自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用

劉延文

（煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用

劉延文

（煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，電力行業(yè)得到了飛速提升?；痣姀S作為電力行業(yè)中的重要組成部分，將自動(dòng)控制理論與火電廠熱工自動(dòng)化相結(jié)合，可以促進(jìn)火電廠熱工自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，從而提升發(fā)電機(jī)組的整體容量，增強(qiáng)供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

自動(dòng)控制理論；火電廠熱工自動(dòng)化；應(yīng)用

火電廠熱工自動(dòng)化作為自動(dòng)控制技術(shù)中的重要組成部分，其主要包含熱能工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能儀表儀器等先進(jìn)技術(shù)?；痣姀S生產(chǎn)運(yùn)行過程中，通過自動(dòng)控制技術(shù)將其中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提升企業(yè)的生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，還可以幫助企業(yè)節(jié)約資源成本。

1 火電廠熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)揮的作用與優(yōu)勢(shì)

1.1 對(duì)管理信息系統(tǒng)進(jìn)行拓展

火電廠熱工自動(dòng)化利用自動(dòng)控制系統(tǒng)的過程中，主要將計(jì)算機(jī)原理作為基礎(chǔ)，利用多種服務(wù)手段對(duì)火電廠熱工自動(dòng)化中的全部設(shè)備實(shí)施全程式的監(jiān)測(cè)，也可以將這種方式看作為構(gòu)建完善的管理信息系統(tǒng)。其中比較成功的架構(gòu)模式便是DCS，其主要將分布式的控制系統(tǒng)作為主要表現(xiàn)形式。DCS具備極強(qiáng)的控制能力，還結(jié)合了PLC控制器，可將管理信息系統(tǒng)有效拓展，并將可用的范圍與形式不斷擴(kuò)大。

1.2 幫助系統(tǒng)累積高級(jí)算法模塊

自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)多種高級(jí)算法模塊進(jìn)行了積累。例如在某企業(yè)應(yīng)用的ZT600自動(dòng)控制系統(tǒng)中，就對(duì)其進(jìn)行了自我障礙保修、預(yù)警的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式表明了計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息的互相完美銜接，從而提升火電廠熱工自動(dòng)化的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量。一般而言，火電廠中的大部分設(shè)備計(jì)算模塊都與0．5K梯形圖邏輯總量相同，如果想利用PLC將各項(xiàng)作業(yè)流程完成，便需要利用多種類型的模塊，其形式變得更加復(fù)雜多樣。而且在PLC系統(tǒng)中還存在一定的問題，主要表現(xiàn)為不能對(duì)修改率進(jìn)行下載，還會(huì)在運(yùn)行調(diào)試的過程中發(fā)生各種問題。

2 火電廠熱工自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀分析

火電企業(yè)在日常生產(chǎn)過程中，利用自動(dòng)化的各種儀器與設(shè)備取代傳統(tǒng)的人工操作，利用相應(yīng)的儀器與設(shè)備實(shí)施自動(dòng)化的生產(chǎn)，可超過人工操作的質(zhì)量與效率。在上世紀(jì)前期便已經(jīng)提出了自動(dòng)化控制理論，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展與探索，在理論中主要包括經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論與智能控制理論三部分。對(duì)于經(jīng)典控制理論來說，其主要將傳遞函數(shù)理論作為基礎(chǔ)，構(gòu)建完善的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的狀態(tài)以及規(guī)律進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)控制。對(duì)于現(xiàn)代控制理論來說，是將現(xiàn)行控制與優(yōu)化估值作為理論的研究基礎(chǔ)，促使火電廠在運(yùn)行過程中，對(duì)生產(chǎn)全過程實(shí)施有效的自我控制。而智能控制理論是將前二者互相結(jié)合，將數(shù)值計(jì)算作為主要方式，對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)施更加有效的控制。

3 自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用策略

3.1 對(duì)熱工儀表非線性特性進(jìn)行校正

（1）熱工儀表的非線性特性?；痣姀S的熱工儀表存在著不盡相同的非線性特性，例如在熱電偶溫度儀表中，其熱電勢(shì)與溫度之間存在的關(guān)系，在節(jié)流式流量?jī)x表中，流量與差壓之間存在的關(guān)系，在閥位顯示儀表中，閥門的開度與流量之間存在的關(guān)系等，這些關(guān)系都屬于非線性函數(shù)而存在。在儀表中存在這些非線性特性，會(huì)對(duì)儀表的測(cè)量準(zhǔn)確度、儀表顯示精確度產(chǎn)生一定的影響。為了減少存在的誤差，需要對(duì)儀表中的非線性特性進(jìn)行減小，可以采用以下幾種方法。第一，縮小儀表測(cè)量的范圍。第二，在顯示刻度的過程中，利用非線性函數(shù)將其更加客觀的顯示出來。第三，在運(yùn)行過程中，加入非線性的校正環(huán)節(jié)。對(duì)于前兩種方法來說，并沒有對(duì)儀表的輸出信號(hào)利用線性化處理方式進(jìn)行處理，雖然可從一定程度上將測(cè)量的誤差減小，但無法充分滿足自動(dòng)控制裝置需要的信號(hào)需求。對(duì)于第三種方法來說，其不僅能夠有效提升測(cè)量的準(zhǔn)確度，還可以將儀表各個(gè)測(cè)量參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，最終利用線性化進(jìn)行處理，且校正方法也在不斷更新與優(yōu)化。

對(duì)熱工儀表進(jìn)行非線性特性校正，可以采用模擬線性化以及數(shù)字線性化兩種方法。

第一，模擬線性化。將傳統(tǒng)的模擬儀表作為基礎(chǔ)，利用機(jī)械元件與模擬電路將儀表的輸出信號(hào)線性化處理完成，從而對(duì)線性刻度準(zhǔn)確模擬，還可以將其看作為自動(dòng)控制裝置的主要傳輸信號(hào)。由此可見，對(duì)線性化的模擬主要是依靠硬件與模擬信號(hào)的方式對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行線性化的處理，也可以將其看作非線性特性校正的硬辦法。例如可以將開方凸輪作為基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)流式流量?jī)x表中存在的線性關(guān)系進(jìn)行處理。第二，數(shù)字線性化。將智能儀表作為基礎(chǔ)，對(duì)輸入之后的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字量。在對(duì)數(shù)字量精確計(jì)算之后可使輸出信號(hào)線性化，從而將線性化數(shù)字更加直觀的顯現(xiàn)出來。相比于模擬線性化校正方法來說，這種校正方式主要依靠數(shù)字信號(hào)及軟件對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行線性化處理，也可以將這種方法看作為非線性特性校正的軟方法。

（2）應(yīng)用前景分析。目前我國(guó)300MW及以上的火電發(fā)電機(jī)組均配備了DCS系統(tǒng)，主要是作為熱工參數(shù)計(jì)算檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行使用。對(duì)于沒有配備DCS的機(jī)組來說，主要采用了單獨(dú)的DAS系統(tǒng)，從而提升自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的水平。因此，在火電廠熱工自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程中，DAS系統(tǒng)是必不可少的重要部分。DAS系統(tǒng)中主要包含計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、大屏幕顯示等技術(shù)，可以對(duì)熱工參數(shù)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、數(shù)字化測(cè)量與顯示充分實(shí)現(xiàn)，也為熱工儀表的非線性特性校正奠定硬件基礎(chǔ)。可見，在火電廠日后的發(fā)展過程中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，還實(shí)現(xiàn)了熱工儀表智能化、數(shù)字化的發(fā)展目標(biāo)。相信在日后的生產(chǎn)過程中，可以對(duì)就地儀表進(jìn)行集控式的自動(dòng)化檢測(cè)，使數(shù)字線性化處理效果大幅提升。

3.2 主蒸汽壓力的特性及常見調(diào)節(jié)策略

火電廠發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式、燃料使用種類等方面都存在較大差異，可以將火電廠機(jī)組分為各種類型。目前在我國(guó)普遍采用的火電機(jī)組為：以燃煤為基礎(chǔ)，帶有汽包，并與中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)共同構(gòu)成的單元機(jī)組。其主要是將鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)全部對(duì)應(yīng)，以縱向連接的方式構(gòu)成一系列的生產(chǎn)系統(tǒng)整體，在不同的單元機(jī)組之間不存在橫向的聯(lián)系。工作流程如下：第一，煤粉經(jīng)過加熱之后，通過燃燒器，在鍋爐內(nèi)以混合的方式進(jìn)行燃燒，其中的水分會(huì)從汽包向下流，其中會(huì)經(jīng)過下降管，在這個(gè)過程中，其中的部分水分會(huì)形成蒸汽，部分水會(huì)形成最終的汽水混合物。第二，在汽水混合物形成之后便會(huì)流回至汽包中，再經(jīng)過汽水互相分離，生成大量的蒸汽，最終進(jìn)入到主蒸汽管道之中，內(nèi)部會(huì)進(jìn)行熱交換。再由減溫水將蒸汽的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制之后，隨之進(jìn)入到汽輪機(jī)的高低壓缸中進(jìn)行沖轉(zhuǎn)做功，將熱能轉(zhuǎn)換為最終的機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行電力生產(chǎn)，成為電能之后會(huì)隨之并入電網(wǎng)中。

對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，主要可采用兩種方法：第一，將主蒸汽壓力作為基礎(chǔ)，將偏差作為主要的調(diào)節(jié)措施，將其中的煤量合理調(diào)節(jié)，主要優(yōu)點(diǎn)為參數(shù)數(shù)據(jù)量小且可以方便、及時(shí)的整定。但其還具備相應(yīng)速度較慢等方面的缺點(diǎn)。第二，將主蒸汽壓力作為基礎(chǔ)，以給定值作為調(diào)節(jié)措施，以雙回路的形式對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這種調(diào)節(jié)方法中，控制信號(hào)包含偏差等，具備反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而缺點(diǎn)是不能對(duì)內(nèi)外回路進(jìn)行方便的參數(shù)整定等。

3.3 主蒸汽溫度的特性及常見控制措施

主蒸汽溫度與主蒸汽壓力一樣，是火電廠在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過程中的重要監(jiān)測(cè)對(duì)象，無論主蒸汽溫度過高還是過低，都會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全性以及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不良影響。如果主蒸汽的溫度過高，會(huì)使過熱器等設(shè)備由于高溫而出現(xiàn)變形，最終被損壞。如果主蒸汽的溫度過低，會(huì)降低火電廠的熱效率，還會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的葉片產(chǎn)生腐蝕。

主蒸汽溫度具備的主要特性為延遲、慣性較大等，其并不能進(jìn)行較大范圍的波動(dòng)，因此利用傳統(tǒng)單回路的PID控制系統(tǒng)，無法獲得較為滿意的控制效果。而目前大部分火電廠所采用的主蒸汽控制措施為將導(dǎo)前氣溫θt的微分作為補(bǔ)充信號(hào)采用的雙沖量控制系統(tǒng)，將導(dǎo)前氣溫的θt作為中間被調(diào)量的串級(jí)控制系統(tǒng)。但這種控制辦法具備較強(qiáng)的局限性，還會(huì)包括超調(diào)量大等缺點(diǎn)。

因此根據(jù)主蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可以利用以下兩種控制措施。第一，將噴水減溫器進(jìn)行合理設(shè)置。第二，在煙道中安裝相應(yīng)的煙氣擋板。

對(duì)于第一種控制措施來說，其主要是將蒸汽的流量進(jìn)行改變，從而對(duì)主蒸汽的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。對(duì)于第二種控制措施來說，其主要是將煙道中的煙氣熱量進(jìn)行改變，從而提升火電廠的生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制理論可提升火電熱工自動(dòng)化的水平以及生產(chǎn)效率，在應(yīng)用自動(dòng)控制理論過程中，可對(duì)主蒸汽壓力、溫度等方面實(shí)施有效的控制與調(diào)節(jié)，從根本上提升火電廠熱工自動(dòng)化的水平與生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)能力進(jìn)一步的提升。

[1]李陽(yáng)春．自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用[D]．浙江大學(xué),2001．

[2]孫振洋．控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)業(yè)家,2013,23:50．

[3]魯?shù)欠?黃蓉． 自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用[J]．廣東科技,2013,20:118-119．

[4]李生錄．自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用[J]．中外企業(yè)家,2013,28:235．

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