自動控制在火電廠熱工自動化中的應(yīng)用

國能錦界能源有限責(zé)任公司 鄭 磊

為滿足日益增長的社會電力需求，我國的供電方式也在不斷的進(jìn)行創(chuàng)新，由原來單一的火力發(fā)電形式逐步的向風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電等多元形式發(fā)展。新能源發(fā)電在提高發(fā)電量的同時，也減少了對資源的消耗和對環(huán)境的污染程度。但是從目前來看，無論是風(fēng)力、水力還是太陽能發(fā)電，都受外界環(huán)境因素的影響很大，而且在技術(shù)層面還有很多亟待解決的問題，發(fā)電量不高、電力供應(yīng)不是很穩(wěn)定。

我國的主要發(fā)電形式仍以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電過程中，裝機(jī)容量的不斷增大，設(shè)備的復(fù)雜程度也越來越高，設(shè)備運行監(jiān)控的難度也越來越大。其中，熱工控制系統(tǒng)是對熱力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的重要系統(tǒng)，對于機(jī)組的運行有重要的作用。自動化控制理論的應(yīng)用，可讓火電廠熱工自動化水平得以提升，提高系統(tǒng)的可靠性和自我平衡能力，確?；痣姀S機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運行。

1 火電廠熱工自動化控制系統(tǒng)

在工業(yè)領(lǐng)域中，火力發(fā)電是應(yīng)用自動控制技術(shù)比較早的行業(yè)。在早期的控制理論中，由于沒有計算機(jī)這樣的計算工具，主要是通過一些圖表和曲線來進(jìn)行系統(tǒng)的分析、設(shè)計。系統(tǒng)是單一的輸入、輸出關(guān)系，而這種關(guān)系的描述主要是通過傳遞函數(shù)來實現(xiàn)的，這些屬于經(jīng)典控制理論。后來隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，單一的傳遞函數(shù)已經(jīng)不能進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)描述，狀態(tài)空間法應(yīng)運而生[1]。該方法代替了傳遞函數(shù)單一的系統(tǒng)描述，問題處理的范圍更加的廣泛，可以較好地描述復(fù)雜系統(tǒng)，并且經(jīng)過不斷的發(fā)展逐步形成了現(xiàn)代控制理論。

近年來，隨著人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，基于計算機(jī)技術(shù)的自動控制系統(tǒng)越來復(fù)雜，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論、模糊控制理論的廣泛應(yīng)用，從而讓控制理論也越來越智能化。智能控制理論為自動控制提供了整體控制的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，讓控制系統(tǒng)由原來單一的小系統(tǒng)控制發(fā)展成為多個小系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的大系統(tǒng)控制，可以更好的滿足復(fù)雜的控制要求，進(jìn)而更好的對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

火力發(fā)電是利用煤炭資源進(jìn)行多層次能量轉(zhuǎn)化的過程，整個生產(chǎn)過程復(fù)雜，涉及到的設(shè)備眾多，而且設(shè)備長期運行，運行的環(huán)境也比較復(fù)雜，需要對熱工設(shè)備進(jìn)行實時的監(jiān)控。通過對熱力設(shè)備運行參數(shù)的監(jiān)控，對一些重要的熱力參數(shù)（溫度、液位、壓力、流量等）進(jìn)行實時調(diào)整和優(yōu)化，使其能夠隨著機(jī)組的負(fù)荷變化而不斷調(diào)整，讓機(jī)組運行更加的穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益更高，實現(xiàn)這些就需要熱工自動控制系統(tǒng)[2]。

火力發(fā)電廠熱工自動控制系統(tǒng)主要包括熱工檢測、自動控制和自我保護(hù)幾個重要的方面。熱工檢測是利用相關(guān)的檢測儀表對熱工設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行實時檢測，通過顯示、記錄以及調(diào)整等方式來確保運行參數(shù)在正常的范圍內(nèi)運行；自動控制就是通過自動控制裝置來實現(xiàn)對機(jī)組設(shè)備的控制，是按控制順序來進(jìn)行機(jī)組的啟動及停運過程的，包括故障處理中都要用到自動控制。

自動保護(hù)是當(dāng)機(jī)組的設(shè)備運行出現(xiàn)異常時、或熱工參數(shù)超出正常范圍時，系統(tǒng)為防止發(fā)生更大事故，會自動執(zhí)行聯(lián)縮執(zhí)令，停止設(shè)備運行，保護(hù)設(shè)備。在實際運行中，常見的主要有汽輪機(jī)自我保護(hù)（超速保護(hù)、振動保護(hù)等）和鍋爐自我保護(hù)（超溫保護(hù)、超壓保護(hù)以及主蒸汽壓力保護(hù)和輔機(jī)的啟停保護(hù)等）。

2 自動控制在火電廠熱工自動化中的作用

2.1 優(yōu)化熱工系統(tǒng)

在熱工自動化控制系統(tǒng)中汽輪機(jī)是重要的運行設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)工作進(jìn)行發(fā)電。無論是沖動式汽輪機(jī)還是反動式汽輪機(jī)，運行都離不開高溫高壓的蒸汽，而蒸汽量大小需要根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的依據(jù)之一就是流量監(jiān)控儀表系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)，因此，監(jiān)視儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于蒸汽量的調(diào)整具有重要的作用。通過自動控制可優(yōu)化監(jiān)視儀表系統(tǒng)，降低其故障發(fā)生率，而且結(jié)合實際的運行工況，優(yōu)化監(jiān)視儀表系統(tǒng)的性能，減少機(jī)組誤動概率，確保機(jī)組穩(wěn)定運行[3]。

另外，自動控制技術(shù)可以提高接地的可靠性以及抗干擾能力。在實際運行中，外界環(huán)境因素對機(jī)組的影響除了高溫、潮濕、粉塵等易損壞零部件以外，還有就是對系統(tǒng)本身的干擾。由于外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致熱工控制系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測不準(zhǔn)確、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的情況。由此導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)出一些錯誤的指令，讓本來運行正常的參數(shù)在錯誤指令下進(jìn)行調(diào)整，與機(jī)組的實際運行情況不符。這樣的話，可能會導(dǎo)致運行設(shè)備出現(xiàn)故障，或者是出現(xiàn)機(jī)組誤動跳閘等。

比如，由于磁場干擾導(dǎo)致的熱工控制系統(tǒng)運行異常會引發(fā)系統(tǒng)的誤動。通過自動控制可提高熱工控制系統(tǒng)接地可靠性，如在信號測量中采用單點信號測量的方式提高信號的準(zhǔn)確度，減少系統(tǒng)的故障發(fā)生率。

2.2 優(yōu)化安全生產(chǎn)指標(biāo)

安全是任何企業(yè)生產(chǎn)的重中之重，火電廠生產(chǎn)中熱工控制系統(tǒng)的優(yōu)化首要考慮的就是安全指標(biāo)，確保機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運行，再通過相關(guān)的技術(shù)引進(jìn)、參數(shù)優(yōu)化等來達(dá)到減少能源消耗、降低排放目的。在日常的運行中，如果設(shè)備運行出現(xiàn)問題導(dǎo)致熱工系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會影響機(jī)組的運行。有的故障需要進(jìn)行停機(jī)后才能排除，零部件的更換以及大量的整修，會消耗一些資源，導(dǎo)致庫存?zhèn)浼p少，同時機(jī)組的重新啟動也需要消耗大量的燃料。在機(jī)組非正常停機(jī)檢修的過程中，資源的消耗讓火電廠的節(jié)能減排工作受到嚴(yán)重影響[4]。

因此，必須要優(yōu)化火電廠的熱工自動化系統(tǒng)，減少設(shè)備的故障發(fā)生率，減少非正常停機(jī)次數(shù)，縮短停機(jī)時長，加強對不同運行設(shè)備的檢查，及時更換磨損的零部件，對于一些易發(fā)故障部分重點檢查，做到防患于未然。而且自動控制技術(shù)的應(yīng)用、尤其是智能自動監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，讓傳統(tǒng)的依靠人工為主要方式的巡查工作變得更加的便捷。監(jiān)控系統(tǒng)可代替大部分人工巡查的工作，減少了人力資源投入，而且監(jiān)控系統(tǒng)可做到全天候的監(jiān)控，更易發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中存在的問題，及時報警反饋，減少了因為巡查不及時導(dǎo)致的設(shè)備故障。

2.3 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化

火電廠機(jī)組的運行既保保證發(fā)電量，又要提高對資源的利用率、減少能源消耗。因此，熱工控制的軟件試用要合理，控制算法的選擇也要結(jié)合實際情況靈活掌握，提高熱工控制效率。在燃煤控制方面，要根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷靈活調(diào)整燃煤的供給量，盡量減少燃燒損耗，提高燃燒效率。在給水量控制方面也要進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)實際的運行情況，結(jié)合給煤量自動的控制給水量，實現(xiàn)水煤比的動態(tài)平衡，讓主再汽溫在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，避免發(fā)生劇烈的波動。

還要提高電煤脫硫的速度及脫硫率。當(dāng)前在火電廠的脫硫處理中，濕法脫硫技術(shù)應(yīng)用較多，但脫硫與燃爐相互獨立，欠缺一定安全性，脫硫效率也有待進(jìn)一步提高。利用自動控制技術(shù)將脫硫系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動改造，并綜合考慮機(jī)組的控制性能，在DCS系統(tǒng)中納入脫硫部分，相應(yīng)減少脫硫設(shè)備，讓脫硫系統(tǒng)控制不再單獨進(jìn)行而是實現(xiàn)了與鍋爐控制的聯(lián)動，兩個控制系統(tǒng)的聯(lián)動利于從全局出發(fā)，可做到統(tǒng)一控制、一同調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，確保機(jī)組運行處于最優(yōu)狀態(tài)，更好的平穩(wěn)運行。

3 自動控制在火電廠熱工自動化中的應(yīng)用

3.1 對鍋爐燃燒過程的自動控制

火電廠鍋爐運行中，面臨著電網(wǎng)負(fù)荷需求變動大、熱慣性大以及燃煤種類多等情況，對于其燃燒過程有很大的影響，為保證鍋爐運行平穩(wěn)，需要采取相應(yīng)的控制方式。通常的控制方式主要是利用實時監(jiān)控系統(tǒng)，利用機(jī)械方式來采集和分析鍋爐燃燒的參數(shù)，并為鍋爐的燃燒過程優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。隨著熱工設(shè)備的增多，對鍋爐的燃燒過程控制提出了更高的要求。利用自動控制可讓鍋爐燃燒過程更加安全平穩(wěn)，符合機(jī)組的運行要求。

自動控制是利用一些智能算法對鍋爐的燃燒參數(shù)進(jìn)行智能分析，結(jié)合機(jī)組的實際運行來智能的調(diào)整燃燒參數(shù)?？刂频脑硎抢弥悄芸刂葡到y(tǒng)在傳統(tǒng)控制方法中的應(yīng)用，將傳統(tǒng)的PID 控制與專家系統(tǒng)結(jié)合起來，來構(gòu)建一個專家知識自適應(yīng)PID 控制器。利用專家系統(tǒng)直接的來作用于鍋爐燃燒控制過程中去，這不僅大大降低了人工成本，還讓控制系統(tǒng)更加的完善，減少了故障發(fā)生率，提高了鍋爐的運行效率以及經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

主蒸汽壓力是機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的主要依據(jù)，也是鍋爐汽機(jī)能量平衡的標(biāo)志，常用的調(diào)節(jié)策略是壓力串級模糊調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)策略主要是對燃煤量進(jìn)行調(diào)節(jié)來達(dá)到蒸汽壓力調(diào)節(jié)的目的，改調(diào)節(jié)策略主要是以導(dǎo)前信號和偏差為主控制信號，具有擾動克服能力好、控制相應(yīng)速度快的特點。應(yīng)用自動控制的串級調(diào)節(jié)，以鍋爐的輻射信號為中間被調(diào)量，將熱量信號納入到到調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)的特性改善明顯優(yōu)于單回路的PID 調(diào)節(jié)。

在實際應(yīng)用中，鍋爐輻射信號不能直接的納入到串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去，因為中間被調(diào)量是由隨機(jī)分量和主分量組成的，隨機(jī)分量會增加調(diào)節(jié)器的誤動幾率，導(dǎo)致調(diào)節(jié)量產(chǎn)生震蕩，調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的動態(tài)偏差較大，降低調(diào)節(jié)過程的動態(tài)特性。因此，需要加裝模糊濾波器來判斷中間被調(diào)量，根據(jù)被調(diào)量的變化來對調(diào)節(jié)器進(jìn)行動作指令[5]。

3.3 鍋爐給水過程中的應(yīng)用

當(dāng)前火電廠火電機(jī)組基本采用的是一段式或兩段式給水控制系統(tǒng)，這樣即做提高了系統(tǒng)的安全可靠性，同時也滿足了鍋爐運行時的生產(chǎn)要求。但是在實際運行中，尤其是大型鍋爐的啟停過程中水位經(jīng)常出現(xiàn)較大的非線性，難以通過精準(zhǔn)的模型建立來獲取更好的控制性能。而且鍋爐的汽包水位對于給水量擾動有較大的時滯性，相關(guān)的熱工人員依據(jù)工作經(jīng)驗，難以確?？刂破鲄?shù)在最佳的運行范圍內(nèi)。而利用自動控制可構(gòu)建一種自適應(yīng)PID 控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在線優(yōu)化控制器隸屬度函數(shù)，通過模糊控制來實現(xiàn)PID 參數(shù)的自我整定，讓鍋爐給水系統(tǒng)的可靠性大大提高，給水量也得到了精準(zhǔn)的控制。

3.4 主蒸汽溫度自動控制

主蒸汽溫度對于機(jī)組的安全穩(wěn)定運行具有重要的作用。主蒸汽的溫度過高會損壞主蒸汽管道、汽輪機(jī)等設(shè)備中的金屬材料，溫度過低又會降低熱效率。而且影響主蒸汽溫度的影因素較多，鍋爐的負(fù)荷、燃燒的工況以及過熱器的交換特性等都會導(dǎo)致主蒸汽的溫度大范圍波動。

對于主蒸汽溫度的控制也存在著非線性和時變性等特點，導(dǎo)致其控制難度比較大。利用自動控制技術(shù)建立前饋-反饋復(fù)合系統(tǒng)，將減溫器出口溫度進(jìn)行處理后疊加到主蒸汽溫度上，經(jīng)調(diào)節(jié)器運算后發(fā)出指令控制減溫水調(diào)節(jié)閥，以此來更好的控制減溫水的流量，調(diào)節(jié)主蒸汽溫度。該自動控制系統(tǒng)中，測量信號有主蒸汽出口溫度和噴水減溫器出口蒸汽溫度，可讓調(diào)節(jié)精度更高，而且采用的雙回路控制系統(tǒng)也提高了系統(tǒng)的控制速度。

4 結(jié)語

隨著自動控制理論的不斷成熟和完善，在火電廠的熱工控制中應(yīng)用也越來越廣泛，為熱工控制提供了必要的理論基礎(chǔ)。在火力發(fā)電廠中，熱工自動控制系統(tǒng)是對熱力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的重要系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷靈活調(diào)整熱工參數(shù)，確保機(jī)組的運行在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，能達(dá)到經(jīng)濟(jì)運行最優(yōu)化。自動控制在熱工自動化中的應(yīng)用，對于熱工系統(tǒng)、機(jī)組負(fù)荷分配等實現(xiàn)了較好的優(yōu)化。而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)的應(yīng)用讓熱工自動化程度越來越高，系統(tǒng)控制的性能越來越完善，能更好的滿足復(fù)雜的控制要求。