我國電廠熱工自動化的回顧、現(xiàn)狀和展望

劉久斌，朱紅霞，崔曉波

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我國電廠熱工自動化的回顧、現(xiàn)狀和展望

劉久斌，朱紅霞，崔曉波

（南京工程學院，江蘇省 南京市 211167）

我國電廠熱工自動化技術經(jīng)歷了從無到有，從弱到強的變化。簡要回顧了電廠熱工自動化的發(fā)展歷程，總結(jié)和分析了電廠熱工自動化的現(xiàn)狀，探討了控制系統(tǒng)優(yōu)化、現(xiàn)場總線、分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)、自動啟/停機控制系統(tǒng)(automation plant start-up and shut down system，APS)、數(shù)字化、集中化和智能化等技術，提出了未來所面臨的主要問題及發(fā)展方向。

自動化；分散控制系統(tǒng)(DCS)；智慧電廠

0 引言

無人直接參與的情況下，利用測控設備完成電廠熱工過程參數(shù)自動測量與控制、信息處理、自動報警和保護的技術稱為電廠熱工自動化[1]。它是保障人身與設備安全、提高電廠經(jīng)濟性、改善勞動條件及減輕勞動強度的重要手段，其范圍極其廣泛，包括了主機、輔助設備、公用系統(tǒng)等的自動化，已經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。熱工自動化技術對于電廠機組運行經(jīng)濟性、安全性和清潔性具有重大意義，該文回顧和總結(jié)熱工自動化的歷程、現(xiàn)狀，也給出了熱工自動化面臨的主要問題和發(fā)展趨勢，有利于促進熱工自動化的技術交流，促進熱工自動化的技術發(fā)展。

1 火電廠熱工自動化的回顧

50年代我國電力工業(yè)屬于起步階段，單機容量在50MW以下，機組靠人工操作來運行，操作工分布在工藝設備的附近，依靠簡單的機械式儀表和電子管型的DDZ-Ⅰ型電動單元組合儀表來控制生產(chǎn)過程。

60—70年代，電力工業(yè)快速發(fā)展，單機容量在50MW至300MW，由母管制逐漸過渡到單元制，采用集控方式，操作員通過各種儀表和操作設備對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視和控制。儀表主要有晶體管型的DDZ-Ⅱ型電動單元組合儀表、DDZ-Ⅲ型電動單元組合儀表、集成電路組裝式的MZ-Ⅲ型、TF-900型控制儀表，自動化水平低。

80年代，先后有可編程控制器和引進 300MW至600MW 機組的各種分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和可用率，同時提高了熱工自動投入率，但仍保留了大量的常規(guī)儀表和手操設備。90年代初，常規(guī)儀表和手操設備大幅減少，90年代中期，新機組常規(guī)儀表和手操設備幾乎已經(jīng)絕跡，采用DCS的自動投入率達到了100%[2-3]。

2 火電廠熱工自動化的現(xiàn)狀

21世紀以來，新技術不斷涌現(xiàn)，如通用化的硬件平臺，可組態(tài)的應用軟件，標準化的通訊協(xié)議，可編程邏輯控制器(programmable logic control，PLC)的接入，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(field bus control system，F(xiàn)CS)的應用，變頻技術的實現(xiàn)，控制技術的優(yōu)化，自動啟/停機控制系統(tǒng)(automation plant start-up and shut down system，APS)(也稱一鍵啟停)；目前PLC方便地接入DCS、DCS運行參數(shù)的數(shù)據(jù)送入全廠管理信息系統(tǒng)(management information system，MIS)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和處理，廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(supervisory information system，SIS)完成電廠管理系統(tǒng)與分散控制系統(tǒng)之間信息交換、實時數(shù)據(jù)共享；電氣控制系統(tǒng)(electric control system，ECS)納入DCS的控制范圍中、汽輪機危機遮斷系統(tǒng)(emergency trip system，ETS)改由DCS模塊構成、數(shù)字電液控制系統(tǒng)(digital electric hydraulic control system，DEH)并入DCS中，煙氣凈化控制并入DCS控制，各個輔助車間的控制整合成一個輔控網(wǎng)(balance of plant，BOP)，在DCS技術推動下控制系統(tǒng)一體化走向完善[4-6]。

2.1 控制系統(tǒng)優(yōu)化

為適應低氮燃燒器改造、電網(wǎng)“兩個細則”以及火電機組改造的要求，需要機組變負荷速率快、負荷調(diào)節(jié)精度高、一次調(diào)頻性能好、機組負荷調(diào)節(jié)范圍寬，因此控制系統(tǒng)必須優(yōu)化。優(yōu)化控制軟件在電廠已得到發(fā)展與應用，自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)由單臺機組方式發(fā)展成全廠負荷分配方式，控制策略得到改進，狀態(tài)預測控制、模糊控制、自適應控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡控制等技術已得到成功應用[7-9]。

2.2 現(xiàn)場總線與DCS相互依存發(fā)展

具有現(xiàn)場總線通訊功能的現(xiàn)場設備主要包括壓力變送器、差壓變送器、溫度變送器、超聲波物位計、雷達物位儀、電動調(diào)門、電動門、氣動調(diào)節(jié)閥、電動機、分析儀表、變頻器，F(xiàn)CS與DCS、PLC相互促進發(fā)展，F(xiàn)CS借助于DCS和PLC平臺拓展應用空間，DCS和PLC則借助于FCS完善自身的功能。

1）應用范圍進一步擴大。對重要設備采用數(shù)字通訊方式對其相關信息進行傳輸，電氣控制系統(tǒng)廣泛采用PLC與機組DCS實現(xiàn)熱工電氣一體化網(wǎng)絡監(jiān)控，促進數(shù)據(jù)共享。

2）現(xiàn)場總線設備信息的高效應用。發(fā)揮現(xiàn)場總線智能設備的優(yōu)勢，對現(xiàn)場總線設備數(shù)據(jù)的挖掘與二次開發(fā)，提高了現(xiàn)場總線設備的故障預測及診斷、提高設備的可靠性和可用率。

3）通訊故障診斷的完善。通過大量數(shù)據(jù) 快速診斷設備和網(wǎng)絡故障，快速提供故障診斷和指導。

4）與物聯(lián)網(wǎng)的融合。將現(xiàn)場智能設備與物聯(lián)網(wǎng)融入，實現(xiàn)設備重要信息共享，以提高設備可靠性和利用率，同時也為微電網(wǎng)智能控制提供了解決方案。

5）與無線儀表的兼容?？偩€技術整合無線通訊技術，給用戶提供完整的解決方案，以減少在通訊系統(tǒng)硬件方面的投資。

6）與工業(yè)以太網(wǎng)的信息通訊?，F(xiàn)場智能設備與控制系統(tǒng)之間采用以太網(wǎng)協(xié)議進行通訊能統(tǒng)一現(xiàn)在的多種現(xiàn)場總線協(xié)議，有助于智能設備的發(fā)展[10]。

2.3 一鍵啟停APS

APS的優(yōu)點是：規(guī)范了操作流程，減少誤操作；減少了人工操作，減輕運行人員負擔；優(yōu)化了操作過程，提高控制品質(zhì)；縮短了啟停時間，提高效率和經(jīng)濟性。機組自啟停時，它按程序向各個子系統(tǒng)發(fā)出啟停指令，并由以下系統(tǒng)協(xié)同完成：模擬量控制系統(tǒng)(modulating control system，MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(furnace safety supervisory system，F(xiàn)SSS)、DEH、小汽輪機電液控制系統(tǒng)(micro electro-hydraulic control system，MEH)、旁路控制系統(tǒng)(bypass control system，BPC)、順序控制系統(tǒng)(sequence control system，SCS)、給水、燃燒及其他控制系統(tǒng)(如ECS、自動電壓調(diào)節(jié)器(automatic voltage regulator，AVR)等)。一鍵啟停APS與控制系統(tǒng)的接口信號全部采用通信的方式實現(xiàn)，它是基于控制系統(tǒng)之上的機組管理、調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)APS系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的無縫連接是實現(xiàn)APS系統(tǒng)自啟停功能的關鍵。需要解決控制系統(tǒng)的全程控制、多執(zhí)行機構并列運行及指令平衡控制、凝結(jié)水系統(tǒng)自適應投運等關鍵控制問題?！敖徊嬉?、條件自舉”的理念使控制系統(tǒng)實現(xiàn)全工況、全過程、全自動運行成為可能[11]。

2.4 數(shù)字化、集中化和智能化

儀表及其軟件新技術不斷涌現(xiàn)，邁向了數(shù)字化、集中化和智能化。數(shù)字儀表將傳感器采集的模擬信號數(shù)字化，經(jīng)主處理器計算處理，再將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應的物理量，測量精度更高，此外，增加各種通訊接口，如串行通訊接口使儀表設備與計算機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。將各種儀器設備連接，相互通訊，再由檢測系統(tǒng)進行監(jiān)測，能方便地實現(xiàn)自動控制。智能軟件可以對傳感器進行在線組態(tài)和參數(shù)設置，修正零位飄移，自動校正精度，計算誤差，生成校正曲線和報告，跟蹤并記錄運行中的儀表狀態(tài)，也能對閥門進 行在線組態(tài)和階躍測試，判斷閥門是否卡澀、磨損等。

APS技術、全激勵式仿真技術及預估控制、模糊控制、專家控制等多種控制技術；啟動路徑識別、制粉系統(tǒng)最優(yōu)啟停控制、汽輪機啟動過程風險預估等關鍵技術；以智能啟停和智能調(diào)峰為核心的全程智能控制技術促進了機組監(jiān)控的數(shù)字化、集中化和智能化，提高了機組運行管理水 平[4,8,12]。

2.5 其他技術

1）無線測量技術。其優(yōu)點為：方便遷移， 安裝靈活；無需敷線、接線、安裝橋架，施工量小；安全風險小，占據(jù)空間?。痪S護方便，擴展簡單；不便安裝的場合(酸堿、污水等場合)都可用無線測量技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控。ISA100提供了開放式的無線網(wǎng)絡構架，允許更多無線產(chǎn)品和產(chǎn) 品無線化，為無線測量技術的應用提供了廣闊的前景[13]。

2）變頻技術。變頻器作為控制系統(tǒng)的一個 重要功率變換部件，在調(diào)速范圍和精度，動態(tài)響應速度等方面表現(xiàn)出優(yōu)越性，節(jié)能效果顯著，其應用正由中小型電機推廣到高壓電機。

3）三維技術。三維技術帶來了新變革，通過電廠三維模型，既可數(shù)字化，又能可視化。它與MIS相結(jié)合，可對廠內(nèi)的設備、管道實現(xiàn)數(shù)字化、可視化的精確管理。

3 火電廠熱工自動化的主要問題和發(fā)展趨勢

3.1 熱工自動化的應用研究與實踐不斷深入

目前進行的研究與實踐的技術有：1）魯棒控制用于控制系統(tǒng)的設計，其優(yōu)點是能夠克服不確定性因素以及有效抑制外界擾動，改善火電機組控制系統(tǒng)性能，提高控制系統(tǒng)品質(zhì)。2）預測控制用于機組控制：模型算法控制，動態(tài)矩陣控制，廣義預測控制，廣義預測極點控制，內(nèi)?？刂?，推理控制等等。預測控制是一種對模型精度要求低、在線計算簡便、控制性能好的動態(tài)優(yōu)化控制方法，能夠較好地解決大慣性、大滯后過程的問題。3）反饋線性化控制方法在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應用能夠有效解決對象的非線性、時變性以及耦合性等問題。4）多模型和增益調(diào)度方法用于機組模型(包含爐機電模型)的協(xié)調(diào)控制將非線性系統(tǒng)分解成許多線性系統(tǒng)分而治之，該方法將非線性系統(tǒng)在各工況點線性化，針對每一個工況點設計適合的線性控制器，將這些線性控制器通過一定的調(diào)度切換規(guī)則組合在一起，可以使控制器滿足不同工況條件下對象的控制任務，實現(xiàn)被控對象的全局優(yōu)化控制。5）自抗擾控制器，是解決熱控對象控制難點的有效方法之一，其優(yōu)點是不必精確了解被控對象的動態(tài)特性，也無需檢測外擾的作用，可以同時抑制所有擾動，對非線性、不確定模型、強耦合系統(tǒng)具有較好的控制品質(zhì)。6）智能控制。包括神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、免疫算法、遺傳算法、專家控制、學習控制、分層遞階控制、仿人智能控制，通常采用復合或混合智能控制方式用于現(xiàn)場對象。智能控制是多學科交叉的高級控制，提高了對復雜系統(tǒng)控制的能力，將它應用于大型復雜的電力生產(chǎn)過程中往往能獲得良好的效果[14]。

由于熱工對象復雜且存在不少控制難點問題：大延遲、大慣性、非線性、時變性、變量間的耦合性，數(shù)學模型不確定性，系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動不確定性等。上述控制技術對控制難點問題仍未徹底解決，控制技術仍需完善，因此，對先進控制理論進行深入研究與實踐仍是熱工自動化的發(fā)展方向。

3.2 智能測量與儀表技術的發(fā)展

1）儀表新技術。軟檢定技術是儀表新技術，它根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，依靠科學合理的算法處理，進而推斷出無法確定的信息，用于無法進行數(shù)據(jù)采集的場合。測量技術日新月異，并不斷地用于火電廠，具有集成化、系統(tǒng)化以及智能化的特點[15]。

2）EIC技術。在電廠控制過程中，電氣控制E、儀表I和計算機控制C都是彼此獨立的。EIC綜合技術就是將這3種系統(tǒng)進行統(tǒng)一處理，目前EIC綜合技術已開始逐漸地被應用，這是熱工自動化未來的技術發(fā)展趨勢。

3）智能機器人巡檢。智能機器人搭載可見光攝像機、熱成像儀、激光測振儀，激光雷達導航傳感器、聲納傳感器，配合充電系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、后臺管理系統(tǒng)、手機APP客戶端軟件和液體泄漏檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)電廠化水車間、主變壓器、供熱系統(tǒng)和鍋爐水泵區(qū)域的自動巡檢。根據(jù)不同的介質(zhì)及工況采用通過泄漏電纜、聲壓計、視頻識別、紅外測溫等技術，自動判斷現(xiàn)場水、酸、堿、氣、汽跑冒滴漏。自動檢測管道、儲罐水、油、酸、堿泄漏。

3.3 智慧電廠

圖1為智慧電廠組成圖?！爸腔垭姀S”就是在現(xiàn)有數(shù)字化電廠的基礎之上，綜合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、虛擬現(xiàn)實等技術，對現(xiàn)有電廠系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行深入挖掘，使電廠最終達到更安全、更高效、用人更少、更綠色、更盈利的智能化生產(chǎn)運營。它實現(xiàn)了由數(shù)字化到智慧化、由人工決策到機器決策，將工業(yè)化與信息化深度融合、使“互聯(lián)網(wǎng)+”用于發(fā)電，圍繞“安全、經(jīng)濟、環(huán)?！?個主題，利用最新信息化技術，指導安全生產(chǎn)運行、檢修及三維培訓,是當前的潮流，目前的智慧電廠已實現(xiàn)以下功能：基于三維可視化的智能培訓系統(tǒng)、基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、基于大數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化運行系統(tǒng)、三維可視化的診斷系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。目前研究的問題有：三維空間定位與可視化智能巡檢、爐內(nèi)智能檢測與燃燒優(yōu)化控制、數(shù)字化煤場與燃料信息智能互動、信息挖掘與遠程專家診斷預警、網(wǎng)源協(xié)同結(jié)合與電力市場輔助決策、沉浸式仿真培訓與虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)輔助檢修[16-18]。

圖 1 智慧電廠的組成

4 結(jié)語

熱工自動化未來的趨勢是智能化、信息化、透明化、綜合化一體化，數(shù)據(jù)挖掘、智能測量、故障診斷與預測以及先進控制策略是基礎，其技術應用將從煤電拓展至氣電、核電、生物質(zhì)發(fā)電、太陽能發(fā)電等領域。智慧電廠是未來熱工自動化有前景的發(fā)展方向，它將綜合運用熱工自動化的各種新技術，自動根據(jù)發(fā)電廠內(nèi)、外因素變化，優(yōu)化控制策略、方法、參數(shù)和管理模式，實現(xiàn)自我尋優(yōu)與進化，使電廠安全、經(jīng)濟、環(huán)保最優(yōu)化運營，經(jīng)濟效益與社會效益最大化。可以預見，在不遠的將來電廠必然會從目前全范圍內(nèi)的生產(chǎn)過程自動化階段邁向智慧電廠的高級階段，智慧電廠的智慧管控層、智能控制層及智能設備層將實現(xiàn)綜合一體化設計，它們之間將實現(xiàn)無縫對接，使電力生產(chǎn)從“少人干預”邁向“無人駕駛”。

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(責任編輯 車德競)

China's Power Plant Thermal Process Automation: Past, Present, and Future

LIU Jiubin, ZHU Hongxia, CUI Xiaobo

(Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, Jiangsu Province, China)

China's power plant thermal process automation has experienced from scratch, from weak to strong changes.The history of power plant thermal process automation was briefly reviewed, the present situation of power plant thermal automation was analyzed, technologies were discussed such as the control system optimization, fieldbus control system(FCS), distributed control system (DCS), automatic plant start-up and shut down system(APS), digitization, centralization and intelligent. The main problems and the direction of development in the future were put forward.

automation; distributed control system (DCS); smart power plant

2017-12-17。

劉久斌(1962)，男，博士，教授，研究方向為能源動力工程及其自動化，liujiubin@njit.edu.cn。

國家自然科學基金項目(51706093)；南京工程學院校級科研基金(ZKJ201605)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51706093); Research Fund of Nanjing Institute of Technology (ZKJ201605).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.003