摘要：隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)境法規(guī)的日漸嚴(yán)格，熱控技術(shù)在當(dāng)前火力發(fā)電廠中有著廣泛的應(yīng)用，能夠有效保護(hù)火力發(fā)電廠的電網(wǎng)系統(tǒng)以及各種機(jī)組設(shè)備，為確保供電系統(tǒng)運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，因此采取合理的熱控保護(hù)以及控制技術(shù)有著重要意義?；诖吮疚慕Y(jié)合具體案例，對(duì)火力發(fā)電廠熱控保護(hù)以及控制技術(shù)進(jìn)行分析研究，旨在進(jìn)一步提高火力發(fā)電廠的控制與保護(hù)效果，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠熱控保護(hù)控制技術(shù)電網(wǎng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM73

AnalysisofThermalControlProtectionandControlTechnologyinThermalPowerPlants

ZHUJiaying

ShanghaiElectricPowerConstructionStartAdjustmentTestingInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200092China

Abstract：Withtheadvancementoftechnologyandtheincreasingstrictnessofenvironmentalregulations，ThermalControltechnologyiswidelyusedincurrentthermalpowerplants.Itcaneffectivelyprotectthepowergridsystemandvariousunitequipmentofthermalpowerplants，providingasolidfoundationforensuringtheoperationofthepowersupplysystem.Therefore，itisofgreatsignificancetoadoptreasonablethermalcontrolprotectionandcontroltechnology.Basedonthis，thearticlecombineswithspecificcasestoanalyzeandstudythethermalcontrolprotectionandcontroltechnologyofthermalpowerplants，aimingtofurtherimprovethecontrolandprotectioneffectivenessofthermalpowerplantsandprovidereferenceforrelevantpersonnel.

KeyWords：Thermalpowerplant;Thermalcontrolprotection;Controltechnology;Powergridsystem

火力發(fā)電廠通過燃燒化石燃料，如煤、天然氣或石油，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，隨后通過一系列精密的熱控制系統(tǒng)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并最終生成電能，這一過程不僅涉及復(fù)雜的物理化學(xué)變化，同時(shí)也對(duì)控制技術(shù)提出了高標(biāo)準(zhǔn)的需求，以確保發(fā)電效率的最大化和設(shè)備運(yùn)行的安全性。隨著技術(shù)進(jìn)步和環(huán)境法規(guī)的日漸嚴(yán)格，火力發(fā)電廠面臨著優(yōu)化運(yùn)行效率和降低排放的雙重挑戰(zhàn)，在這樣的背景下，熱控保護(hù)與控制技術(shù)成為了火力發(fā)電領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題，主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和調(diào)節(jié)鍋爐、汽輪機(jī)等關(guān)鍵部件的溫度、壓力和流量等參數(shù)，保證發(fā)電過程的穩(wěn)定性和安全性。

1案例分析

以某電廠為例，一家采用先進(jìn)超臨界技術(shù)的火力發(fā)電廠，裝機(jī)容量為800MW，2023年11月，該電廠的主鍋爐發(fā)生超溫故障，故障發(fā)生時(shí)鍋爐的實(shí)際出口蒸汽溫度達(dá)到605℃，超過設(shè)計(jì)的最高允許溫度595℃，經(jīng)過調(diào)查分析此次超溫事件是由于燃燒控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致燃煤量突然增加，同時(shí)給水溫度低于預(yù)期，導(dǎo)致蒸汽溫度迅速上升。故障發(fā)生后熱控保護(hù)系統(tǒng)迅速響應(yīng)，控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)噴水降溫程序，通過噴水調(diào)節(jié)蒸汽溫度，2min內(nèi)將蒸汽溫度控制在598℃，然后自動(dòng)燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)低燃煤供給速率，優(yōu)化燃燒效率，進(jìn)一步穩(wěn)定了蒸汽溫度，而后系統(tǒng)又自動(dòng)記錄了所有關(guān)鍵參數(shù)和操作，為事后分析故障原因和優(yōu)化熱控策略提供數(shù)據(jù)支持，通過這一系列快速有效的響應(yīng)措施，該電廠成功避免了設(shè)備的進(jìn)一步損壞以及造成的停機(jī)損失，保障其經(jīng)濟(jì)效益。具體采用的熱控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2火力發(fā)電廠熱控保護(hù)技術(shù)

2.1控制保護(hù)邏輯優(yōu)化

傳統(tǒng)熱控保護(hù)系統(tǒng)側(cè)重于遵循固定的程序和參數(shù)設(shè)置來防止設(shè)備超載或故障，然而隨著技術(shù)的進(jìn)步，更多的優(yōu)化控制策略被應(yīng)用于提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和適應(yīng)性，具體的優(yōu)化方法是采用自適應(yīng)控制技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的運(yùn)行條件和預(yù)防潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，如果傳感器檢測(cè)到汽輪機(jī)的溫度快速上升，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整燃燒速率或水的供給量，以避免過熱，當(dāng)前先進(jìn)模型預(yù)測(cè)控制（ModelPredictiveControl，MPC）也被用于優(yōu)化火力發(fā)電廠的熱控保護(hù)邏輯，MPC通過建立設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并預(yù)測(cè)未來的運(yùn)行情況，來優(yōu)化控制指令，例如：在MPC框架下，可以根據(jù)預(yù)測(cè)的電網(wǎng)需求和燃料價(jià)格，調(diào)整發(fā)電量和燃料消耗，以實(shí)現(xiàn)成本效益最大化同時(shí)保證設(shè)備安全，在本次案例中，使用自適應(yīng)控制和MPC技術(shù)的火力發(fā)電廠，其設(shè)備故障率比傳統(tǒng)控制策略低約15%，同時(shí)發(fā)電效率提高約5%，這種控制保護(hù)邏輯的優(yōu)化不僅提升了火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也顯著增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性[1]。

2.2無憂切換邏輯

無擾切換是指在控制系統(tǒng)發(fā)生故障或需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，能夠在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的前提下，無縫地從一個(gè)控制策略轉(zhuǎn)換到另一個(gè)控制策略，在該邏輯影響下，系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)，如壓力、溫度和流量等，在切換前主控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行條件自動(dòng)計(jì)算目標(biāo)控制策略的初始設(shè)定值，以確保這些關(guān)鍵參數(shù)在切換過程中保持穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)從手動(dòng)控制模式切換到自動(dòng)控制模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先評(píng)估當(dāng)前手動(dòng)設(shè)置的有效性，并逐步調(diào)整至自動(dòng)控制算法計(jì)算出的最優(yōu)設(shè)定點(diǎn)，這一過程中控制系統(tǒng)會(huì)利用先進(jìn)的PID控制算法，通過調(diào)整PID參數(shù)（比例、積分、微分）來最小化設(shè)定值和實(shí)際輸出之間的偏差，具體計(jì)算公式如（1）。

式（1）中：表示比例系數(shù)；表示積分系數(shù)；表示設(shè)定值與實(shí)際輸出之間的誤差；表示積分系數(shù)。

此外無擾切換邏輯還包括使用軟件邏輯和硬件冗余設(shè)計(jì)來增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，在硬件層面，雙系統(tǒng)冗余（如雙PLC系統(tǒng)）確保主控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，備份系統(tǒng)能立即接管控制，而無須人工干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)真正的無擾切換，同時(shí)在切換過程中，如果水位的波動(dòng)范圍控制在±5mm之內(nèi)，遠(yuǎn)低于安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的±10mm，證明了無擾切換技術(shù)的有效性和可靠性，為火力發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障[2]。

2.3增設(shè)保護(hù)投入和解除控制按鈕

在火力發(fā)電廠中，對(duì)于重要的保護(hù)項(xiàng)目，如鍋爐水位過低保護(hù)、汽輪機(jī)超速保護(hù)等，往往設(shè)計(jì)有手動(dòng)增設(shè)保護(hù)投入和解除控制按鈕，這些按鈕允許操作人員根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)手動(dòng)介入保護(hù)系統(tǒng)的工作，對(duì)于鍋爐水位過低保護(hù)系統(tǒng)，如果因?yàn)槟承┓钦Ｔ蛟斐烧`動(dòng)作，可以通過按下解除保護(hù)按鈕來暫時(shí)解除這一保護(hù)，避免鍋爐由于保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致不必要的停爐，在增設(shè)保護(hù)投入按鈕（ProtectioninputButton，PB）過程中，當(dāng)系統(tǒng)處于維修或檢修狀態(tài)時(shí)，為防止意外啟動(dòng)，可以通過此按鈕強(qiáng)制增加一個(gè)保護(hù)信號(hào)，進(jìn)而使相關(guān)的保護(hù)邏輯被強(qiáng)制執(zhí)行，而再解除控制按鈕（ReleasecontrolButton。RB）過程中，當(dāng)誤動(dòng)作發(fā)生，經(jīng)評(píng)估認(rèn)為系統(tǒng)可以安全運(yùn)行時(shí)，操作人員可以按下此按鈕，將保護(hù)邏輯置于解除狀態(tài)，允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行或進(jìn)行復(fù)位處理，具體邏輯理論與影響內(nèi)容如表1所示。

另外，在使用這些控制按鈕時(shí)，必須遵守嚴(yán)格的程序和審批流程，確保只有在確認(rèn)無風(fēng)險(xiǎn)的情況下才能操作，以防止誤操作帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，通常這些按鈕都會(huì)有相應(yīng)的指示燈或者狀態(tài)顯示，以反映當(dāng)前保護(hù)狀況是否被手動(dòng)投入或解除，并且要求保證所有的操作行為都需要記錄在案，并有相應(yīng)的日志管理系統(tǒng)進(jìn)行追蹤分析[3]。

2.4熱控系統(tǒng)電源優(yōu)化

電源優(yōu)化主要優(yōu)化方法包括電源管理策略的改進(jìn)、使用高效的變頻器，以及通過智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整能耗，電源管理策略的改進(jìn)旨在通過先進(jìn)的算法優(yōu)化整個(gè)發(fā)電過程的能源分配。例如：可以采用負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)短期內(nèi)的能源需求變化，從而調(diào)整發(fā)電量，減少能源浪費(fèi)，通過設(shè)定能源消耗的優(yōu)化目標(biāo)，最大限度地減少燃料消耗和降低運(yùn)營(yíng)成本，電源管理系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更高的能效[4]。

高效的變頻器在電源優(yōu)化中扮演著重要角色，變頻器能夠調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，按需提供動(dòng)力，從而減少不必要的能耗，通過對(duì)鍋爐鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)使用變頻器控制，能夠根據(jù)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整風(fēng)機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)能源的精準(zhǔn)分配和利用，研究顯示，這種方法可以節(jié)約10%～30%的電能。由于變頻器通過調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行頻率來節(jié)省能源，具體變頻器的能效計(jì)算公式如下。

式（2）中：表示變頻器能效，單位為%；表示電機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下的功率，單位為kW；表示變頻器使用后的功率，單位為kW。

最后智能監(jiān)控系統(tǒng)的引入使得熱控系統(tǒng)的電源優(yōu)化更加精細(xì)化。這類系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)收集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，如溫度、壓力和流量等，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能效低下的環(huán)節(jié)，自動(dòng)調(diào)整控制策略，例如：通過分析鍋爐的燃燒效率和排放數(shù)據(jù)，智能系統(tǒng)可以調(diào)整燃燒器的工作狀態(tài)，優(yōu)化燃料的燃燒率，提高熱效率。

3火力發(fā)電廠熱控系統(tǒng)控制技術(shù)

3.1PID控制應(yīng)用

在火力發(fā)電廠的熱控系統(tǒng)中，比例—積分—微分控制器是一種廣泛使用的控制策略，其主要目的是維護(hù)系統(tǒng)參數(shù)（如溫度、壓力和水位）在設(shè)定點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，PID控制器的工作原理基于3個(gè)主要元素，包括比例（P）、積分（I）和微分（D），比例部分負(fù)責(zé)減少設(shè)定點(diǎn)與過程變量之間的偏差，積分部分則用來消除持續(xù)的偏差，而微分部分則預(yù)測(cè)未來的偏差，以改善控制動(dòng)作的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。以鍋爐水位控制為例，PID控制器能夠根據(jù)水位與目標(biāo)水位的偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，如果水位低于目標(biāo)水位，PID控制器增加給水泵的送水量，如果水位過高，控制器則減少送水量，通過這種方式PID控制器確保鍋爐的安全和有效運(yùn)行，假設(shè)鍋爐的目標(biāo)水位為3m，當(dāng)前水位檢測(cè)為2.8m，PID控制器通過計(jì)算偏差（0.2m），并應(yīng)用PID公式（調(diào)整參數(shù)設(shè)定為Kp=0.5，Ki=0.05，Kd=0.1），計(jì)算出控制信號(hào)的調(diào)整值，如果此時(shí)的比例輸出為0.1m，積分輸出為0.01m，微分輸出為0.02m，控制器會(huì)相應(yīng)增加給水量，直到水位回到目標(biāo)水位附近。

3.2先進(jìn)控制策略

在火力發(fā)電廠的熱控系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PID控制雖然廣泛應(yīng)用，但在處理復(fù)雜、非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)時(shí)往往顯得力不從心，因此為了提高控制系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度，越來越多的先進(jìn)控制策略被研究并投入使用，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是兩種非常有效的方法。

模糊控制基于模糊邏輯，能夠處理系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性和模糊性，在火力發(fā)電廠的熱控系統(tǒng)中，例如：鍋爐的水位控制和汽輪機(jī)的速度控制，模糊控制器可以通過設(shè)定一系列的模糊規(guī)則，如“如果水位高，那么減少給水速率；如果水位低，那么增加給水速率”，來調(diào)整控制行為。這些規(guī)則是基于專家經(jīng)驗(yàn)和操作員的直覺來設(shè)置的，使得控制系統(tǒng)即使在參數(shù)變化或是外部擾動(dòng)的情況下，也能保持穩(wěn)定運(yùn)行，模糊控制器在鍋爐水位控制中比傳統(tǒng)PID控制更能抵抗系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，可減少水位波動(dòng)約30%。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，在熱控系統(tǒng)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以基于歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的行為，然后預(yù)測(cè)未來的系統(tǒng)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的控制。例如：在汽輪機(jī)的溫度控制中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠預(yù)測(cè)和調(diào)整蒸汽流入的速度，以維持最優(yōu)的輸出溫度，通過對(duì)過去操作數(shù)據(jù)的深入學(xué)習(xí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器能夠在遇到未知的操作條件時(shí)快速適應(yīng)，提高系統(tǒng)的整體效率和安全性，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的火力發(fā)電廠在能效上提高約5%，并且在異常情況下的響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)系統(tǒng)快約20%。

3.3控制系統(tǒng)優(yōu)化

控制系統(tǒng)優(yōu)化包括兩種優(yōu)化策略，分別為模型預(yù)測(cè)控制（Modelpredictivecontrol，MPC）和遺傳算法，MPC是一種先進(jìn)的控制策略，它使用動(dòng)態(tài)模型來預(yù)測(cè)未來的系統(tǒng)行為，并解決受多重約束條件影響的優(yōu)化問題，通過實(shí)時(shí)求解一個(gè)有限時(shí)間范圍內(nèi)的最優(yōu)控制問題，MPC不僅能夠處理多變量控制問題，也適用于非線性系統(tǒng)，例如：在鍋爐的燃燒控制中，MPC可有效地協(xié)調(diào)燃料供給與空氣流量，以穩(wěn)定燃燒溫度并減少污染物排放。遺傳算法是一種仿生優(yōu)化技術(shù)，它通過模擬自然選擇和遺傳機(jī)制來找到問題的最優(yōu)解。在火力發(fā)電廠的熱控系統(tǒng)中，遺傳算法可以用來優(yōu)化PID控制器參數(shù)，通過定義適應(yīng)度函數(shù)來評(píng)價(jià)PID參數(shù)設(shè)置的性能，遺傳算法不斷迭代尋找最優(yōu)的參數(shù)組合[5]。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱控保護(hù)與控制技術(shù)對(duì)于火力發(fā)電廠運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響，能夠進(jìn)一步保障系統(tǒng)的安全性，直接關(guān)系到發(fā)電廠本身的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此，在具體生產(chǎn)的過程中，要求加強(qiáng)對(duì)員工安全意識(shí)以及安全技能的培養(yǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善系統(tǒng)整體控制和設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高發(fā)電廠技術(shù)和設(shè)備的適用性，重視對(duì)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，考慮可再生能源趨勢(shì)對(duì)火力發(fā)電熱控保護(hù)技術(shù)未來的影響，最終促進(jìn)火力發(fā)電廠在未來能源網(wǎng)絡(luò)中的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

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