肖伯樂

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海 200240)

隨著改革開放和電力建設(shè)的發(fā)展以及信息、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的進(jìn)步,目前我國在火電廠主機(jī)控制、輔機(jī)控制、信息管理、優(yōu)化運(yùn)行等技術(shù)的應(yīng)用方面都已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平.自動(dòng)化信息化技術(shù)和自控儀表設(shè)備在確?；痣姀S安全可靠高效運(yùn)行中扮演著不可缺失的角色.目前大型火電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)和30年前的控制水平已不可同日而語,不論是監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)還是數(shù)字化儀表和控制設(shè)備,都已成為火電機(jī)組的運(yùn)行保護(hù)以及運(yùn)行管理的必要支持和手段.隨著高參數(shù)、大容量、高效率和低煤耗的超臨界發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用,熱力系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)控制也提出了更高的要求.根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)建立控制策略,在控制和保護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮正常功能的基礎(chǔ)上,完成鍋爐燃燒和煙氣排放的最佳運(yùn)行工況、減少操作人員對(duì)機(jī)組運(yùn)行的干預(yù)、提升響應(yīng)速度和延長機(jī)組壽命的綜合目標(biāo).現(xiàn)代火電廠的自控系統(tǒng)和設(shè)備,不僅提升了對(duì)機(jī)組運(yùn)行的保護(hù)能力,同時(shí)也為火電機(jī)組的高效運(yùn)行提供了有力的支持.

火電廠自動(dòng)化信息化的快速發(fā)展得益于20世紀(jì)80年代國家改革開放的政策,大規(guī)模的電力建設(shè)為其發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1].火電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大對(duì)控制系統(tǒng)提出了新要求,為保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,機(jī)組主、輔機(jī)系統(tǒng)控制回路和檢測參數(shù)的數(shù)量也大大增加,對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求.

國外電站控制的理念、先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的引進(jìn),進(jìn)一步推動(dòng)了國內(nèi)火電廠控制技術(shù)水平的進(jìn)步.30年前開始的石橫電廠300 MW機(jī)組和平圩電廠600 MW機(jī)組的技術(shù)引進(jìn),為火電廠帶來了新的監(jiān)控模式.數(shù)據(jù)采集(DAS)、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制(CCS)、爐膛燃燒安全管理(FSSS)、機(jī)組程控(SCS)、汽輪機(jī)數(shù)字電調(diào)(DEH)、旁路控制(BPS)、汽輪機(jī)保護(hù)(TSI)及煤、灰、水、吹灰等輔機(jī)程序控制系統(tǒng)的功能消化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā),奠定了國內(nèi)火電廠控制系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)及相關(guān)產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展基礎(chǔ).

分散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程序控制器(PLC)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)和管理信息系統(tǒng)(MIS)、廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)以及先進(jìn)控制策略的應(yīng)用已成為火電廠自動(dòng)化信息化發(fā)展的重要標(biāo)志.

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在主輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 主機(jī)采用DCS控制

分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的新型數(shù)字控制系統(tǒng),它是 4C技術(shù)——計(jì)算機(jī)(Computer)技術(shù)、控制(Control)技術(shù)、通訊(Communication)技術(shù)和圖形顯示(CRT)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物.隨著技術(shù)的發(fā)展,它又結(jié)合了信息(Correspondence)管理技術(shù),目前的DCS是完成過程控制和信息管理現(xiàn)代化的裝置(即5C技術(shù)).DCS代表著當(dāng)前自動(dòng)化控制領(lǐng)域的發(fā)展方向,在火力發(fā)電廠得到了廣泛的應(yīng)用,取得了顯著效果.DCS系統(tǒng)主要構(gòu)成:一是網(wǎng)絡(luò),通過通信線路互連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);二是微處理器,是DCS的硬件基礎(chǔ);三是IO通道,現(xiàn)場信息和人機(jī)界面的輸出輸入形成的互動(dòng);四是圖形技術(shù),直觀的圖形技術(shù)取代了傳統(tǒng)的模擬屏.

20世紀(jì)80年代末和90年代初,隨著整套進(jìn)口機(jī)組的汽輪機(jī)和鍋爐控制系統(tǒng)采用微機(jī)分散控制系統(tǒng)(DCS),在國產(chǎn)引進(jìn)型機(jī)組上也逐漸開始采用進(jìn)口和國產(chǎn)的DCS.火電廠的控制水平從“中等適用”推進(jìn)到“積極穩(wěn)妥地逐步推廣應(yīng)用DCS”.隨著火電廠采用微機(jī)分散控制系統(tǒng),對(duì)DCS認(rèn)識(shí)和了解的加深,DCS在主控系統(tǒng)的應(yīng)用從一開始3功能(MCS,SCS,DAS)的應(yīng)用,而后根據(jù)電廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和需要增加到 8功能(MCS,SCS,DAS,DEH,FSSS,BPS,ECS,BOP),目前國內(nèi)已經(jīng)有全廠主輔機(jī)控制系統(tǒng)都采用DCS組成控制系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn).

隨著DCS在各行業(yè)的應(yīng)用,火電廠也對(duì)DCS提出了許多新的要求,為此世界各國DCS廠商紛紛加強(qiáng)更高水平的DCS的開發(fā)研究,各國主要制造商已將DCS系統(tǒng)開發(fā)成為功能齊全、配置靈活的系列產(chǎn)品.ABB公司的AC800系統(tǒng)、Honeywell公司推出的PKS、Siemens公司的PCS7系統(tǒng)以及 Emerson公司的OVATION等產(chǎn)品標(biāo)志著DCS的不斷發(fā)展和進(jìn)步.國際先進(jìn)的控制系統(tǒng)在技術(shù)發(fā)展上呈現(xiàn)出以下趨勢:規(guī)?；⒂布南冗M(jìn)性和軟件的易于掌握、先進(jìn)控制算法的集成、控制卡件智能化、操作站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通用化以及網(wǎng)絡(luò)的開放和互聯(lián).

同時(shí)多家國產(chǎn)的DCS品牌也開始有了自己的發(fā)展領(lǐng)域,從開始只能在小的火電機(jī)組上配套,到現(xiàn)在已經(jīng)在1000 MW超臨界火電機(jī)組上獲得了應(yīng)用,標(biāo)志著我國DCS產(chǎn)品的硬件和系統(tǒng)開發(fā)趨于成熟.目前國內(nèi)的工程廠商在國際、國內(nèi)儀表供貨商的支持下,已有能力完成各種火電機(jī)組:汽包爐、直流爐、(超)超臨界機(jī)組、風(fēng)冷機(jī)組、循環(huán)流化床、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組、生物質(zhì)發(fā)電和垃圾焚燒爐等的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置、組態(tài)和調(diào)試運(yùn)行工作.

1.2 輔機(jī)采用可編程序控制器聯(lián)網(wǎng)

火電廠輔機(jī)控制也從繼電器的邏輯控制逐步進(jìn)入可編程序控制器(PLC)控制的應(yīng)用階段.PLC系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):功能豐富、網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)、編程逐步標(biāo)準(zhǔn)化和模塊微型化.PLC為用戶提供了更為集成的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),由于其抗干擾能力強(qiáng)和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的條件,以及控制軟件(梯形圖和邏輯控制)的接口容易,在火電廠輔機(jī)控制(輸煤、化水、除灰渣、吹灰程控等)系統(tǒng)領(lǐng)域上獲得了大量的應(yīng)用.隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)和開放軟件技術(shù)的發(fā)展,PLC系統(tǒng)性能得到不斷提高,應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷擴(kuò)展.

近年來,火電廠輔助車間控制系統(tǒng)向PLC聯(lián)網(wǎng)發(fā)展.由PLC聯(lián)網(wǎng)組成的嘉興電廠輔助車間集中監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1[2].

圖1 輔助車間集控系統(tǒng)配置圖Fig.1 Frame of control system

由圖1可知,這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加藥和取樣控制系統(tǒng)、化學(xué)補(bǔ)給水控制系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理控制系統(tǒng)、反滲透水處理控制系統(tǒng)、消防泵控制、除灰控制系統(tǒng)、除渣控制系統(tǒng)、電除塵控制、循環(huán)泵房、燃油泵房、綜合泵房和吹灰程控系統(tǒng)等的PLC聯(lián)網(wǎng).

近年來也有電廠采用DCS作為輔機(jī)控制系統(tǒng),優(yōu)點(diǎn)是主輔機(jī)控制系統(tǒng)的一體化,使機(jī)組信息統(tǒng)一管理更方便,同時(shí)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的維護(hù)和備件更簡捷.如越南山洞電廠2臺(tái)125 MW機(jī)組的主機(jī)控制采用 DCS,其他系統(tǒng)(輸煤、化水、吹灰、除渣、電氣和公用系統(tǒng)等)也由DCS完成系統(tǒng)的控制功能和成套配置,現(xiàn)已成功投運(yùn).

1.3 以廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)作為運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)

20世紀(jì) 90年代末,在火電廠主輔機(jī)控制(DCS/PLC)已經(jīng)成熟的基礎(chǔ)上,我國專家提出了廠級(jí)實(shí)時(shí)信息監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)的概念,建立全廠生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控信息平臺(tái),這標(biāo)志著我國火電站的信息化進(jìn)入了新階段.

SIS作為廠級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能就是完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化管理,數(shù)據(jù)服務(wù)于各級(jí)運(yùn)行值班人員和生產(chǎn)管理人員.在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的支持下,SIS系統(tǒng)還可以推進(jìn)監(jiān)控相關(guān)應(yīng)用軟件模塊的開發(fā).其一般功能包括:全廠各機(jī)組之間負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配、機(jī)組級(jí)性能計(jì)算、優(yōu)化運(yùn)行操作指導(dǎo)、故障診斷模塊、設(shè)備壽命計(jì)算和狀態(tài)檢修、耗差分析模塊、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模塊和控制優(yōu)化模塊等.

火電廠應(yīng)用SIS完成其基本功能和開發(fā)應(yīng)用軟件功能,主要是為解決數(shù)據(jù)的可靠性和應(yīng)用軟件的實(shí)用性等問題[3].建成SIS的電廠許多已經(jīng)在數(shù)據(jù)共享、運(yùn)行優(yōu)化、促進(jìn)狀態(tài)檢修和管理優(yōu)化方面發(fā)揮了一定的作用.以SIS作為機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行的管理和開發(fā)平臺(tái),取得效益的基礎(chǔ)是應(yīng)該在數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理上進(jìn)一步做好技術(shù)的支持,需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)開發(fā)方和火電廠用戶的共同努力,再投入一定的力量以維持SIS的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用.

1.4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應(yīng)用

20世紀(jì)末國際上推出的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS),其出發(fā)點(diǎn)就是要為用戶提供開發(fā)性的、具有可互操作性、可互換性和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測量和控制產(chǎn)品,克服傳統(tǒng)DCS和PLC等含有專利技術(shù)的控制系統(tǒng)的封閉性問題,減少工程電纜,方便系統(tǒng)維護(hù).現(xiàn)場總線智能設(shè)備能夠提供豐富的狀態(tài)、診斷和參數(shù)信息,易于建立從現(xiàn)場設(shè)備到控制系統(tǒng)和運(yùn)行操作站的數(shù)字化電廠監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)架.

雖然FCS具有互操作性、分散性、可靠性、精確性、開放性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn),但在火電廠應(yīng)用時(shí)并沒有像推出早期預(yù)期那樣取代DCS和PLC.推進(jìn)遲緩的原因可能包括:由不同儀表商根據(jù)不同用途特點(diǎn)推出來的各種不同總線規(guī)約和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不一致、功能不完整、互聯(lián)差、現(xiàn)場智能設(shè)備受公司制約、現(xiàn)場通訊冗余不完善、安裝工藝和設(shè)備與傳統(tǒng)的控制設(shè)備有差別及難于實(shí)現(xiàn)火電廠的控制策略等.火電廠用戶對(duì)可靠性的考慮,設(shè)計(jì)院和用戶的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)FCS的實(shí)施也很重要.

國內(nèi)某電廠選用現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)計(jì)策略是[4]:(1)對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)的運(yùn)行安全有重大影響的系統(tǒng),采用常規(guī) IO方式,如 FSSS、DEH、MEH、BPC、ETS等;(2)SOE、TSI采用常規(guī) IO采集方式;(3)DAS從現(xiàn)場直接采集的信號(hào)采用FCS的儀表、設(shè)備;(4)SCS、MCS系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)的設(shè)備采用FCS;(5)電動(dòng)機(jī)采用現(xiàn)場總線;輔助(車間)控制系統(tǒng),如水、煤、灰等采用現(xiàn)場總線;(6)保護(hù)和重要控制回路的4～20 mA變送器選擇具有HART協(xié)議的變送器.

2 主輔機(jī)特殊功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 快速甩負(fù)荷功能逐步成為必需

機(jī)組具備快速甩負(fù)荷(FCB)功能,在減少機(jī)組主燃料跳閘(MFT)引起的蒸汽溫度和壓力的急劇變化給機(jī)組帶來的不利影響,機(jī)組重啟的時(shí)間和能源的消耗,以及維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行等方面都有重要的意義[5].所以有的國家對(duì)新建大型電廠運(yùn)行能力要求須具有2 h以上FCB連續(xù)運(yùn)行能力和電網(wǎng)定期組織FCB功能運(yùn)行試驗(yàn)[6].

FCB功能系統(tǒng)配置和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是:通過對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),充分考慮系統(tǒng)間的相互影響,使機(jī)組在出現(xiàn)參數(shù)劇烈變化的情況下,仍能維持運(yùn)行的平穩(wěn)和工質(zhì)的平衡.受影響的系統(tǒng)配置和運(yùn)行參數(shù)必須考慮:汽輪機(jī)和鍋爐的FCB工況的承受能力,FCB工況下輔機(jī)運(yùn)行能力;以及FCB投入時(shí)汽輪發(fā)電機(jī)組的超速控制,燃料風(fēng)量和負(fù)壓參數(shù),主汽溫度和再熱器溫度的變化,給水流量的變化,除氧器壓力和水位,凝汽器水位和凝結(jié)水流量的變化.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮FCB動(dòng)態(tài)工況下的工質(zhì)平衡和能量平衡,給水指令和燃料指令的合理匹配以及燃料切除的時(shí)間和影響,以保證在工況劇烈變化的情況下煤水比能夠維持穩(wěn)定.

外高橋第三發(fā)電廠2008年成功地完成了FCB試驗(yàn).負(fù)荷從1009 MW降至僅帶廠用電,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高3162 r/min,最低2951 r/min,45 s后可穩(wěn)定在3000 r/m,而7 min后又能重新并網(wǎng).該廠系統(tǒng)配置:100%的高壓旁路、65%的低旁+100%調(diào)節(jié)型再熱器安全門,汽源快速切換的100%汽動(dòng)給水泵,大容量除氧器;考慮了凝結(jié)水泵和凝結(jié)水補(bǔ)水泵的容量等因素.在設(shè)備選型配置的基礎(chǔ)上,控制系統(tǒng)應(yīng)考慮本體設(shè)備的性能和特點(diǎn)以及各系統(tǒng)間的相互影響,以期達(dá)到參數(shù)變化不超限制值的目的[7-8].

由于出口機(jī)組和國內(nèi)大型火電機(jī)組的需要,推動(dòng)FCB設(shè)計(jì)和應(yīng)用已成為必需.國內(nèi)已有火電站總包商(如SEC)委托發(fā)電設(shè)備研究機(jī)構(gòu)(SPERI)針對(duì)不同爐型(超臨界直流爐、汽包爐)著手研究FCB的通用性系統(tǒng)配置、設(shè)備選型和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及調(diào)試方案.

2.2 輔機(jī)故障快速減負(fù)荷已成達(dá)標(biāo)要求

能夠可靠地完成機(jī)組輔機(jī)故障快速減負(fù)荷(RUNBACK,RB)是控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的重要功能之一,單元機(jī)組在主要輔機(jī)1/2(2臺(tái)中有1臺(tái))故障的情況下,為使鍋爐不發(fā)生滅火,采用迅速降低機(jī)組熱負(fù)荷的方式,確保機(jī)組半負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行.在RB功能設(shè)置上,一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括:送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、一次風(fēng)機(jī)、給水泵和磨煤機(jī)等6個(gè)輔機(jī)的功能.

早期的DCS控制系統(tǒng)一般滿足于功能設(shè)計(jì),而在機(jī)組的運(yùn)行中能否可靠實(shí)現(xiàn)RB往往由調(diào)試階段確定.近年來電網(wǎng)參與調(diào)峰機(jī)組容量等級(jí)加大,從安全上和經(jīng)濟(jì)上來講對(duì)電網(wǎng)和發(fā)電公司都要求減少非計(jì)劃停運(yùn).所以分析RB的失敗原因,改進(jìn)RB的功能設(shè)計(jì),提高RB的可靠性是重要課題.國華電力圍繞19臺(tái)600 MW亞臨界控制循環(huán)汽包爐分析和完善了RB的控制邏輯:RB的目標(biāo)負(fù)荷計(jì)算、RB的速率計(jì)算等,以及風(fēng)機(jī)、給水控制改進(jìn)后有效地提高了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)RB的可靠性[9].

RB發(fā)生時(shí),鍋爐的實(shí)際蒸發(fā)量應(yīng)快速下降至輔機(jī)能承受的范圍,并且應(yīng)留有一定的裕度,以適應(yīng)機(jī)組外部或內(nèi)部的擾動(dòng).為使機(jī)組能快速、平穩(wěn)地將負(fù)荷下降至目標(biāo)值,應(yīng)考慮以下問題:快速降負(fù)荷的方式、汽包水位的控制和主、再汽溫的控制.

諫壁電廠的RB設(shè)計(jì)和試驗(yàn)范圍主要考慮在運(yùn)行工況下2臺(tái)給粉機(jī)跳閘、1臺(tái)送風(fēng)機(jī)跳閘、1臺(tái)吸風(fēng)機(jī)跳閘、1臺(tái)空氣預(yù)熱器跳閘、1臺(tái)汽動(dòng)給水泵跳閘且電動(dòng)泵未聯(lián)啟成功等工況.根據(jù)火電廠的運(yùn)行方式,在1臺(tái)吸風(fēng)機(jī)跳閘時(shí)聯(lián)鎖跳送風(fēng)機(jī),1臺(tái)送風(fēng)機(jī)跳閘時(shí)反跳吸風(fēng)機(jī),1臺(tái)空氣預(yù)熱器跳閘時(shí)系統(tǒng)聯(lián)跳送風(fēng)機(jī)和吸風(fēng)機(jī).因此RB工況主要考慮燃料、風(fēng)機(jī)、和水泵故障時(shí)的運(yùn)行要求.RB要完成的試驗(yàn)包括2臺(tái)排粉機(jī)跳閘、1臺(tái)送風(fēng)機(jī)跳閘和1臺(tái)汽動(dòng)給水泵跳閘試驗(yàn).

由于機(jī)組設(shè)計(jì)和機(jī)組特性的不同,所以影響RB成功的因素也不盡相同,熱控邏輯和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮以提高RB的可靠性.目前,電力建設(shè)中已將新建機(jī)組的 RB試驗(yàn)作為達(dá)標(biāo)要求,對(duì)推動(dòng)RB的應(yīng)用起到了很好的促進(jìn)作用.

2.3 火電機(jī)組一鍵啟停已有需求

珠海電廠與研究院所合作在國產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組上首次實(shí)現(xiàn)了一鍵啟停(APS).該系統(tǒng)結(jié)合機(jī)組啟停時(shí)對(duì)主輔機(jī)各設(shè)備的要求,通過DCS和PLC,建立整體的連鎖程控和控制指令分步完成機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備過程、建立真空系統(tǒng)、鍋爐上水、鍋爐點(diǎn)火及吹掃、汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)、機(jī)組并網(wǎng)帶初負(fù)荷和機(jī)組升負(fù)荷[10].

在APS的設(shè)計(jì)中,應(yīng)該綜合考慮機(jī)組設(shè)備的啟動(dòng)過程,比如給水泵的啟動(dòng),應(yīng)考慮啟動(dòng)過程的最小流量控制和給水泵的并泵過程,送風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)應(yīng)考慮最小送風(fēng)量的控制等.

對(duì)于應(yīng)用DCS開發(fā)APS的設(shè)計(jì)和調(diào)試人員來講,不僅要熟悉火電廠的啟停和運(yùn)行,也要熟悉控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程,才能有效地完成其任務(wù).APS系統(tǒng)不僅對(duì)控制邏輯的設(shè)計(jì)提出了較高要求,同時(shí)也對(duì)現(xiàn)場的執(zhí)行器和變送器提出了可操作性和可靠性的要求,同時(shí)在保護(hù)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)該綜合考慮APS的要求.

隨著越來越多的國內(nèi)新建電廠和出口機(jī)組要求配置自動(dòng)化系統(tǒng)并具備APS功能,這一需求會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)控制系統(tǒng)的進(jìn)步和電站自動(dòng)化的整體水平.

3 基于信息處理技術(shù)的控制、監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)

3.1 燃燒優(yōu)化控制技術(shù)日趨成熟

目前,發(fā)電廠越來越多地面臨來自電網(wǎng)、環(huán)境和自身的壓力,節(jié)能降耗和減排的呼聲高漲,燃燒優(yōu)化也越顯重要.火電廠自控系統(tǒng)和信息系統(tǒng)也具備了一定的條件,比如:DCS的功能、輔助設(shè)備的可控性提高、新型測量儀表的在線應(yīng)用、SIS的應(yīng)用和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的建立、熱工參數(shù)的在線分析和人工智能等先進(jìn)算法應(yīng)用等,都為燃燒優(yōu)化控制提供了有效的工具.

典型的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)原理見圖2,燃燒優(yōu)化器對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工況、系統(tǒng)的性能指標(biāo)以及實(shí)際性能進(jìn)行優(yōu)化處理,得出的結(jié)果再通過DCS調(diào)整參數(shù),從而得到機(jī)組的最佳燃燒工況[11-12].

圖2 燃燒控制優(yōu)化原理圖Fig.2 Schematic diag ram of optimized combustion control

國外對(duì)燃燒優(yōu)化的研究起步較早,發(fā)展也較為成熟,如西門子、GE、Honeywell等大型 DCS制造商都有成熟的應(yīng)用軟件產(chǎn)品,包括:基于統(tǒng)計(jì)的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)、基于人工智能的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)、基于混合模型的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)等.

與國外相比,國內(nèi)燃燒優(yōu)化起步較晚,但是發(fā)展較快,如多測量方法的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)、人工智能技術(shù)等都得到了應(yīng)用[13].西安熱工院設(shè)計(jì)了基于多測量方法的燃燒優(yōu)化系統(tǒng),其基礎(chǔ)是風(fēng)、煤在線監(jiān)測和原煤發(fā)熱量與鍋爐效率在線監(jiān)測系統(tǒng).硬件由安裝在一次風(fēng)管上的溫度傳感器、煤粉倉溫度傳感器、混合段上的溫度傳感器、在熱風(fēng)管道上的測速傳感器及煤的發(fā)熱量表、飛灰測碳儀、氧量表、排煙溫度測量熱電耦等組成.核心內(nèi)容是監(jiān)視鍋爐燃燒器的風(fēng)粉狀況,為燃燒優(yōu)化提供依據(jù).

3.2 先進(jìn)汽溫控制技術(shù)的應(yīng)用

鍋爐汽溫是火電廠重要的安全和經(jīng)濟(jì)參數(shù).由于該參數(shù)具有大慣性、大遲延和多重因素?cái)_動(dòng)的特性,采用傳統(tǒng)的PID控制往往難以得到理想的控制效果.隨著近年來現(xiàn)代控制理論、現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者和火電站科研技術(shù)人員采用新方法和新技術(shù)針對(duì)過熱器和再熱器出口汽溫的控制進(jìn)行了持續(xù)的研究和改進(jìn),通過仿真驗(yàn)證的汽溫控制策略就有數(shù)十種,已有較多應(yīng)用成功的報(bào)道[14].

金山石化熱電廠在310 t/h的CFB鍋爐上采用先進(jìn)溫度控制(Advanced Temperature Control,ATC)實(shí)現(xiàn)了過熱汽溫先進(jìn)控制技術(shù)的成功應(yīng)用[15].ATC可以提高蒸汽溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,提高鍋爐出口過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定性,減小過熱汽溫變化范圍,進(jìn)而可允許過熱汽在更高溫度上運(yùn)行,以獲得更高的熱效率.末級(jí)過熱器的ATC控制器通過調(diào)節(jié)入口溫度的設(shè)定值,實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽溫度控制.圖3是先進(jìn)溫度控制的原理圖.ATC以多變量速率最優(yōu)預(yù)測控制器為基礎(chǔ),使用了模型預(yù)測控制技術(shù)的計(jì)算引擎和范圍控制的概念,可以提高鍋爐過熱汽溫的穩(wěn)定性.因此可以允許過熱器在不超過其材料溫度限制的前提下,能夠工作在更高的溫度并達(dá)到更高的熱效率.

圖3 先進(jìn)溫度控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of advanced temperature control

國內(nèi)已應(yīng)用先進(jìn)汽溫控制策略的電廠:神頭電廠500 MW機(jī)組采用狀態(tài)變量控制器用于主蒸汽溫度控制;山東菏澤電廠采用INFI90的Smith預(yù)估器模塊,用在2臺(tái)300 MW 機(jī)組的過熱汽溫和再熱汽溫控制系統(tǒng)上,過熱汽溫可控制在±5 K范圍內(nèi),再熱汽溫控制在±8 K范圍內(nèi).

鍋爐汽溫先進(jìn)控制策略的應(yīng)用取決于是否易于整定和使用效果.有些DCS廠商在應(yīng)用軟件中加入了帶有汽溫控制的ATC算法軟件模塊;國內(nèi)有專家采用機(jī)理分析的方法計(jì)算過熱器和再熱器的動(dòng)態(tài)特性,得出相位補(bǔ)償?shù)腜ID控制方案,也取得良好的控制效果[6,15-16].

3.3 軟測量技術(shù)的應(yīng)用

軟測量技術(shù)是基于現(xiàn)代控制理論和測量理論、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展而成長起來的新型檢測技術(shù),目前在理論與實(shí)際應(yīng)用方面都取得了一定的進(jìn)展.軟測量的基本思想是把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)過程知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來,應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)難以測量或者暫時(shí)不能測量的重要變量(或稱主導(dǎo)變量),選擇另外一些容易測量的變量(或稱輔助變量),通過某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計(jì),以軟件計(jì)算來替代硬件(傳感器)的功能.相對(duì)于復(fù)雜的和易于受現(xiàn)場干擾影響的檢測儀表,測量過程變得簡單而有效.軟測量可很方便地按被測對(duì)象特性的變化進(jìn)行修正和改進(jìn),因此軟測量技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性、通用性、靈活性和低成本等方面均具有特色.

氧量(體積分?jǐn)?shù))軟測量已作為SIS系統(tǒng)的高級(jí)模塊,在唐山熱電廠2臺(tái)機(jī)組中長期運(yùn)行.目前采用軟測量技術(shù)有:基于PRMS方法的煙氣含氧量軟測量,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨煤機(jī)磨筒內(nèi)負(fù)荷軟測量系統(tǒng),基于信息融合的再熱蒸汽流量實(shí)時(shí)軟測量,基于數(shù)據(jù)融合方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)流量軟測量,鍋爐汽包水位的軟測量和CFB鍋爐爐膛放熱量軟測量.上述測量技術(shù)都有應(yīng)用的報(bào)道[11,17].

CFB鍋爐過程變量的強(qiáng)交互作用和床溫控制對(duì)象的逆向響應(yīng)特性,使得常規(guī)控制策略難以滿足其控制要求.采用基于Kalman濾波的軟測量技術(shù),建立CFB鍋爐床料中的燃料量、釋放熱流量、石灰石量和石灰石消耗率的非線性模型的線性化處理用于燃料控制,從而達(dá)到調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)量和燃料量,同時(shí)控制床溫、氧量、床料中燃料量和熱流量.

通過軟測量技術(shù),能夠得出鍋爐響應(yīng)計(jì)算中不能直接測量的過程變量,建立的軟測量模型經(jīng)過線性化后使控制系統(tǒng)得到簡化,有利于先進(jìn)控制系統(tǒng)的投運(yùn).軟測量技術(shù)在火電廠的進(jìn)一步開拓應(yīng)用對(duì)熱工過程的控制水平的提高和優(yōu)化控制系統(tǒng)具有重大意義.

3.4 容錯(cuò)保護(hù)策略的實(shí)現(xiàn)和故障安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用

為保證火電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,自動(dòng)連鎖保護(hù)一直是火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)的重要功能.火電廠熱工保護(hù)包括鍋爐保護(hù)、汽輪機(jī)保護(hù)、輔機(jī)保護(hù)以及機(jī)、爐、電大聯(lián)鎖保護(hù).安全相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)包括爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)(燃料安全系統(tǒng)和燃燒器控制系統(tǒng))和汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(包括超速保護(hù)和緊急跳閘功能等).

越來越多的火電廠在FSSS系統(tǒng)中采用故障安全型控制系統(tǒng)的配置[18],如:七臺(tái)河電廠300 MW機(jī)組DCS系統(tǒng)為Honeywell TDC3000系統(tǒng),FSSS功能采用 Honeywell公司的故障安全型控制器FSC;嘉興電廠一期2臺(tái)300 MW機(jī)組DCS為Siemens公司 Teleperm-ME系統(tǒng),FSSS中也采用了AS200 EHF三冗余故障安全自動(dòng)化系統(tǒng).在我國出口機(jī)組的FSSS系統(tǒng)中也更多地采用了故障安全型控制系統(tǒng).

為提高控制和保護(hù)的可靠性,系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)重要的熱工信號(hào)、保護(hù)信號(hào)和測量儀表都采取了冗余配置或者三選二的配置,但仍然不能避免保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)作.由于工程設(shè)計(jì)、制造、配置、設(shè)備老化和人為等原因造成熱工保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng),機(jī)組跳閘和非計(jì)劃停運(yùn)的現(xiàn)象仍有發(fā)生[19].

在優(yōu)化保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)、優(yōu)化保護(hù)系統(tǒng)配置、強(qiáng)化保護(hù)信號(hào)管理和維護(hù)的基礎(chǔ)上,國內(nèi)火電廠在保護(hù)系統(tǒng)中開始嘗試容錯(cuò)保護(hù)系統(tǒng)[20].基于信息融合的容錯(cuò)系統(tǒng)和智能保護(hù)概念的應(yīng)用為火電廠保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新思路,可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的運(yùn)算處理能力.保護(hù)系統(tǒng)通過對(duì)其它相關(guān)的物理和熱工信號(hào)的計(jì)算和輔助判斷,提高機(jī)組保護(hù)的可靠性.

上海外高橋電廠在熱工保護(hù)容錯(cuò)系統(tǒng)方面也作了積極的努力,探索在DCS中增加智能監(jiān)控保護(hù)軟件模塊,通過多個(gè)信息綜合判斷的處理方式,達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行保護(hù)可靠性的目的.該智能保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是在原有保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加一個(gè)智能故障診斷單元,通過信息融合故障診斷系統(tǒng)的處理,得出系統(tǒng)故障、保護(hù)誤動(dòng)或保護(hù)拒動(dòng)的判斷結(jié)論,減少由于單個(gè)檢測元件故障帶來的整個(gè)系統(tǒng)決策失誤的可能性.

4 循環(huán)流化床控制系統(tǒng)的成功開發(fā)

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的一種新型燃燒技術(shù),由于CFB鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、高效脫硫的特點(diǎn),因此近年來有了很大的發(fā)展.

由于CFB鍋爐燃料是在流化狀態(tài)下燃燒的,鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng),各個(gè)變量之間相互影響,加上有飛灰循環(huán),燃燒過程比煤粉爐復(fù)雜.有的被調(diào)參數(shù)同時(shí)受到幾個(gè)參數(shù)的共同影響,如床層溫度要受到給煤量、石灰石供給量、一次風(fēng)量、返料量及排渣量等多個(gè)參數(shù)控制.有的參數(shù)又影響多個(gè)被調(diào)參數(shù),如給煤量不僅影響主汽壓力,還影響床溫、爐膛溫度、空氣過剩系數(shù)及SO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù).

金山石化自備電廠由芬蘭福斯特惠勒生產(chǎn)的310 t/h CFB鍋爐(母管制運(yùn)行),其煤和石油焦混燒機(jī)組的控制系統(tǒng)就是在鍋爐燃燒特性試驗(yàn)基礎(chǔ)上完成的[21]:燃料量變化對(duì)鍋爐氧量、床溫、床壓、主汽流量和主汽壓力的影響;一次風(fēng)變化對(duì)鍋爐氧量、床溫、床壓、主汽流量和主汽壓力的影響;上二次風(fēng)變化對(duì)鍋爐氧量、床溫、床壓、主汽流量和主汽壓力的影響;下二次風(fēng)變化對(duì)鍋爐氧量、床溫、床壓、主汽流量和主汽壓力的影響;返料量對(duì)床溫、壓力的影響;石灰石量變化對(duì)床溫、氧量、主汽壓力和流量的影響.

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試人員對(duì)火電廠機(jī)組的參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性以及運(yùn)行機(jī)理的了解,對(duì)于機(jī)組控制系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行非常重要.應(yīng)用DCS可以解決控制模塊的設(shè)置、控制系統(tǒng)的仿真、系統(tǒng)調(diào)試的試驗(yàn)曲線演示和重放;能否通過有針對(duì)性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決系統(tǒng)的大滯后、強(qiáng)耦合和非線性帶來的擾動(dòng)影響,使火電廠的系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài),是目前大量在運(yùn)行機(jī)組DCS應(yīng)解決的問題.

5 今后的任務(wù)

國家對(duì)能源和環(huán)保的重視以及機(jī)組的節(jié)能降耗、環(huán)保減排和安全運(yùn)行要求的提高,有力地推動(dòng)了火電廠自動(dòng)化工作的開展.筆者認(rèn)為火電廠自動(dòng)化和信息化今后的任務(wù)重點(diǎn)在于:

(1)用好機(jī)組配置的控制系統(tǒng).診斷已有DCS、PLC、FCS和SIS等系統(tǒng)的功能,控制和監(jiān)控系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,現(xiàn)有系統(tǒng)能否起到監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)有效果.對(duì)現(xiàn)有信息和控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善,是提高機(jī)組和設(shè)備運(yùn)行總體效能的基礎(chǔ).

(2)采用先進(jìn)控制技術(shù),落實(shí)火電廠全廠機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化的效果.從火電廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和設(shè)備改造等不同角度完成優(yōu)化工作,以取得火電廠機(jī)組能耗以及設(shè)備運(yùn)行可靠性等方面的優(yōu)化效果.先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用落實(shí),自動(dòng)化信息化和機(jī)組主輔機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行功能的緊密配合以實(shí)現(xiàn)其效果.比如可以從負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度、給水回?zé)醿?yōu)化、循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化、吹灰時(shí)間間隔優(yōu)化、控制系統(tǒng)的優(yōu)化、燃料混合燃燒的優(yōu)化、鍋爐制粉系統(tǒng)的優(yōu)化、發(fā)電廠補(bǔ)水系統(tǒng)的優(yōu)化和廠用電系統(tǒng)優(yōu)化等方面,結(jié)合系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行要求完成優(yōu)化調(diào)整的任務(wù).

(3)推動(dòng)基于信息融合的火電廠自動(dòng)化的發(fā)展.基于信息融合的自動(dòng)化技術(shù)和智能控制技術(shù),發(fā)揮信息平臺(tái)和數(shù)據(jù)處理的能力,有效地推動(dòng)火電廠自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)步.繼續(xù)加強(qiáng)在優(yōu)化燃燒、優(yōu)化汽溫控制、優(yōu)化吹灰、軟測量技術(shù)、容錯(cuò)保護(hù)系統(tǒng)、主輔機(jī)設(shè)備診斷、設(shè)備的壽命管理和遠(yuǎn)程運(yùn)行診斷等方面的工作,其效果都會(huì)在發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控策略、監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)控設(shè)備的未來發(fā)展上得到印證.

6 結(jié) 論

隨著計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)步、數(shù)據(jù)庫的完善、控制策略軟件的進(jìn)步,自動(dòng)化和信息化技術(shù)應(yīng)用的不斷實(shí)踐和創(chuàng)新,新型傳感器和執(zhí)行器在智能化方面的技術(shù)進(jìn)步、控制優(yōu)化以及機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行在線診斷和遠(yuǎn)程診斷等方面的技術(shù)成果,都為機(jī)組的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行提供更為有效的技術(shù)支持.繼續(xù)深入研究、完善并發(fā)展自動(dòng)化和信息化技術(shù)用于火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程,配合超臨界大型發(fā)電機(jī)組和新型發(fā)電技術(shù)(如IGCC)的應(yīng)用,為火電廠帶來了日益增長的經(jīng)濟(jì)效益和可靠的運(yùn)行保證,是很有意義的課題和發(fā)展方向.

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