熱工自動(dòng)化的現(xiàn)狀

熱工自動(dòng)化技術(shù)是一種運(yùn)用控制理論、熱能工程技術(shù)、智能儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和其他信息技術(shù)，對(duì)熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、控制，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理、決策，達(dá)到確保安全、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、減員增效等目的的綜合性高新技術(shù)。它主要是指對(duì)鍋爐、汽機(jī)及其輔助設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)控制，使機(jī)組自動(dòng)適應(yīng)工況的變化，且保持在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。

一般來(lái)說(shuō)，熱工控制系統(tǒng)是由測(cè)量裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其中，測(cè)量裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在原理和結(jié)構(gòu)上沒(méi)有新的變化，只是引入了智能化、網(wǎng)絡(luò)通信接口、微處理器等，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)定、控制，逐步向現(xiàn)場(chǎng)總線方向發(fā)展，其核心已逐步由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代。

由于火電廠的特殊性，涉及的勢(shì)力設(shè)備眾多、熱力系統(tǒng)龐大，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，多數(shù)設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高速、易燃等惡劣的條件下，現(xiàn)代熱工控制系統(tǒng)往往還包括自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、順序控制等內(nèi)容。

在“十一五”期間，SIS應(yīng)用技術(shù)走向成熟、DCS進(jìn)一步發(fā)展以及現(xiàn)場(chǎng)總線的快速應(yīng)用，火電廠掀起了信息化建設(shè)的浪潮，紛紛向數(shù)字化電廠轉(zhuǎn)型。雖不斷提高，但差距仍在，主要表現(xiàn)在機(jī)爐電整體控制程度不高；熱工測(cè)量及儀表工藝有待提高；安全監(jiān)視和保護(hù)裝置覆蓋面窄，功能不全；機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)投入率低；程序控制投入使用少以及開(kāi)環(huán)應(yīng)用多。

目前單元機(jī)組實(shí)現(xiàn)了集中控制、電氣控制納入了DCS，實(shí)際上熱工自動(dòng)化和電氣自動(dòng)化仍然沒(méi)有達(dá)到真正的一體化。今后，一臺(tái)單元機(jī)組僅設(shè)1位主值班員，電氣控制必須與汽輪機(jī)、鍋爐控制形成一個(gè)整體，只有做到這一點(diǎn)，才能使我國(guó)火電廠自動(dòng)化水平躋身于國(guó)際先進(jìn)水平行列。

熱工自動(dòng)化的新進(jìn)展

伴隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，熱工自動(dòng)化技術(shù)也發(fā)展非常快。新原理、新材料、新工藝生產(chǎn)的各種傳感器、變送器不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)，控制系統(tǒng)、控制裝置也是日新月異。新的控制理論和控制策略不斷涌現(xiàn)，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用。

先進(jìn)理念、算法打造APS

“交叉引用、條件自舉”理念認(rèn)為模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路把開(kāi)關(guān)量順序控制的設(shè)備啟停進(jìn)程狀態(tài)引作轉(zhuǎn)換工作方式的條件，開(kāi)關(guān)量順序控制系統(tǒng)把模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路的工作方式用作啟動(dòng)的條件，相互交叉引用。一俟對(duì)方條件滿足，順序控制或自動(dòng)調(diào)節(jié)回路便自行推升控制層次，完成條件自舉，進(jìn)而自主執(zhí)行后續(xù)任務(wù)。該理念使得在復(fù)變控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全工況、全過(guò)程、全自動(dòng)運(yùn)行成為可能。

針對(duì)復(fù)變系統(tǒng)而采用“交叉引用、條件自舉”的新理念徹底改變了傳統(tǒng)控制方法，優(yōu)化了系統(tǒng)劃分、啟停順序和操作方式，基礎(chǔ)邏輯著落在智能控制、本質(zhì)安全。相對(duì)于機(jī)組正常運(yùn)行，機(jī)組啟停固然時(shí)間短暫，但機(jī)組適應(yīng)各種工況的自動(dòng)控制能力和可靠性卻因APS而極大提升，安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)受益。

因此，機(jī)組自動(dòng)程序啟停系統(tǒng)（APS）具有一鍵順序控啟停、二 套調(diào)節(jié)貫全程、三種狀態(tài)兩切換、四級(jí)控制分工明、五項(xiàng)功能歸一統(tǒng)，六個(gè)斷點(diǎn)續(xù)自動(dòng)等特點(diǎn)，自1999年在珠海發(fā)電廠開(kāi)始應(yīng)用到現(xiàn)在，幾乎不存在誤操作的可能，實(shí)踐證明：設(shè)計(jì)科學(xué)、久經(jīng)實(shí)戰(zhàn)，功能成熟、使用方便，運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)安全，為機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

電廠三維、協(xié)同設(shè)計(jì)工作

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，21世紀(jì)開(kāi)始的三維技術(shù)在電廠設(shè)計(jì)中逐步應(yīng)用。三維設(shè)計(jì)給電廠設(shè)計(jì)帶來(lái)革命，也給數(shù)字化電廠提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段，貫穿于電廠的整個(gè)生命周期。同時(shí)，由于協(xié)同制造理念的引入，廣東電力設(shè)計(jì)研究院開(kāi)始了將三維技術(shù)與協(xié)同設(shè)計(jì)相結(jié)合的應(yīng)用研究。

由于采用了各專業(yè)設(shè)計(jì)元素同一數(shù)據(jù)庫(kù)以及三維模型全部參數(shù)化，并以數(shù)據(jù)的方式存放在同一數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，可以以三維模型的方式去顯示，在三維模型中可以瀏覽、漫游模型中的所有含屬性的參數(shù)，三維和二維可以互相關(guān)聯(lián)，從而三維與協(xié)同技術(shù)給數(shù)字化電廠管理實(shí)現(xiàn)提供了很好的基礎(chǔ)平臺(tái)，有了所需同一、強(qiáng)大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)工作，利用現(xiàn)有的功能軟件包可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠管理工作。

通過(guò)電廠三維模型，既可可視化觀看，又可進(jìn)行數(shù)字化管理，如廠區(qū)、廠房?jī)?nèi)的漫游設(shè)備、管道的參數(shù)、定位坐標(biāo)，特別是與MIS相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精確的、可視化的電廠數(shù)字化管理系統(tǒng)。目前，協(xié)同設(shè)計(jì)工作已在陽(yáng)江核電一期工程中開(kāi)展P&ID圖的專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)工作，已經(jīng)完成機(jī)務(wù)專業(yè)各工藝系統(tǒng)的P&ID協(xié)同設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的效果。

FDCS ：電氣熱工控制一體化

現(xiàn)場(chǎng)總線作為一個(gè)完整的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，目前還難以迅速應(yīng)用到整個(gè)電廠中，而DCS雖然是電廠目前在線運(yùn)行機(jī)組的主流控制系統(tǒng)，但由于其檢測(cè)和執(zhí)行等現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)仍采用模擬量信號(hào)，無(wú)法滿足工程師站上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行診斷、維護(hù)和管理的要求，限制了控制過(guò)程視野。

未來(lái)一段時(shí)間里，現(xiàn)場(chǎng)總線將與DCS、PLC相互依存發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線借助于DCS和PLC平臺(tái)發(fā)展自身的應(yīng)用空間，DCS和PLC則借助于現(xiàn)場(chǎng)總線完善自身的功能。

如，基于控制器實(shí)現(xiàn)FCS和DCS的融合的FDCS兼容傳統(tǒng)DCS和FCS，實(shí)現(xiàn)熱工電氣控制一體化。相比各自獨(dú)立的DCS和FCS，F(xiàn)DCS就具有無(wú)比的優(yōu)越性。它采用現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)智能裝置的就地化，接入智能傳感器、執(zhí)行器，節(jié)省電纜、信息豐富，方便安裝調(diào)試；采用仿真控制一體化技術(shù)，對(duì)于全廠運(yùn)行指導(dǎo)、性能分析提供了應(yīng)用平臺(tái)。同時(shí)電氣保護(hù)測(cè)控單元通過(guò)FCS進(jìn)入FDCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電氣熱工一體化。

節(jié)能環(huán)保 高壓變頻技術(shù)應(yīng)用

節(jié)能能源、降低消耗，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)已是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)永恒的話題。發(fā)電廠要生存，必須要順應(yīng)節(jié)能環(huán)保的趨勢(shì)，利用變頻器技術(shù)改造成為當(dāng)前火電廠的重要工作。

通過(guò)研究和分析，液力耦合、內(nèi)反饋調(diào)速逐步被變頻器所替代，為此現(xiàn)階段實(shí)施變速驅(qū)動(dòng)的主要手段是變頻器。鑒于功率模塊串聯(lián)多電平變頻器輸出接近正弦波，輸入采用30脈沖及以上的整流，輸入、輸出諧波都很小，對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)沒(méi)有什么影響，技術(shù)成熟，國(guó)內(nèi)有大量生產(chǎn)廠家，造價(jià)也較低，因此5000KW以下的設(shè)備優(yōu)先采用功率模塊串聯(lián)多電平變頻器。高于5000KW以上電動(dòng)機(jī)變頻改造應(yīng)選用三電平技術(shù)的變頻器，近年來(lái)大容量串聯(lián)多電平變頻器也廣泛使用。

高壓變頻器經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，從設(shè)計(jì)技術(shù)、制造技術(shù)和電力電子元件的質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，可靠性得到很大的提高，基本做到兩年無(wú)故障紀(jì)錄。通過(guò)調(diào)研，高壓變頻設(shè)備質(zhì)量完全滿足電廠驅(qū)動(dòng)的要求，在其它電力公司應(yīng)用較為廣泛。

總之，隨著國(guó)家法律對(duì)環(huán)保日益嚴(yán)格的要求和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)熱工系統(tǒng)將圍繞 “節(jié)能增效，可持續(xù)發(fā)展”的主題，向無(wú)線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、透明化，保護(hù)、控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展，新的測(cè)量控制原理和方法不斷得以應(yīng)用，將使機(jī)組的運(yùn)行操作和故障處理，象操作普通計(jì)算機(jī)一樣方便。