电力行业热工自动化技术的应用现状与发展

电力行业热工自动化技术

应用现状与发展许红兵

1）电力全国装机容量：1998年超过277GW以来，我国发电装机容量和年发电量已连续名列世界第二位，2009年初突破800GW。

2）电力过程自动化，是综合运用控制理论、电子设备、仪器仪表、计算机软硬件技术及其他技术，对发电过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加发电量、提高发电生产效率和质量、降低消耗、确保安全等目的的一类综合性技术。

3）电厂过程自动化是确保电力生产具有高可靠性、高安全性和经济性的重要保障，同时也是有效地改善运行人员工作条件，最终提高发电企业市场竞争力的重要手段。引言电力行业热工自动化技术的应用状况1.1DCS的发展与当今应用特点1.2全厂辅控系统走向集中监控1.3变频技术的普及应用与发展1.4局部系统应用现场总线1.5热工控制优化技术的应用1.6新型检测仪表／装置的应用1.7SIS系统的应用发展1.1DCS的发展与当今应用特点

1）热工自动化系统发展2）单元机组控制系统一体化的崛起3）DCS结构变化，应用技术快速发展1)热工自动化系统发展一前单机容量小，一般母管制运行，自动化程度较低，简单的仪表，人工操作控制生产过程。60年代出现集中控制方式，国内主要使用DDZ-I型、lI础、IlI型电动单元组合仪表。

70年代开始使用单回路调节装置和模拟组装仪表…，75年美国Honeywell公司推出TDC-2000DCS，第一套投入过程控制运行，DCS应用迅速

。

70年代末初国内开始探索试用DCS。一些进口机组成套进口DCS为基础的控制系统，但仅DAS和MCS功能；其它功能多以CMOS电路组成。80年代开始，电厂开始上厂级实时监控系统（国内称之为SIS，国外称之为MES）

。21世纪初近几年DCS的应用范围和功能迅速扩展至全厂,工艺上能够实现的系统，DCS都能进行可靠控制。近几年瑞士Intechno咨询公司研究报告，世界过程自动化市场2005至2010年间将以年平均5.1％速度增长，2010年可高达942亿美元。其中尤以化工、电力、石化增长最为迅猛。自动化市场经济、组织和技术的发展在未来几年内对自动化技术带来深远变革。近期发展是充分利用IT(信息技术)及AI(人工智能)等先进技术，逐步采用现场智能仪表及设备，整合控制与信息系统，融合…发展2）单元机组控制系统一体化的崛起ECS逐步纳入DCS范围DCS模件完成ETS功能DEH与DCS合二为一脱硫进入单元DCS控制一体化优点：减少信号间的连接接口减少信号传递过程故障减少备件品种和数量降低维护工作量和费用控制系统一体化的实现，是DCS应用功能快速发展的体现。排除人为因素外，控制系统一体化将为更多电厂所采用过去DCS发展控制器现在·控制功能尽可能分散·过多的控制器和接口·故障停机的概率增加·控制系统间信号联系DCS转向适度集中·减少故障环节·减少信息传递途径·内部信息交换方便3）DCS结构变化，应用技术得到快速发展·功能与容量成倍增加·性能与可靠性提高·更多安全措施采用··通用化硬件平台·独立应用软件体系·标准化通讯协议·PLC控制器融入·FCS功能／APS功能对DCS的几点看法：1、DCS的应用与机组大小无关（对DCS不限制点数是基本要求）2、DCS必须向外开放，用户应用软件必须容易嵌入（自定义控制器）3、DCS的标准化已是时机：

需要的工作：标准系统硬件结构标准网络通讯协议标准数据结构1.2全厂辅控系统走向集中监控电厂10多个辅助车间，通常PLC和上位机构成各自网络，在各车间控制室内单独控制；过去各个辅助车间的控制趋向适度集中，向整合成一个辅控网（简称BOP）方向发展。现在外围控制少人或无人值班。整个辅控网硬件和软件统一，减少库存备品备件，降低基建费用和今后的日常管理维护费用。优点国华浙能宁海电厂4×600MW燃煤机组BOP覆盖水、煤、灰等共13个辅助车间子系统的监控，下设水、煤、灰三个监控点，集中监控点设在四机一控室里。优点某厂辅助车间集中控制系统结构图1.3变频技术的普及应用与发展因为蕴藏着巨大的节能潜力，可以预见随着高压变频器可靠性的提高、一次性投资降低和对电网的谐波干扰减少，更多机组上的大电机会走向变频调速控制。前些年在小型电机（如给粉机、凝泵）控制上应用发展迅猛。因此近年扩展到一些高压电机控制上应用。1.4现场总线局部系统应用全球安装超过2400万台PROFIBUS现场仪表设备。电力行业典型应用是03年1月交付营运的德国尼德豪森电厂2×950MW机组控制系统,其现场总线的设备规模为约900个马达／泵、1200个阀门执行器和400个气动阀门电磁阀。现应用情况展望解决数字化的瓶颈，智能地实现监视和管理过程变量的功能，有效地诊断自身健康状况，获知更多的工艺过程健康信息，从设备异常状态管理过度到异常状态预防现场总线与DCS紧密结合，提高设备控制质量和设备管理水平，降低工程和维护费用；方向德国尼德豪森电厂2×950MW机组的控制系统配置图国内政府从“九五”起开始投资现场总线开发，HART和FF仪表开始生产。但尚无大型示范工程，处于探讨摸索阶段，近二年有十多个工程应用了现场总线，但都是在局部系统上。国华宁海电厂国内首家过程控制采用现场总线火电厂，机组开、闭式水系统中电动门控制采用ProfibusDP总线技术，电动执行机构采用PumaMatic，带有双通道Profibus-DP冗余总线接口作为DP从站挂总线上。总线光纤、总线上第一类DP主站的AP和相应光电转换装置都采用冗余结构。国内首家在局部过程控制中全面采用现场总线的火电厂。其锅炉补给水处理和废水系统，采用二层通讯网络结构的现场总线控制。现场设备层间采用Profibus-DP通讯。主环网用光缆，分支现场总线通讯用总线电缆。各自有两条由光电耦合器组成的现场总线环形光缆网构成冗余配置。华能玉环电厂1.5热工控制优化技术的应用发展传统控制方法难以满足电厂热力流程对系统稳定性和性能最优化方面的要求，汽温超标成为制约机组负荷变化响应能力和安全稳定运行的障碍之一。问题基于现代控制理论的一些控制策略逐步在电厂过程控制中应用，如模型预测控制（简称MPC）法、模糊控制法、基于神经网络技术的前馈控制作用等，在提高热工控制系统（尤其是汽温）品质过程中取得一定效果。解决办法国华浙能宁海发电厂PROFI系统，充分使用基于模型的现代控制理论，取得调节的较好效果。图2是其汽温控制原理示意图。实例状态观测器解决汽温这种大滞后对象的迟延造成的控制滞后焓值变增益控制器解决蒸汽压力变化对温度控制的影响基于模型的Smith预估器对导前温度变化进行提前控制；通过自学习功能块实时补偿减温水阀门特性的变化；

对再热汽温控制，尽量以烟道挡板作为调节手段，不采用或少采用减温水作为控制手段，以提高机组效率主蒸汽温度偏差稳态基本控制在2℃以内，动态基本控制在5℃以内。目前国外采用的电站优化软件，主要包括实时过程控制参数的优化控制软件和保持系统或设备经济高效运行的优化管理软件两类软件特点在于实时、在线和闭环控制功能，主要用于机组负荷变化过程控制，减少参数动态偏差和被调量的时间延迟；如机炉协调、汽等优化控制软件、报警功能优化软件等。第一类软件特点在于注重运行经济性、对设备或系统的开环分析能力及系统管理、决策支持功能。如能量管理、设备及系统性能优化、过程信息统计分析、设备资源管理等优化管理软件。第二类目前计算机控制系统的潜能还未充分发挥。借鉴国外经验，开发应用效益明显、智能化程度高、适合我国机组的优化控制管理软件，将是自动化发展的一个任务。

方向1.6新型检测仪表／装置的应用

目前国内工业上应用的大多数传感器技术，都有着其自身难以克服的不足。较之监控系统而言，现场传感器和终端控制元件的技术进步相对落后。是热工自动化系统发展的瓶颈。国际先进电力企业在采用新型控制系统的同时，高度重视新型传感器技术的开发及应用，其中应用较为成熟的有光纤测量技术、气固两相流体流量检测技术、声波高温计等。1。分散测量的能力。对光纤的测量值进行滤波或输出处理后，一根光纤整个长度均可作为一个传感器。2。光纤传感器还具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、……3。光纤可实现的传感信息量广。如光导纤维本身就对压力和应变力极为敏感，这就意味着光纤可以同时作为压力、温度和应力传感器而使用。。4.目前一些先进国家已进入全面商业化应用阶段。光纤分布式温度传感器正逐渐用于电站关键部件的温度监视。光纤可用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传像和某些化学量等测量，能经济地实现对大量地点的温度监视。光纤测量技术电厂中存在着许多两相流体的应用场合，如，为提升电厂的生产效率、降低运行和维护成本、满足日益严格的环保要求，有效解决相应的两相流体流量测量难题。利用发射进煤粉管内的微波反向散射原理测量煤粉浓度和速度气固两相流量检测

国际上众多仪表制造商和研究机构对电厂内的两相流量测量进行了大量的研发，已开发和生产出了不少的两相流量检测装置。基于脉冲超声波束衰减量测量煤粉流速依据煤粉对b射线或g射线的吸收测定煤粉流量通过煤粉颗粒碰撞一列金属棒而引起金属机械振动的监视来间接判定煤粉颗粒分布……1。国内电厂锅炉炉膛和后炉膛区温度的测量现状

。烟温探针来进行启动过程烟温检测

3。国际上在炉膛温度测量方面采用测量装置可分两类：电厂锅炉炉膛和后炉膛区的温度，不仅直接反应出其内燃料燃烧强度大小，燃烧过程效率优劣，而且还间接影响锅炉受热面及后续流程(如脱硝、灰份控制等)的正常运行。声波式高温计

正常运行测量相应受热面金属壁温与烟气直接接触吸入式热偶高温计发射光谱幅射高温计和声波高温计1.7SIS系统的应用发展SIS系统是实现电厂管理信息系统与各种分散控制系统之间数据交换、实时信息共享的桥梁，其功能……，电力规划总院2000年提出，至今估计有300家电厂建立了系统。应用自从SIS系统投运以来，其所起的作用只是数据的采集、存储、显示和可打印各类生产报表，能够真正把SIS的应用功能尽情发挥出来的很少，其面向……，

。问题主要有设计不够完善，多数SIS厂家并没有完全吃透专业性极强的后台程序及算法，使其在生产实际中未能发挥作用，加上与现场生产脱节

。原因SIS系统的建设符合技术发展需要和电力市场发展趋势，将有可能给电厂特别是大型电厂带来经济效益。方向电力行业热工自动化的未来发展动向及其前景2.1单元机组监控智能化是热控方向2.2全方位管控一体化2.3过程控制优化软件将得到进一步应用2.4现场总线与PLC、DCS相互依存发展2.5辅控系统集控将得到全面推广2.6单元机组控制物理位置趋向集中布置2.7APS技术应用2.8无线测量技术应用2.9提高热工自动化系统可靠性研究将深入2.11火电厂机组检修运行维护方式将改变2.12其它趋势2.1单元机组监控智能化是热控方向对现场智能传感器进行在线远程组态和参数设置、对因安装位置和高静压造成的零位飘移进行远程修正，精度自动进行标定，计算各类误差,并生成标定曲线和报告；自动跟踪并记录仪表运行过程中综合的状态变化，如掉电、高低限报警、取压管路灰堵或零位变化等。仪表智能管理软件对智能化阀门进行在线组态、调试、自动标定和开度阶跃测试，判断阀门阀杆是否卡涩,阀芯是否有磨损等，通过阀门性能状况的全面评估，为实现预测性维护提供决策：阀门智能管理软件…单元机组监控系统智能化近几年开始起步。未来数年里，信息智能化的仪表与软件会在火电厂得到发展应用趋势对重要转动设备的状态如送、引风机，给水泵等，综合采用基于可靠性的状态监测多种技术，通过振动、油的分析以及电机诊断，快速分析（是否存在平衡不好,基础松动,冲击负荷，轴承磨损等现象）和识别故障隐患,在隐患尚未扩展之前发出报警,为停机检修提供指导和帮助设备状态智能管理软件单元机组监控智能化将带来机组检修方式的转变，以往定期的、被动式维护将向预测性、主动式为主的维护方式过渡，检修计划将根据机组实际状况安排。检修方式转变智能化报警软件将对报警信号进行汇类统计、分析和预测，对机组运行趋势和状态作出分析、判断，用以指导运行人员的操作；故障预测、故障诊断以及状态维修等专用软件，将在提高机组运行的安全性，最大限度地挖掘机组潜力中发挥作用。故障诊断维护软件2.2全方位管控一体化

一方面是控制系统充分利用现场总线等先进技术全面挖掘生产过程的监控及检修数据信息，在厂内和CMMS(计算机检修维护管理系统)实现无缝联接；另一方面是在企业级通过MES(即制造执行系统，类似于国内SIS)和集团ERP(企业资源规划系统)互联。作用置于控制系统级与ERP之间，优化电厂生产级的工作流程，改进生产质量，增加过程可靠性，营造一个快速反应、有弹性、高效率、精细化的制造环境。…MES（SIS）系统将贯穿整个组织的信息、通讯和自动化技术等价值创造链上的各个环节进行水平和垂直无缝整合与集成，…定义2.3过程控制优化软件将进一步应用…目前有关自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等技术，在电厂控制系统优化应用报道有不少，但真正运行效果好的不多…问题1安全、经济效益方面取得明显效果，通用性强、安装调试方便的优化控制专用软件（尤其是燃烧和蒸汽温度优化、性能分析软件）将会在电厂得到亲睐、发展应用…应用1目前机组的AGC均为单机方式，…，这种方式对机组和设备的寿命都会产生一定的负面影响。问题2…发电企业将从各个角度考虑降低运行成本，延长机组使用寿命。配置全厂负荷分配系统（将是发电企业必然的要求，单机AGC方式将向全厂负荷分配方式转变。应用22.4现场总线与PLC、DCS相互依存发展未来一段时间里，现场总线将与DCS、PLC相互依存发展，现场总线借助于DCS和PLC平台发展自身的应用空间，DCS和PLC则借助于现场总线完善自身功能。发展趋势现场总线在电厂的应用将借助于PLC，1）PLC已广泛应用于电厂辅控…，2）现场总线和PLC的制造商间关系密切，…。总线PLC关系目前现场总线难以迅速应用到整个电厂，而DCS虽然是电厂在线运行机组的主流控制系统，但无法满足工程师站上对现场仪表进行诊断、维护和管理的要求…，

总线DCS关系2.5辅助车间集控将得到全面推广在实施过程中，目前要解决好以下问题：辅控系统I/O点量大，各辅助车间物理位置分散，存在远距离通信、信号衰减和网络干扰问题，因此监控系统主干通信网宜采用多模光缆以确保通信信号的可靠性。系统可靠性各辅控系统供货商不同，使用软件不同可能使其操作员站人机界面不一致。选型时应注意上位机软件，统一人机界面，风格及操作方式的设计，以方便各系统画面接入BOP网络。此外保证执行、测量、发讯设备可靠性。软件硬件各辅控系统采用不同的控制设备，通信接口协议不同，甚至不同的物理接口，因此须解决网络通信协议的转换问题，选型时应事先规定好各系统间的接口连接协议。通信协议转换2.6机组控制物理位置趋向集中布置一个集控室的概念，通常为一台单元机组独用或为二台单元机组合用，电子室分成若干个小型的电子设备间，分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设备附近。其优点是节省了电缆。过去…集控室的概念扩大，出现了全厂单元机组集中于一个控制室，单元机组的电子设备间集中，现场一般的监视信号大量采用远程I/O柜的配置方式，且形成一种趋势，其优点是可提高机组运行管理水平。近几年2.7APS技术应用APS机组级顺序控制系统代名词。…但由于设备自身的可控性和可用率不满足自动化要求，加上一些工艺和技术上还存在问题，目前燃煤机组实施APS系统的还不多见。应用情况由于APS系统的实质是电厂运行规程的程序化，其优势在于可以大大减轻运行人员的工作强度，避免人为操作中的各种不稳定因素，缩短机组启停时间。作为提高生产效率和机组整体自动化水平，增强在电力企业的市场竞争能力行之有效的方法，将会成为未来机组控制发展的方向之一，引导设计、控制系统厂商和电厂人员更多地去深入研究，设计和完善功能，并付绪实施：。应用趋势2.8无线测量技术应用。：无线测量技术能监视和控制运行过程中发生的更多情况以获得关键的工艺信息，整合进入DCS。除节省大量安装成本以外，还将推动基本过程和自动化技术的改善。如供热、供油和煤计量，酸碱、污水区域测量等，都可能通过无线测量技术实现远程监控。应用情况美国德州LCRA集团公司为了降低电厂运行维护成本，由一套电厂人员集中管理其下属容量为650MW的SireGideon电厂和容量为545MW的LostPines电厂，采用了Apprion公司的WiMAX无线网络系统，应用实例2.9提高热工系统可靠性研究将深入热控系统存在的不足之处，使得热控保护系统误动作引起机组跳闸事件还时有发生。在电力生产企业面临安全考核风险增加和市场竞争加剧的环境下，从提高热工自动化系统的可靠性着手，深入开展技术研究，是热工自动化系统长期的工作：理由包括控制软硬件的合理配置，采集信号的可靠性、干扰信号的抑制，控制逻辑的优化、控制系统故障应急预案的完善和测量仪表的合理校验周期等。随着机组控制可靠性要求的提高，重要控制子系统的硬件配置中，将会采用安全型控制器、安全型PLC系统或者它们的整合，保护采集信号将会更多的采用三选二判断逻辑。独立的测量装置需要设计干扰信号抑制功能。研究内容2.9实现远程监控和动态监督各集团公司的机组数量和容量不断增加且分布全国各地，目前状况要做到实时有效地生产管理难度大。同样作为技术监督服务方的省级电科（试）院服务机组数量和服务范围的快速增加，专家型技术人员相对短缺，服务效率与客户要求的差距增大。现状实施远程监控和动态监督系统，对机组的运行状况进行实时监视，对生产运营情况进行决策；省级电科（试）院可进行实时动态监督、远程技术支持、服务和故障事故原因分析查找。发展2.9实现监督程序化各基于实时参数的设备管理系统软件，目前国外引入的已不新鲜，但价格昂贵且有些水土不服之疑。省电科（试）院开发的监督管理系统，有的缺乏实时数据支持和在线综合分析以及与其它系统的接口功能，不被电厂接受。软件问题建立电厂设备检修运行维修管理一体化的热工监督信息平台，通过与SIS系统接口，将DCS控制系统界面以标准化格式引入平台，对热工在线运行参数、自动调节品质综合分析判断，…。越限报警信号进行归类、智能分析，…热工参数考核指标实时统计和自动生成，检修和日常维修工作流中在平台下进行定管信息化。开发应用2.10