淺析火電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)的運用

吳爾夫

（國能漢川發(fā)電有限公司，湖北 漢川 431614）

隨著電力需求的不斷增長，火電廠作為我國主要的電力發(fā)電方式之一，其運行效率和安全性成為關(guān)注的重點。而熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)作為一種先進的控制技術(shù)，計算機為終端，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行連接，采用過程監(jiān)控模式對火電廠的各種設(shè)備進行有效控制，實現(xiàn)生產(chǎn)全過程的智能化、自動化控制，因此，在火電廠熱工過程中發(fā)揮著重要作用，還能提高熱能利用效率、降低運行成本，并提升運行安全性。

1 火電廠熱工自動化概念

火電廠熱工自動化是指利用現(xiàn)代自動化技術(shù)和控制系統(tǒng)對火電廠的熱工過程進行監(jiān)測、控制和優(yōu)化調(diào)節(jié)的一種管理方式。通過引入自動化設(shè)備和系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對火電廠熱工系統(tǒng)的實時監(jiān)控、精確控制和智能化管理，提高燃燒效率、能源利用率和發(fā)電效率，降低運行成本和環(huán)境污染。通過傳感器和儀表采集熱工過程中的各種參數(shù)和信號，如溫度、壓力、流量等，實時監(jiān)測熱工設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)。同時，通過分析和處理采集到的數(shù)據(jù)，制定合理的控制策略和優(yōu)化調(diào)節(jié)方案，實現(xiàn)對燃燒、供水、蒸汽、發(fā)電等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自動控制和調(diào)節(jié)，并設(shè)定安全保護措施和故障診斷算法，及時發(fā)現(xiàn)和處理熱工系統(tǒng)中的異常情況和故障，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2 火電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)構(gòu)成

DCS 系統(tǒng)（Distributed Control System）是分布式控制系統(tǒng)的簡稱，也被稱為集散控制系統(tǒng)，在火電廠熱工系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)熱工自動化控制。通常而言，火電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)包含五個子系統(tǒng)，如圖1 所示，分別為DAS、MCS、SCS、DEH、FESS系統(tǒng)，這5 個子系統(tǒng)承擔(dān)著不同的功能和任務(wù)，實現(xiàn)對熱工過程的全面監(jiān)控和自動控制。

圖1 熱工DCS 控制系統(tǒng)

2.1 DAS 系統(tǒng)

DAS 系統(tǒng)（Data Acquisition and Analysis System）也就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在整個熱工DCS 控制系統(tǒng)中起著重要的作用，主要收集和傳輸生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)，以供其他子系統(tǒng)進行分析和控制。DAS 系統(tǒng)通過接口與各種傳感器連接，例如，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器等，這些傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測工業(yè)過程中的各種物理量，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，DAS 系統(tǒng)進而通過接口將這些電信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以圖表、曲線、報告等形式展示給用戶，反映火電廠工作過程的溫度、流量、電力、壓力等參數(shù)，對其進行數(shù)據(jù)與處理，如濾波、平滑等，并對數(shù)據(jù)進行存儲、備份，便于查詢，然后再將收集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)或其他通過協(xié)議傳輸?shù)狡渌酉到y(tǒng)中。同時，DAS 系統(tǒng)還具有自動報警的效果，能夠監(jiān)測和記錄火電機組的熱效率、發(fā)電效率、煤耗等性能指標(biāo)，假如系統(tǒng)操作出現(xiàn)異?；虺^設(shè)定參數(shù)范圍，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警，并采取相應(yīng)的控制措施，確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行，并幫助運維人員評估機組運行情況與效益，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行優(yōu)化調(diào)整。

2.2 MCS 系統(tǒng)

MCS 系統(tǒng)（Monitoring and Control System）也就是模擬量控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對火電廠的監(jiān)測和控制進行集中管理和實時監(jiān)控，用于火電廠的鍋爐和汽輪機組中，能夠?qū)ο嚓P(guān)變量進行自動化控制。在鍋爐中，MCS 系統(tǒng)可以通過控制鍋爐的燃燒、給水和排煙等參數(shù)，實現(xiàn)鍋爐的穩(wěn)定運行和效率優(yōu)化；根據(jù)負(fù)荷變化和蒸汽需求，控制鍋爐的燃燒和給水量，以保持蒸汽溫度在設(shè)定范圍內(nèi)；控制給水泵的運行和補水系統(tǒng)的操作，保持鍋爐水箱的水位在安全范圍內(nèi)；根據(jù)鍋爐負(fù)荷和燃燒情況，調(diào)節(jié)引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量，以保證燃燒過程的穩(wěn)定和燃燒效果的優(yōu)化。在汽輪機組中，MCS 系統(tǒng)根據(jù)汽輪機負(fù)荷變化和蒸汽需求，控制給水泵的運行和給水閥門的開度，以保持給水量和蒸汽壓力穩(wěn)定；通過控制除氧器的補水和排水，保持除氧器水位在正常范圍內(nèi)，防止氧腐蝕和蒸汽質(zhì)量下降。

2.3 SCS 系統(tǒng)

SCS 系統(tǒng)（Supervisory Control System）主要用于火電廠主機和輔機的控制、監(jiān)測，能夠根據(jù)運行原則與順序，對設(shè)備的運行邏輯進行判斷，并進行結(jié)果分析與評估，發(fā)出控制指令，使設(shè)備按照預(yù)定的順序有序運行。在主機控制方面，SCS 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對主機的啟動、停機和負(fù)荷調(diào)節(jié)等操作進行控制，實時監(jiān)測運行狀態(tài)與參數(shù)。在輔機控制方面，火電廠的輔助設(shè)備包括給水系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等，這些設(shè)備的運行對于火電廠的正常運行至關(guān)重要，SCS 系統(tǒng)可以對這些輔機進行控制，保證其按照預(yù)定的順序和參數(shù)運行，確保火電廠的運行效率和安全性。一般SCS 系統(tǒng)采用分層設(shè)計方式，將控制任務(wù)劃分為不同的層次，每個層次負(fù)責(zé)不同的功能和任務(wù)，但是，這樣會消耗一定的時間，因此，在控制中將優(yōu)先級運算技術(shù)融入其中，通過給不同的控制任務(wù)和指令設(shè)置不同的優(yōu)先級，系統(tǒng)可以根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級來確定執(zhí)行順序，確保重要任務(wù)得到優(yōu)先處理，實現(xiàn)短時間內(nèi)的順序控制。例如，如果存在一個緊急的設(shè)備故障需要立即處理，SCS 系統(tǒng)可以將該任務(wù)設(shè)定為最高優(yōu)先級，確保系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)并采取相應(yīng)的控制措施，而對于一些常規(guī)的設(shè)備調(diào)節(jié)或監(jiān)測任務(wù)，可以設(shè)定較低的優(yōu)先級，以便在有緊急任務(wù)時有機會被中斷或推遲執(zhí)行。

2.4 DEH 系統(tǒng)

DEH 系統(tǒng)（Digital Electronic Governor System）是指汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)，是一種用于汽輪機組的自動調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)，通過數(shù)字電子和液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)對汽輪機的調(diào)速和負(fù)荷控制。DEH 系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測汽輪機轉(zhuǎn)速，并根據(jù)設(shè)定值進行調(diào)整，確保汽輪機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，通過控制汽輪機的調(diào)速閥，DEH系統(tǒng)可以精確地調(diào)節(jié)汽輪機的負(fù)荷和輸出功率。同時，DEH 系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)荷需求實時調(diào)整汽輪機的輸出功率，通過對汽輪機的負(fù)荷控制閥進行控制，DEH 系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)荷變化的需求，調(diào)整汽輪機的輸出功率，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。具體而言，機組帶負(fù)荷達到30%以上時，如果發(fā)生甩負(fù)荷現(xiàn)象，DEH 系統(tǒng)會通過油開關(guān)和調(diào)節(jié)級壓力來判斷情況，并提前關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥，起到超速保護的作用，這是由于在發(fā)生甩負(fù)荷的瞬間，機組轉(zhuǎn)速還沒有上升到保護動作轉(zhuǎn)速之前，繼續(xù)供給燃油會導(dǎo)致機組轉(zhuǎn)速過高，可能會對設(shè)備造成損壞或危險，因此，在關(guān)閉高、中壓調(diào)節(jié)閥后，DEH 系統(tǒng)會延時3 ～4s，然后自動將高、中壓調(diào)節(jié)閥重新開啟，以維持汽機在同步轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)，保證汽機能夠迅速重新并網(wǎng)，并重新開啟高、中壓調(diào)節(jié)閥，可以恢復(fù)正常的負(fù)荷控制，使汽機能夠繼續(xù)運行在設(shè)定的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)，保障系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行。此外，DEH 系統(tǒng)具有豐富的保護功能，能夠監(jiān)測和保護汽輪機在運行過程中可能出現(xiàn)的異常情況。例如，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速超過安全范圍、油壓異常、冷卻水溫度過高等情況發(fā)生時，DEH 系統(tǒng)會發(fā)出警報并采取相應(yīng)的措施，以保護汽輪機的安全運行。

2.5 FSSS 系統(tǒng)

FSSS 系統(tǒng)（Flame Supervision and Combustion Control System）是指火焰監(jiān)控和燃燒控制系統(tǒng)，用于火電廠燃燒設(shè)備的自動監(jiān)控和控制，以確保燃燒設(shè)備的安全運行和高效燃燒。FSSS 系統(tǒng)通過使用傳感器和控制器來監(jiān)測和控制燃燒設(shè)備的火焰狀況，傳感器可以檢測火焰的存在、強度和質(zhì)量，監(jiān)測爐膛內(nèi)的溫度、壓力、氧含量，并將這些信息傳輸給控制器，然后控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和算法，對火焰進行實時監(jiān)控和判斷，并根據(jù)需要調(diào)整燃燒設(shè)備的參數(shù)和操作，確保燃燒過程的安全性和穩(wěn)定性，防止火災(zāi)和爆炸的發(fā)生，并提高燃燒設(shè)備的效率、降低能源消耗，減少對人工監(jiān)控和操作的依賴。

3 火電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)的運用優(yōu)勢

3.1 高度集成與兼容

DCS 控制系統(tǒng)能夠集成多個子系統(tǒng)，如控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、報警等系統(tǒng)，應(yīng)用傳感器、執(zhí)行器、控制算法等，實現(xiàn)對整個火電廠熱工過程的全面控制和管理，通過一個統(tǒng)一的平臺，操作人員可以方便地監(jiān)控和控制各個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)多個設(shè)備之間的協(xié)同運行，確保整個機組能夠高效穩(wěn)定地運行。在電廠機組運行過程中，干擾源和控制參數(shù)往往呈現(xiàn)出非線性分布的特征，DCS 控制系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活調(diào)整控制策略和參數(shù)，以應(yīng)對這些非線性分布的影響因素。同時，DCS 控制系統(tǒng)具有強大的計算和數(shù)據(jù)處理能力，可以實現(xiàn)各種高級控制算法，如模型預(yù)測控制、優(yōu)化控制等，其中模型預(yù)測控制一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，通過對過程的數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測和優(yōu)化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制；優(yōu)化控制是指根據(jù)系統(tǒng)的最優(yōu)性原理，通過對控制變量進行優(yōu)化，以達到最佳的系統(tǒng)性能。此外，DCS 控制系統(tǒng)采用開放的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)接口，可以與電廠的監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享，提高系統(tǒng)的兼容程度和整體效能。

3.2 分布式控制

DCS 控制系統(tǒng)采用分散控制的方式，將控制功能分布在各個控制節(jié)點上，降低系統(tǒng)的單點故障風(fēng)險，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，分布式控制也使得系統(tǒng)具有良好的擴展性，可以根據(jù)需要靈活地增加或減少控制節(jié)點。

3.3 智能監(jiān)測與調(diào)節(jié)

DCS 控制系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)火電廠熱工過程的能力，通過各種傳感器和儀表設(shè)備，可以實時采集和監(jiān)測火電廠各個關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)值，并根據(jù)設(shè)定的控制策略進行調(diào)節(jié)，這樣可以保持火電廠的穩(wěn)定運行，并及時對異常情況進行響應(yīng)和處理。同時，采用遠程智能輸入輸出系統(tǒng)，提升系統(tǒng)測量的精準(zhǔn)度，這是將計算機適配器、現(xiàn)場總線、智能前端等組合而成的獨立性系統(tǒng)，支持靈活的AD/DA 轉(zhuǎn)換，能夠滿足不同輸入輸出信號的需求，支持點對點、點對多等通信方式，采用集中管理與控制模式，實現(xiàn)主動系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換，并通過智能前端和現(xiàn)場總線的協(xié)作，將系統(tǒng)內(nèi)部的信息轉(zhuǎn)化為適合外部系統(tǒng)理解的格式，提高系統(tǒng)的互操作性，使其與其他系統(tǒng)更好地集成和交互。

3.4 系統(tǒng)安全性

DCS 控制系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)安全性，通過權(quán)限管理和密碼控制等措施，可以限制不同用戶對系統(tǒng)的訪問和操作權(quán)限，防止未經(jīng)授權(quán)的操作對系統(tǒng)造成損害。此外，DCS 控制系統(tǒng)還具有故障診斷和自動備份等功能，可以及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)故障，保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4 結(jié)語

總之，電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)的運用，不僅能夠提高火電廠的運行效率和穩(wěn)定性，還能夠減少運維成本，提高工作安全性，對于火電廠的可持續(xù)發(fā)展具有積極的促進作用。隨著科技的不斷進步，火電廠熱工自動化DCS 控制系統(tǒng)在未來將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并且將與其他技術(shù)和系統(tǒng)的融合進一步推動火電廠的智能化、高效化和可持續(xù)發(fā)展。