電廠熱控自動(dòng)化改造技術(shù)探索

鄭州裕中能源有限責(zé)任公司 楊 楊

1 電廠熱控自動(dòng)化的改造背景

1.1 電廠熱控運(yùn)行情況

本電廠有2臺(tái)300MW進(jìn)口機(jī)組，以中儲(chǔ)式直流鍋爐為主，原有的DCS分布式控制系統(tǒng)主要作為熱控系統(tǒng)發(fā)揮作用，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在較多問(wèn)題，且應(yīng)用的監(jiān)控設(shè)備和方式較為單一，難以滿足當(dāng)前自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)以及自動(dòng)發(fā)電的運(yùn)行要求，容易給后期的維護(hù)改造帶來(lái)難度。該電廠應(yīng)用鍋爐為母管制供熱機(jī)組，鍋爐的控制主要分散在三個(gè)控制室，以“一對(duì)一”的人工操作方式，對(duì)各個(gè)鍋爐的運(yùn)行進(jìn)行操作和控制[1]。且現(xiàn)場(chǎng)用于監(jiān)測(cè)鍋爐運(yùn)行情況的設(shè)備以常規(guī)儀表為主，存在檢測(cè)精度低、故障率高的問(wèn)題。

1.2 電廠熱控自動(dòng)化的改造思路

基于電廠熱控自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)和方向，該電廠在充分考慮自身實(shí)際運(yùn)行情況和存在問(wèn)題的前提下，考慮從DCS系統(tǒng)的角度出發(fā)，以系統(tǒng)改造的方式來(lái)提升電廠熱控自動(dòng)化的實(shí)際效果?；诖?，在電廠熱控自動(dòng)化改造中，將分散控制系統(tǒng)作為第一選擇，在應(yīng)用DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，借助全程監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)電廠的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，明確實(shí)際運(yùn)行中的各類(lèi)數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)當(dāng)前應(yīng)用的DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造，重點(diǎn)從模擬量調(diào)節(jié)、爐膛安全監(jiān)控、脫硫除塵等角度對(duì)系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行優(yōu)化。

從電廠具體的生產(chǎn)設(shè)備角度來(lái)看，以電廠生產(chǎn)運(yùn)行依賴(lài)的鍋爐設(shè)備為例，該電廠的每臺(tái)鍋爐依靠一套連鎖保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)控制，控制回路由常規(guī)繼電器構(gòu)成，一套DAS系統(tǒng)用于顯示相關(guān)設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)。用于鍋爐的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)套數(shù)只有汽包水位、爐膛負(fù)壓、主汽溫度三套[2]。為滿足電廠熱控自動(dòng)化的運(yùn)行發(fā)展需求，需要對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，讓其能夠與優(yōu)化后的鍋爐設(shè)備協(xié)同應(yīng)用，發(fā)揮作用。

2 DCS系統(tǒng)在電廠熱控自動(dòng)化改造中的應(yīng)用分析

DCS系統(tǒng)組件在現(xiàn)場(chǎng)熱控自動(dòng)化改造中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠通過(guò)對(duì)系統(tǒng)控制方案與控制邏輯的不斷優(yōu)化，提升實(shí)際的控制水平。結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和情況，從具體的熱控自動(dòng)化涉及的相關(guān)設(shè)備出發(fā)，應(yīng)用DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備的改造，注重提升設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，能夠?yàn)殡姀S的經(jīng)營(yíng)發(fā)展獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益?；诖?，對(duì)DCS系統(tǒng)在本電廠熱控自動(dòng)化改造中的應(yīng)用主要從以下方面入手。

2.1 DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

DCS系統(tǒng)是一種主要依托計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程集中式的監(jiān)控、管理和分散控制，該系統(tǒng)通常由監(jiān)測(cè)和通訊兩個(gè)部分構(gòu)成。在電廠熱控自動(dòng)化中發(fā)揮DCS系統(tǒng)的作用，應(yīng)能夠結(jié)合電廠的實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案和思路。在鍋爐控制部分，考慮保障設(shè)備電源的穩(wěn)定性和安全性，對(duì)DCS系統(tǒng)中控制器的選擇劃分應(yīng)參考鍋爐應(yīng)用的工藝或相關(guān)的控制系統(tǒng)，各個(gè)控制器應(yīng)能夠涵蓋所屬系統(tǒng)的所有I/O點(diǎn)數(shù)。其中，對(duì)I/O模塊的設(shè)計(jì)，應(yīng)注重優(yōu)化冗余配置，并考慮充足的余量，以便能夠?yàn)楹罄m(xù)技改增加所需的點(diǎn)數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)能夠與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，涵蓋現(xiàn)有的I/O點(diǎn)數(shù)，方便相關(guān)人員對(duì)鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在通訊系統(tǒng)部分，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)避免因多條單線路用于配置引起的通訊癱瘓問(wèn)題，同時(shí)也應(yīng)考慮配置多臺(tái)位機(jī)，減少電腦故障問(wèn)題發(fā)生的概率。在脫硫除塵系統(tǒng)部分，應(yīng)能夠以貫徹節(jié)能減排理念為主對(duì)其進(jìn)行改造。將脫硫除塵的超低排放標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)改造和優(yōu)化的主要依據(jù)，引入更先進(jìn)的脫硫裝置和脫硫工藝技術(shù)，將實(shí)際的脫硫除塵工藝系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。這一過(guò)程中應(yīng)注重保留好脫硫除塵系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的接口連接。

2.2 汽包水位控制系統(tǒng)

基于DCS系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)電廠熱控自動(dòng)化的改造，應(yīng)提高對(duì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的重視。電廠應(yīng)用的鍋爐本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜，且對(duì)鍋爐自身運(yùn)行情況要求較高的設(shè)備，對(duì)鍋爐微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)在了解實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程控制需求基礎(chǔ)上，發(fā)揮算機(jī)先進(jìn)技術(shù)的作用。

基于此，考慮引起鍋爐汽包水位變化的主要因素包括：空氣流量和給水流量的變化兩種情況，在受到主動(dòng)擾動(dòng)干擾的情況下，基于汽包物質(zhì)平衡關(guān)系的原理，可以應(yīng)用以下公式來(lái)代表汽包水位的動(dòng)態(tài)特性：F（t）=QW（t）-QD（t），式中：QW（t）代表給水流量的蒸汽流量，QD（t）代表進(jìn)出汽包的蒸汽流量，F(xiàn)（t）代表汽包水位的變化。依據(jù)這一原理，在電廠熱控自動(dòng)化的運(yùn)行中，可以直接應(yīng)用給水流量變送器，蒸汽流量變送器等檢測(cè)儀器檢測(cè)到蒸汽流量、汽包水位等參數(shù)的變化情況。

汽包水位本身是一個(gè)無(wú)自平衡能力的控制對(duì)象，汽包水位的變化既不能影響給水量，也不會(huì)影響蒸發(fā)量。結(jié)合案例電廠應(yīng)用300MW機(jī)組的運(yùn)行需要，主要借助DCS系統(tǒng)來(lái)對(duì)鍋爐給水控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，結(jié)合以上原理，可為300MW機(jī)組配置3臺(tái)給水泵，其中包括兩臺(tái)汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)電動(dòng)給水泵，電動(dòng)給水泵主要作為備用泵使用。運(yùn)行機(jī)組主要能夠通過(guò)汽包水位控制系統(tǒng)和給水泵最小流量控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)汽包鍋爐的給水控制。

具體而言，基于DCS控制系統(tǒng)的汽包水位控制系統(tǒng)，是一個(gè)以維持鍋爐進(jìn)出水平衡為主要目的的系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行中，需要將汽包水位作為進(jìn)出水量是否達(dá)到平衡狀態(tài)的主要控制指標(biāo)，以調(diào)節(jié)給水流量大小的方式，保障和提升鍋爐設(shè)備的蒸發(fā)效率。在這一前提下，考慮電廠鍋爐實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到機(jī)組負(fù)荷突然增加而產(chǎn)生的“逆響應(yīng)特性”影響，出現(xiàn)虛假水位的情況，在實(shí)際改造中，應(yīng)能夠結(jié)合鍋爐的運(yùn)行情況，從單沖量、雙沖量以及三沖量中選擇更合適的控制方式。

設(shè)置給水控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)為：汽包水位均勻量在±230mm左右，水位控制在中間值附近，水位的偏差應(yīng)≤±10mm。本廠選擇應(yīng)用串級(jí)三沖量的給水控制方式（如圖1所示），該控制系統(tǒng)由主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器和汽包水位、給水流量、蒸汽流量在內(nèi)的三個(gè)沖量構(gòu)成。其中，主調(diào)節(jié)器是PI調(diào)節(jié)器，能夠依據(jù)水位的偏差產(chǎn)生給水流量的給定值，副調(diào)節(jié)器是一個(gè)給水流量調(diào)節(jié)器，能夠依據(jù)給水流量的偏差來(lái)控制給水流量。整個(gè)系統(tǒng)為一個(gè)前饋-反饋的雙回路控制系統(tǒng)。

圖1 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 母管協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

母管協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要是考慮機(jī)組為母管制抽汽供熱機(jī)組的情況，電廠原有鍋爐為75t/h次的高壓自然循環(huán)爐，以控制器來(lái)發(fā)揮控制功能?？紤]外熱網(wǎng)本身的變化較大，單臺(tái)鍋爐出力的情況下難以調(diào)節(jié)母管壓力，因而需要通過(guò)人工負(fù)荷的方式來(lái)設(shè)置運(yùn)行，這就導(dǎo)致難以滿足壓力自動(dòng)控制的需求?；诖?，考慮以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)控制為主要目的，發(fā)揮DCS系統(tǒng)作用來(lái)減少壓力波動(dòng)，進(jìn)而降低燃料消耗量，從而滿足電廠的節(jié)能消耗需求。

具體而言，考慮單個(gè)鍋爐在燃燒煤粉、加熱蒸汽、壓力產(chǎn)生的整個(gè)過(guò)程通常存在較大的時(shí)間延遲，可基于以下公式來(lái)對(duì)其延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)算：，式中：Pn代表鍋爐n的輸出壓力；Fn代表鍋爐n的燃料輸入；An、Bn代表數(shù)學(xué)模型系數(shù)；Tn代表鍋爐n的延遲時(shí)間常數(shù)。

對(duì)這些存在大延時(shí)現(xiàn)象的鍋爐，應(yīng)用簡(jiǎn)單的PID控制方法，很容易受到控制操作方式不規(guī)范的影響，導(dǎo)致原本處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)象大幅震蕩，難以滿足壓力自動(dòng)控制的要求。在考慮這一問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合母管制供熱機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，要求在改造中依據(jù)鍋爐和各個(gè)用汽設(shè)備來(lái)決定母管內(nèi)的壓力。這一過(guò)程應(yīng)基于以下公式：，式中：P代表母管壓力；S代表母管截面積；Pn代表鍋爐n的輸出壓力；Sn代表鍋爐n的出汽管截面積；Pm代表用汽設(shè)備m的輸入壓力；Sm代表用汽設(shè)備m的入汽管截面積。

在明確這一原理的前提下，設(shè)計(jì)以一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)作為實(shí)際的鍋爐運(yùn)行壓力控制裝置，借助TCP/IP網(wǎng)絡(luò)讀寫(xiě)控制器中的數(shù)據(jù)，滿足對(duì)鍋爐燃料輸入量進(jìn)行操控的要求?？刂葡到y(tǒng)的改造結(jié)構(gòu)如圖2所示。在應(yīng)用該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，即便計(jì)算機(jī)本身出現(xiàn)故障，也能夠及時(shí)回到現(xiàn)有的控制結(jié)構(gòu)，以此來(lái)保障整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 控制系統(tǒng)改造結(jié)構(gòu)組成

2.4 鍋爐爐膛安全系統(tǒng)

對(duì)鍋爐爐膛安全系統(tǒng)的優(yōu)化改造，以保障鍋爐燃料燃燒操作的安全為主，其應(yīng)包括爐膛吹掃、主燃料跳閘等能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制的功能?；诖?，對(duì)應(yīng)用DCS系統(tǒng)原理的鍋爐爐膛安全系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)包括主控單元、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及火檢三個(gè)主要的部分。其中，主控單元以可編程序控制器為核心，能夠發(fā)揮采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、邏輯判斷和邏輯運(yùn)算的功能，并能夠依據(jù)運(yùn)算的結(jié)果來(lái)對(duì)鍋爐進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；壓力系統(tǒng)由壓力平衡柜、壓力取樣器構(gòu)成，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成鍋爐爐膛內(nèi)的壓力取樣，進(jìn)而將取樣結(jié)果傳給主控單元進(jìn)行邏輯判斷和顯示；火檢主要安裝在爐體的相應(yīng)部位，依據(jù)火檢探頭送出的模擬信號(hào)，為系統(tǒng)提供爐膛內(nèi)的燃燒工況作為判斷依據(jù)。

對(duì)鍋爐爐膛安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)能夠考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中爐膛壓力、汽包水位變化等需要停爐檢查和維護(hù)的情況，要求系統(tǒng)能夠在檢測(cè)到以上參數(shù)變化超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，向驅(qū)動(dòng)鍋爐運(yùn)行的相關(guān)設(shè)備發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，避免故障或事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，為保障系統(tǒng)線路的運(yùn)行安全，避免出現(xiàn)PLC邏輯回路重復(fù)跳閘的情況，還可以增加保持繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作保持設(shè)計(jì)，保障鍋爐保護(hù)動(dòng)作后的安全。

2.5 脫硫除塵系統(tǒng)

對(duì)電廠熱控自動(dòng)化中脫硫除塵系統(tǒng)的改造，也可以發(fā)揮DCS控制系統(tǒng)的作用。電廠可以基于脫硫超低排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電廠燃煤機(jī)組脫硫除塵涉及的吸收塔進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，以增加高效均流裝置和增加噴淋層的方式，對(duì)新增噴淋層和配套的漿液循環(huán)泵來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以高效除塵噴霧裝置代替原有的除霧裝置。同時(shí)也能夠?qū)ΜF(xiàn)有的噴淋層管道進(jìn)行維修。

基于此，在電廠現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)框架的前提下，可以增設(shè)一臺(tái)DCS端子機(jī)柜，并對(duì)現(xiàn)有的DCS模件柜多功能處理模塊進(jìn)行升級(jí)和更換，升級(jí)脫硫DCS歷史站。在現(xiàn)有漿液循環(huán)泵的出口管道處，也可通過(guò)增加壓力測(cè)點(diǎn)的方式，新增與漿液循環(huán)泵進(jìn)出口管道配套的壓力測(cè)點(diǎn)，以硬接線方式接入脫硫DCS。而針對(duì)該系統(tǒng)中應(yīng)用的高低壓直流供電裝置，也可以通過(guò)可編程控制來(lái)達(dá)到自動(dòng)控制的目的。在這一過(guò)程中，也應(yīng)設(shè)置一套與之相聯(lián)系的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)系統(tǒng)整體的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便能夠及時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行維護(hù)和管理控制，進(jìn)而保障電廠相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

綜上所述，DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用能有效推動(dòng)電廠朝著熱控自動(dòng)化的方向發(fā)展，滿足現(xiàn)階段電廠供應(yīng)電力資源的需求。結(jié)合當(dāng)前電廠熱控運(yùn)行的實(shí)際情況，以系統(tǒng)改造為主要目的，發(fā)揮DCS系統(tǒng)在熱控自動(dòng)化中的作用，圍繞電廠鍋爐、脫硫除塵等方面的設(shè)備和要求，規(guī)劃DCS系統(tǒng)的具體應(yīng)用模塊和功能，不僅能夠有效保障電廠熱控自動(dòng)化運(yùn)行的安全，也能夠通過(guò)對(duì)電廠的控制來(lái)提升運(yùn)行效率。