淺談自動控制技術(shù)在大型電廠中的應(yīng)用

陳影

摘 要：該文主要對在電廠生產(chǎn)過程中的自動化控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括控制技術(shù)的特性和現(xiàn)狀等問題，并且對現(xiàn)場的控制技術(shù)如FCS、DCS等特性和存在的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析描述，闡述了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢以及應(yīng)用目的，提出了一些建設(shè)電廠自動化控制技術(shù)的思路。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 自動控制 技術(shù)分析

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（b）-0044-01

汽輪機(jī)是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的外燃回轉(zhuǎn)式原動機(jī)。它的任務(wù)是把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再利用傳動機(jī)構(gòu)拖動發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)換效率較高，且能設(shè)計(jì)和制造出較大的功率，所以在火電廠里得到了普遍的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，當(dāng)前新投運(yùn)的汽輪機(jī)越來越多的采用了以數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)為控制器核心的數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）。它由計(jì)算機(jī)控制部分和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分組成，是發(fā)電汽輪機(jī)組的專用控制設(shè)備，它包括了對汽輪發(fā)電機(jī)組的自動監(jiān)測、自動控制、順序控制及自動保護(hù)四大功能，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動啟動、停機(jī)、功率頻率調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方自動調(diào)度等功能。實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)組的自動保護(hù)，使汽輪機(jī)自動控制水平由前一階段的單獨(dú)控制提高到機(jī)、爐、電協(xié)調(diào)控制及電網(wǎng)中心統(tǒng)一控制的高級綜合水平。汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，要求汽輪機(jī)運(yùn)行人員和設(shè)備維護(hù)人員不僅要具有汽輪機(jī)原理和液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)方面的知識，而且還要具有控制原理、電子、計(jì)算機(jī)等方面的知識。

1 汽輪機(jī)自動控制機(jī)構(gòu)的基本特性

1.1 控制系統(tǒng)的配備關(guān)系

汽輪機(jī)必須在配備了控制系統(tǒng)后才能保證工作安全和所發(fā)電能的質(zhì)與量。在保持轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定的前提下，汽輪發(fā)電機(jī)組的主力矩與汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)和排汽參數(shù)相關(guān)。如果汽輪機(jī)進(jìn)汽的溫度、壓力和排汽的溫度壓力均保持不變，那么汽輪機(jī)組的主力矩，也就是發(fā)電功率基本上就只與汽輪機(jī)的進(jìn)汽量成正比。當(dāng)電力用戶的用電量增大時(shí)，汽輪機(jī)的進(jìn)汽量就應(yīng)增大，反之亦然。因此必須在汽輪機(jī)上安裝自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速信號對汽輪機(jī)自動進(jìn)行進(jìn)汽量的調(diào)節(jié)，使其滿足實(shí)際運(yùn)行的要求。

1.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與所發(fā)電能頻率的關(guān)系

因?yàn)殡娔芎茈y大量儲存，所以電力生產(chǎn)中對發(fā)電設(shè)備必須進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以隨時(shí)滿足用戶對所發(fā)出的電能的量和質(zhì)的要求。在此處量指的是電能功率的大小，質(zhì)指的是電能的頻率與電壓（我國規(guī)定頻率變化在±1%以內(nèi)，電壓變化在±6%以內(nèi)）。電能的頻率與電壓這兩者都和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，電壓除取決于轉(zhuǎn)速外，還可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來控制，而頻率就直接取決于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)是直接由汽輪機(jī)拖動的，所以汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，電能的頻率就增高，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，電能的頻率也減小。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電頻率有直接關(guān)系。

2 汽輪機(jī)自動控制技術(shù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2.1 安全保護(hù)系統(tǒng)

汽輪機(jī)對于轉(zhuǎn)速、震動和油溫等參數(shù)都有嚴(yán)格的要求，要保證這種復(fù)雜的機(jī)械裝置的正常運(yùn)行，必須有一套安全保護(hù)系統(tǒng)。還保護(hù)系統(tǒng)可以針對上述幾組參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其實(shí)，作為一個(gè)有機(jī)整體，汽輪機(jī)本身具備一系列的安全保護(hù)措施，比如常見的危及遮斷裝置，該裝置能以機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)的超速保護(hù)。但僅有此類裝置是不夠的。為確保生產(chǎn)的安全可靠運(yùn)行，該研究采用了一種新的汽輪機(jī)檢測保護(hù)控制系統(tǒng)，即：將DCS與DEH-NK結(jié)合起來，當(dāng)DEH-NK數(shù)據(jù)不太重要的時(shí)，以通訊的方式將其傳輸至DCS系統(tǒng)；當(dāng)數(shù)據(jù)很重要時(shí)，則采用硬接線的方式將其送入DCS，通過兩者使該控制系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)整體。

2.2 自動發(fā)電控制系統(tǒng)

因?yàn)檎{(diào)速器通常為有差調(diào)節(jié)，所以對變化幅度較大、周期較長的變動負(fù)荷分量進(jìn)行二次調(diào)整。其原理在于改變汽輪發(fā)電機(jī)組的出力以達(dá)到調(diào)頻目的。具體通過改變機(jī)組的同步器即通過平移調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靜態(tài)特性來完成。

遙控自動控制，也可以由電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)來完成。人們通常將這種二次調(diào)整方式稱為自動發(fā)電控制（automatic generation control System，AGC）。

2.3 順序控制系統(tǒng)

順序控制系統(tǒng)指生產(chǎn)過程中的一系列操作，這一系列操作要符合生產(chǎn)工藝要求，要有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行。這種控制方式也稱程序控制。它主要在兩種情況下使用：主機(jī)或輔機(jī)的自動啟停程序控制，如汽輪機(jī)的自動啟停程序控制、磨煤機(jī)自動啟停程序控制；輔助系統(tǒng)的程序控制，如定期排污和定期吹灰的程序控制等。

2.4 數(shù)字電液控制系統(tǒng)

作為汽輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，該系統(tǒng)既可以在機(jī)組啟停和故障時(shí)發(fā)揮控制和保護(hù)作用，也可以控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、功率及機(jī)前壓力。

2.5 監(jiān)視儀表（TSI）和緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）

汽輪發(fā)電機(jī)是一種大型機(jī)械設(shè)備，它通常在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下工作，因而有嚴(yán)格的運(yùn)行參數(shù)要求。必須對大軸的振動、位移、熱膨脹等參數(shù)進(jìn)行精確測量和監(jiān)視，因?yàn)樗鼈儠χ逼麢C(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。要解決參數(shù)監(jiān)測與處理相關(guān)的問題，可采取以微處理器為核心的汽輪機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

3 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放

FCS指現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。與采用DCS代表模擬儀表相比，采用該系統(tǒng)取代DCS具有更大的經(jīng)濟(jì)效益。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）通過該系統(tǒng)，可以將控制功能下放到現(xiàn)場，使信號傳輸變得更加準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和可靠；（2）該系統(tǒng)只需一兩根電纜即可，節(jié)省了大量電纜；（3）無需I/O端子柜和控制柜，系統(tǒng)得到大大簡化，占地面積大大減少，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)工作量和費(fèi)用都大大降低；（4）只有2根同軸電纜或光纜和幾根緊急停機(jī)開關(guān)的電纜進(jìn)入控制室，這對防火和火電廠的安全運(yùn)行十分有利；（5）現(xiàn)場總線通信協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)化后，不同廠家的產(chǎn)品相互銜接變得十分容易。在現(xiàn)場總線技術(shù)的推進(jìn)時(shí)間上，現(xiàn)在是用DCS取代模擬儀表時(shí)期，也是HART儀表的上升時(shí)期。工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵在于產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和可靠性上，該研究者相信，F(xiàn)CS這種新型的自動控制裝置，能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)帶來巨大效益，一旦現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)出臺，它必然能得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

近年來，我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅猛，火力發(fā)電廠不斷得到完善。要確保機(jī)組的自動發(fā)電控制發(fā)揮正常功能，一個(gè)有效的控制系統(tǒng)是必不可少的。由于非線性、參數(shù)慢時(shí)變、遲滯并存大慣性等情況會對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)造成許多不利影響，所以單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將這些作為主要控制目標(biāo)。某電廠300MW亞臨界參數(shù)燃煤機(jī)組并不能滿足電網(wǎng)的使用需要，其原因正在于鍋爐側(cè)汽壓對象存在很大的慣性，而原機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)功能較差導(dǎo)致自動發(fā)電變負(fù)荷速率僅為有1%/min。所以，該文結(jié)合了狀態(tài)變量控制技術(shù)和相位補(bǔ)償技術(shù)對問題進(jìn)行了分析，以緩解鍋爐的快速性及穩(wěn)定性存在的沖突。

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