(diào)速控制后，和原有定速泵相比，按全年平均負荷80%計，廠用電下降452.5 kW，若按年運行5000 h計算，全年可節(jié)電 22652 kW·h[6]，效果明顯。

但變頻器尤其是高壓變頻器的設(shè)備投資費用較大，還要考慮設(shè)置變頻器專用的房間，安裝設(shè)計中要考慮防止其高次諧波對周圍信號干擾的措施。因此，電廠中哪些輔機最適宜采用變頻控制應(yīng)有深入的可行性分析，最好編制行業(yè)性的推薦意見和技術(shù)規(guī)范。那些基本以額定負荷運行、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不大的輔機宜作技術(shù)經(jīng)濟比較后再予確定，應(yīng)慎選變頻。

采用變頻方式，設(shè)計中除了選定變頻器電壓等級外，還應(yīng)按照輔機類型、負荷變化特點、調(diào)速范圍、負載轉(zhuǎn)矩特性等選定變頻器的控制方式。

3.4 主蒸汽流量的獲取

現(xiàn)今大容量機組的主蒸汽流量測量，基本上都采用汽輪機調(diào)節(jié)級后壓力或壓力級組前后壓力加溫度修正的間接換算法，該方法源于汽輪機理論中著名的弗留格爾（FLUGEL）公式。在實際使用中只要針對限制公式使用條件的影響因素，例如再熱器噴水、對外供汽等作一定的修正，其計算值將具有一定的精度，完全能滿足機組運行監(jiān)視、性能監(jiān)測和過程控制的需要。

上海汽輪機有限公司引進西門子技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界汽輪機由于沒有第一級壓力級，無法采用間接換算法，最近投用的該機型機組例如華能玉環(huán)電廠1000 MW機組、華能金陵電廠1000 MW機組等，都在鍋爐一級過熱器出口裝設(shè)主蒸汽流量測量裝置，由于是裝設(shè)在高溫高壓環(huán)境，設(shè)備費用昂貴。同時，裝設(shè)流量測量裝置后會造成節(jié)流損失，對大機組而言該損失已不容忽視，對于運行參數(shù)已接近上限的某些機組，主蒸汽的壓力損失將直接影響機組的出力。另外，機組出力在大幅度滑參數(shù)變動工況下運行時，引起蒸汽雷諾數(shù)變化過大，影響流量測量的流量系數(shù)的穩(wěn)定，導致低負荷時誤差變大，也很難獲得滿意的測量結(jié)果[7]。

超（超）臨界直流鍋爐的主蒸汽溫度調(diào)節(jié)，主要是調(diào)節(jié)煤水比及過熱段噴水量，給水流量等于蒸汽流量，在調(diào)節(jié)回路設(shè)計中可以不需要主蒸汽流量的參與，如若在數(shù)字電液（DEH）控制中也不需要或者內(nèi)部能夠計算主蒸汽流量（上汽公司可以提供機組第5級抽汽壓力對應(yīng)主蒸汽流量的對應(yīng)曲線），則應(yīng)盡可能不要裝設(shè)主蒸汽流量測量裝置[8]。

4 開發(fā)應(yīng)用新穎節(jié)能減排檢測儀表

4.1 快速熱電偶

常規(guī)的蒸汽管道疏水袋液位都采用液位開關(guān)檢測，要設(shè)置高、低兩只。液位開關(guān)價格較貴，且易卡澀或泄漏，安裝時對應(yīng)液位設(shè)定點誤差較大，介質(zhì)排放難以準確控制。

可以采用快速熱電偶檢測疏水袋中溫度，當溫度低至管道壓力對應(yīng)蒸汽飽和溫度時，說明袋中積水應(yīng)該疏水，當溫度高于對應(yīng)蒸汽飽和溫度時關(guān)閉疏水。該方法設(shè)備費用省，可靠性高。GE公司提供的大型燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中，就是應(yīng)用的此方式，效果良好。目前國產(chǎn)產(chǎn)品最快響應(yīng)時間約15 s，應(yīng)開發(fā)響應(yīng)時間更快的秒級的產(chǎn)品。

4.2 閥門或管道超聲檢漏

正常運行中常關(guān)閉的控制閥，如疏水閥、旁路閥、再循環(huán)閥、噴水減溫閥等及其相應(yīng)管道，目前也可采用快速熱電偶檢測泄漏。但若能裝設(shè)超聲檢漏則可更快速報警，采取措施減少工質(zhì)損失，體現(xiàn)節(jié)能。國外已有采用無線超聲檢漏設(shè)備的較多工程實例，國內(nèi)還未見報道。

4.3 大型圓筒煤場安全監(jiān)測儀表

大型圓筒煤場具有節(jié)地、環(huán)保兼干煤棚的優(yōu)點，目前已推廣采用。但是其內(nèi)部是否要裝設(shè)安全監(jiān)測儀表還沒有明確要求，例如是否需要裝設(shè)可燃氣體監(jiān)測儀？如何檢測煤中自燃？如何聯(lián)動消防設(shè)施？都值得研討。現(xiàn)在有的工程設(shè)計在一圈筒壁上沿煤堆中間高度設(shè)置約一百多支熱電阻，探測煤堆中的溫度，以期及早發(fā)現(xiàn)煤堆內(nèi)部自燃。

4.4 露天儀表導管電伴熱防凍的溫度控制

由于露天儀表導管和變送器都分散布置，大多采用電伴熱防凍。目前電伴熱帶的電源控制有采用測量被伴熱導管保溫層內(nèi)部溫度來定點開通的，但一般只是單點控制，例如溫度開關(guān)被設(shè)定在10℃，到達該溫度時電源被切斷，而低下來又合上。也有電廠不裝設(shè)溫控器，完全是由人工操作的，冬天氣溫一低則全部通電，一直讓伴熱帶伴熱。

將電伴熱電源控制設(shè)計成節(jié)能的方式，即采用兩位式溫度控制，開發(fā)一種兩位式微型溫包式溫控器，節(jié)點開斷容量要大，使電伴熱電源可在較寬的范圍內(nèi)通斷。以2臺600MW超臨界機組為例，其露天鍋爐加其他露天場所電伴熱帶的用量約4000～5000 m，功率按16 W/m計，若冬天伴熱每天能少通電4 h，則粗略估算每天可節(jié)電260～320 kW·h。

4.5 鍋爐爐膛溫度聲波監(jiān)測

聲學鍋爐爐膛溫度測量方法是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，該方法在國外已有一定的應(yīng)用，但尚未見國內(nèi)電站鍋爐上應(yīng)用的報道。聲學測溫方法的基本原理是基于聲波在氣體介質(zhì)中的傳播速度是該氣體組分和絕對溫度的函數(shù)。在大多數(shù)實際情況下，氣體組分對聲波傳播速度的影響較小，且在很小的范圍內(nèi)變化。因此，聲波傳播速度可以看作氣體介質(zhì)絕對溫度的單值函數(shù)[9]。

聲波測溫可以連續(xù)監(jiān)測爐膛內(nèi)煙氣溫度在時間和空間上的變化，對鍋爐燃燒調(diào)節(jié)極為有利：

（1）控制火焰中心，矯正爐內(nèi)燃燒不均勻，減少水冷壁磨損和結(jié)焦，改善汽水循環(huán)。

（2）監(jiān)控爐膛出口溫度，合理分配輻射熱和對流熱的比例，減少過熱器和再熱器噴水量，提高回熱效率。

（3）優(yōu)化風煤比，提高燃燒效率。

（4）降低污染物排放。通過減小火焰峰值溫度，可以在燃燒后期降低NOX生成，同時降低鍋爐脫硝裝置運行費用。

4.6 重金屬濃度在線監(jiān)測儀表

4.6.1 煙氣中重金屬濃度在線監(jiān)測

重金屬元素（主要指 Cd，Pb，Zn，As，Sb，Hg 等）在煤粉燃燒過程中會分解釋放出來，經(jīng)歷一系列物理化學變化，一部分揮發(fā)的重金屬元素將富集在飛灰（尤其是亞微米級細小顆粒）上，隨著煙氣或爐渣排出。它們在大氣中有很長的駐留時間，不為微生物降解，并轉(zhuǎn)化為毒性很大的金屬有機化合物，從而對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生很大危害。

從環(huán)保發(fā)展來看，發(fā)電廠煙氣排放對重金屬的監(jiān)測或直接要求煙氣脫重金屬是指日可待的，因此煙氣中重金屬濃度在線監(jiān)測儀表的開發(fā)應(yīng)用具有良好的前景。

4.6.2 廢水中重金屬濃度在線監(jiān)測

發(fā)電廠工業(yè)廢水排放前針對重金屬的監(jiān)測主要采用采樣分析，尚未見在線實時分析的應(yīng)用介紹。采樣分析的缺點主要是成本高、效率低，如果不能及時檢測則樣品的變化或污染還會影響到檢測結(jié)果的客觀性。如果能開發(fā)采用一種實用的在線檢測儀，也將會獲得良好的應(yīng)用。

4.7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是繼現(xiàn)場總線后推出的一種新型由無線傳感器組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，1978年美國軍方就已開始研究，1999年美國商業(yè)周刊將之列為21世紀最具影響的21項技術(shù)之一，2003年美國商業(yè)周刊又在其“未來技術(shù)專版”中指出WSN是全球未來的四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一[10]。美國能源部（DOE）在 2004 年發(fā)布“未來工業(yè)計劃”（IOF）中指出：基于工業(yè)無線技術(shù)的低成本測控系統(tǒng)是實現(xiàn)到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5%目標的主要手段，代表著工業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向。

在工業(yè)自動化儀表產(chǎn)品方面，Emerson，Honeywell，Siemens等公司已經(jīng)推出了無線溫度、壓力、流量、物位變送器及相關(guān)產(chǎn)品，并且有了一些應(yīng)用范例。我國也有儀表廠已經(jīng)生產(chǎn)出了無線變送器和無線執(zhí)行器的樣機。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，可以節(jié)省大量電纜，減小安裝施工工作量，低功耗運行，體現(xiàn)節(jié)能，經(jīng)濟效益顯著。

5 關(guān)注熱工自動化設(shè)計中隱性節(jié)能降耗因素

5.1 儀用壓縮空氣耗量

儀用壓縮空氣耗量的大小，決定了壓縮空氣機組配置的容量及今后日常運行的費用。工程設(shè)計前期，氣動裝置（例如各類氣動閥門）的不確定性較大，對儀用壓縮空氣耗量的準確統(tǒng)計比較困難，因而往往將儀用壓縮空氣機組容量配置較大，裕量大則日常運行成本消耗大。

5.2 不停電電源UPS負荷

目前工程設(shè)計中UPS容量選擇都較大，有的每臺大型機組還配置全容量兩套，但是投運后實際負荷率卻很低，甚至小于50%。宜通過調(diào)查統(tǒng)計，歸納不同容量機組儀用UPS實際負荷，對UPS選型提出推薦意見。

5.3 電子設(shè)備間空調(diào)

電子設(shè)備間對空調(diào)的要求應(yīng)該沒有集中控制室那么高，沒有對人舒適性的要求，其內(nèi)部安裝的電子設(shè)備機柜（主要為 DCS，DEH，MEH，TSI，PLC 等）對環(huán)境溫度的適應(yīng)性也較寬，只要控制住溫度變化率，不使電子板件產(chǎn)生結(jié)露，也不產(chǎn)生有害程度的靜電即可。如EMERSON公司OVATION系統(tǒng)的控制器機柜，其運行時可適應(yīng)環(huán)境溫度規(guī)定為0～50℃[11]。因此可以配合暖通專業(yè)確定電子設(shè)備間可行的空調(diào)技術(shù)條件，減少電子設(shè)備間空調(diào)運行費用。

5.4 傳感器冗余配置

大機組控制回路及保護邏輯設(shè)計中各類傳感器（包括變送器、熱電偶、熱電阻、參數(shù)開關(guān)等）冗余配置的數(shù)量很大，目前還缺少一個規(guī)范或規(guī)定來統(tǒng)一參照實施。總的來看冗余被采用得過多，例如有的工程凡閉環(huán)調(diào)節(jié)被調(diào)量檢測全部配置三冗余傳感器，為滿足調(diào)節(jié)和保護分開，每臺高壓加熱器液位檢測要配置3臺液位變送器和3臺液位開關(guān)。傳感器的過多配備增加了設(shè)備投資、電纜消耗，也增加了控制系統(tǒng)資源消耗、能量消耗和日常維護消耗，是否必要值得深究。

6 結(jié)束語

火電廠熱工自動化設(shè)計中和節(jié)能減排關(guān)聯(lián)的因素是多方面的，需要我們加強挖掘、聚沙成塔。在關(guān)注的同時，希望在一些明朗的控制設(shè)備、控制系統(tǒng)及控制技術(shù)應(yīng)用方面采取切實可行的措施，取得實效。

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