發布時間：2010-08-21 **：中國自動化網型別：技術前沿751人瀏覽
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熱工自動化
導讀：總體來講，熱工自動化系統的發展趨勢是高速化、智慧型化、一體化和透明化。對故障資訊的研究和充分利用是發掘熱工故障診斷與故障**的基礎，現場匯流排的應用，為熱工自動化系統的進一步發展提供了不斷拓展的空間。
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總體來講，熱工自動化系統的發展趨勢是高速化、智慧型化、一體化和透明化。對故障資訊的研究和充分利用是發掘熱工故障診斷與故障**的基礎，現場匯流排的應用，為熱工自動化系統的進一步發展提供了不斷拓展的空間。
1當前電力行業熱工自動化技術的發展
隨著世界高科技的飛速發展和我國機組容量的快速提高，電廠熱工自動化技術不斷地從相關學科中吸取最新成果而迅速發展和完善，近幾年更是日新月異，一方面作為機組主要控制系統的dcs，已在控制結構和控制範圍上發生了巨大的變化；另一方面隨著廠級監控和管理資訊系統（sis）、現場匯流排技術和基於現代控制理論的控制技術的應用，給熱工自動化系統注入了新的活力。
1.1dcs的應用與發展
火電廠熱工自動化系統的發展變化，在二十世紀給人耳目一新的是dcs的應用，而當今則是dcs的應用範圍和功能的迅速擴充套件。
1.1.1dcs應用範圍的迅速擴充套件
20世紀末，dcs在國內燃煤機組上應用時，其監控功能覆蓋範圍還僅限das、mcs、fsss和scs四項。即使在2023年發布的q/dg1-k401-2004《火力發電廠分散控制系統（dcs）技術規範書》中，dcs應用的主要功能子系統仍然還是以上四項，但實際上近幾年dcs的應用範圍迅速擴充套件，除了一大批高引數、大容量、不同控制結構的燃煤火電機組（如浙江玉環電廠1000mw機組）的各個控制子系統全面應用外，脫硫系統、脫硝系統、空冷系統、大型迴圈流化床（cfb）鍋爐等新工藝上都成功應用。可以說只要工藝上能夠實現的系統，dcs都能實現對其進行可靠控制。
1.1.2單元機組控制系統一體化的崛起
隨著一些電廠將電氣髮變組和廠用電系統的控制（ecs）功能納入dcs的scs控制功能範圍，ets控制功能改由dcs模件構成，deh與dcs的軟硬體合二為一，以及一些機組的煙氣濕法脫硫控制直接進入單元機組dcs控制的成功執行，標誌著控制系統一體化，在dcs技術的發展推動下而走向成熟。
由於一體化減少了訊號間的連線介面以及因介面及線路異常帶來的傳遞過程故障，減少了備品備件的品種和數量，降低了維護的工作量及費用，所以近幾年一體化控制系統在不同容量的新建機組中逐漸得到應用，如浙江華能玉環電廠4×1000mw機組、台州電廠2×300mw機組和安徽鳳台電廠4×600mw機組均全廠採用西屋ovation系統，國華浙能寧海電廠4×600mw機組全廠採用西門子公司的t-xp系統，大唐烏沙山電廠4×600mw機組全廠採用i/a系統，浙江樂清電廠4×600mw機組全廠採用abb公司的symphony系統等。
控制系統一體化的實現，是電力行業dcs應用功能快速發展的體現。排除人為因素外，控制系統一體化將為越來越多的電廠所採用。
1.1.3dcs結構變化，應用技術得到快速發展
隨著電子技術的發展，近年來dcs系統在結構上發生變化。過去強調的是控制功能盡可能分散，由此帶來的是使用過多的控制器和介面間連線。但過多的控制器和介面間連線，不一定能提高系統執行可靠性，相反到有可能導致故障停機的概率增加。
何況單元機組各個控制系統間的訊號聯絡千絲萬縷，互相牽連，一對控制器故障就可能導致機組停機，即使沒有直接導致停機，也會影響其它控制器因失去正確的訊號而不能正常工作。因此隨著控制器功能與容量的成倍增加、更多安全措施（包括採用安全性控制器）、冗餘技術的採用（有的dcs的核心部件cpu，採用2×2冗餘方式）以及速度與可靠性的提高，目前dcs正在轉向適度集中，將相互聯絡密切的多個控制系統和非常複雜的控制功能集中在一對控制器中，以及上述所說的單元機組採用一體化控制系統，正成為dcs應用技術發展的新方向，這不但減少了故障環節，還因內部資訊交換方便和資訊傳遞途徑的減少而提高了可靠性。
此外，隨著近幾年dcs應用技術的發展，如採用通用化的硬體平台，獨立的應用軟體體系，標準化的通訊協議，plc控制器的融入，fcs功能的實現，一鍵啟動技術的成功應用等，都為dcs增添了新的活力，功能進一步提高，應用範圍更加寬廣。
1.2全廠輔控系統走向集中監控
乙個火電廠有10多個輔助車間，國內過去通常都是由plc和上位機構成各自的網路，在各車間控制室內單獨控制，因此得配備大量的執行人員。為了提高外圍裝置控制水平和勞動生產率，達到減員增效的目的，隨著dcs技術和網路通訊功能的提高，目前各個輔助車間的控制已趨向適度集中，整合成乙個輔控網（簡稱bop即balanceofplant的縮寫）方向發展，即將相互獨立的各個外圍輔助系統，利用計算機及網路技術進行整合，在全廠it系統上進行執行狀況監控，實現外圍控制少人值班或無人值班。
近幾年新建工程迅速向這個方向發展。如國華浙能寧海電廠一期工程（4×600mw）燃煤機組bop覆蓋了水、煤、灰等共13個輔助車間子系統的監控，下設水、煤、灰三個監控點，集中監控點設在四機一控室裡，打破了傳統的全廠輔助車間執行管理模式，不但比常規減員30%，還提公升了全廠執行管理水平。整個輔控網的硬體和軟體的統一，減少了庫存備品備件及日常管理維護費用[1]。
由於取消了多個就地控制室，使得基建費用和今後的維護費用都減少。一些老廠的輔助車間也在進行bop改造，其中浙江省第一家完成改造的是嘉興發電廠2×300mw機組，取得較好效果。
1.3變頻技術的普及應用與發展
變頻器作為控制系統的乙個重要功率變換部件，以提供高效能變壓變頻可控的交流電源的特點，前些年在火電廠小型電機（如給粉機、凝幫浦）等控制上的應用，得到了迅猛的發展。由於變頻調速不但在調速範圍和精度，動態響應速度，低速轉動力矩，工作效率，方便使用方面表現出優越性，更重要的是節能效果在經濟及社會效益上產生的顯著效應，因此繼一些中小型電機上普遍應用後，近年來交流變頻調速技術，擴充套件到一些高壓電機的控制上試用，如送、引風機和給水幫浦電機轉速的控制等。
因為蘊藏著巨大的節能潛力，可以預見隨著高壓變頻器可靠性的提高、一次性投資降低和對電網的諧波干擾減少，更多機組的風機、水幫浦上的大電機會走向變頻調速控制，在一段時間內，變頻技術將繼續在火電廠節能工作中，扮演重要角色。
1.4區域性系統應用現場匯流排
自動化技術的發展，帶來新型自動化儀表的湧現，現場匯流排系統（fcs）是其中一種，它和dcs緊密結合，是提高控制訊號傳輸的準確性、實時性、快速性和機組執行的安全可靠性，解決現場裝置的現代化管理，以及降低工程投資等的一項先進的和有效的組合。目前在西方發達國家，現場匯流排已應用到各個行業，其中電力行業最典型的是德國尼德豪森電廠2×950mw機組的控制系統，採用的就是profibus現場匯流排。
我國**從「九五」起，開始投資支援現場匯流排的開發，取得階段性成果，hart儀表、ff儀表開始生產。但電廠控制由於其高可靠性的要求，目前缺乏大型示範工程，缺乏現場匯流排對電廠的設計、安裝、除錯、生產和管理等方面影響的研究，因此現場匯流排在電廠的應用仍處於**摸索階段，近二年我國有十多個工程應用了現場匯流排，但都是在區域性系統上，其中：國華浙能寧海電廠，在單元機組的開、閉式水系統中的電動門控制採用profibusdp匯流排技術，電動執行機構採用原裝進口德國歐瑪公司的一體化智慧型產品pumamatic，帶有雙通道profibus-dp冗餘匯流排介面作為dp從站掛在匯流排上。
為了提高安全性可靠性，匯流排光纖、作為匯流排上的第一類dp主站的ap和相應的光電轉換裝置都採用了冗餘結構，這是國內首家在過程控制中採用現場匯流排技術的火力發電廠。
華能玉環電廠的補給水處理系統和廢水系統[2]，採用了二層通訊網路結構的現場匯流排控制系統，其鏈路裝置和主站級網路採用冗餘配置。控制系統人機終端與主控制器之間採用工業乙太網通訊，乙太網交換機採用itp形式介面，四台交換機構成光纖高速路網。現場裝置層之間採用profibus-dp現場匯流排通訊。
主環網採用光纜，分支現場匯流排通訊選用匯流排電纜。配置二套冗餘的主控制器，分別用於鍋爐補給水系統和廢水系統，且各自有兩條由光電耦合器組成的現場匯流排環形光纜網構成冗餘配置，所有現場儀表和氣動閥門定位器（均採用帶pa匯流排介面），通過dp/pa耦合器連線到現場匯流排上。中低壓電器裝置（mcc）採用具有現場匯流排通訊介面功能的智慧型電機控制器。
加藥幫浦的電動機採用帶匯流排的變頻器。鍋爐補給水的陰陽離子床氣動隔膜閥的電磁控制閥，採用具有匯流排介面的閥島來控制，閥島與現場匯流排連線。這是國內在區域性過程控制中全面採用現場匯流排技術的首個火電廠，其應用實踐表明，輔控網全面採用現場匯流排技術已成熟。
1.5熱工控制優化技術的應用發展
隨著過程生產領域對控制系統要求的不斷提高，傳統控制方法越來越難以滿足火電廠熱力流程對系統穩定性和效能最優化方面的要求，汽溫超標已經成為制約機組負荷變化響應能力和安全穩定執行的主要障礙之一（燃燒優化主要是鍋爐專業在進行，本文不作討論）。由此基於現代控制理論的一些現代控制系統逐步在火電廠過程控制領域中得到應用。如基於過程模型並**動態求解優化問題的模型**控制（簡稱mpc）法、讓自動裝置模擬人工操作的經驗和規律來實現複雜被控物件自動控制的模糊控制法、利用熟練操作員手動成功操作的經驗資料，在常規的串級pid調節系統的基礎上建立基於神經網路技術的前饋控制作用等，在提高熱工控制系統（尤其是汽溫控制系統）品質過程中取得較好效果。
如寧海發電廠使用的西門子公司profi系統，充分使用了基於模型的現代控制理論，其中汽溫控制原理示意圖如圖1所示。
圖1機組汽溫控制原理示意圖
圖1中，用基於狀態空間演算法的狀態觀測器解決汽溫這種大滯後物件的延遲造成的控制滯後，焓值變增益控制器解決蒸汽壓力的變化對溫度控制的影響，基於模型的smith預估器對導前溫度的變化進行提前控制；通過自學習功能塊實時補償減溫水閥門特性的變化；而對再熱汽溫控制，盡量以煙道擋板作為調節手段，不採用或少採用減溫水作為控制手段，以提高機組效率；在機組協調控制模組中，採用非最小化形式描述的離散卷積和模型，提高系統的魯棒性；根據控制品質的二次型效能指標連續對**輸出進行優化計算，實時對模型失配、時變和干擾等引起的不確定性因素進行補償，提高系統的控制效果；profi投入後，agc狀態下以2%pe/min負荷率變化時的響應時間為57秒，壓力最大偏差0.208mpa，汽包水位變化最高和最低之差為-38.86mm，爐膛負壓變化曲線最高值和最低值差－145pa，主蒸汽溫度偏差穩態基本控制在2℃以內，動態基本控制在5℃以內。
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