21世纪火电厂热工自动化展望

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     21世纪火电厂热工展望
Prospect of Thermal Process Automation of
Fossil Power Plantfor 21st Century
杨 庆 柏
【摘要】 在研究国内外自动化技术发展及其在火电厂中应用经验的基础上，从工程的观点出发，结合国内外实际应用业绩，论述了21世纪火电厂热工自动化的发展动向，以期快速提高我国火电厂热工自动化水平。

火力发电机组的热工自动化是保障设备、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳动条件的重要技术措施。展望21世纪，火电厂热工自动化预计将会朝着下面几个方向发展。
1 电气控制将纳入DCS［1］
自从火电厂采用分散控制系统DCS(Distributed Control System)后，汽轮机和锅炉的控制水平有明显的提高。但作为单元机组中的重要一个环节，即发电机变压器组和厂用电系统的控制，大多数仍保留了传统的控制方式，控制盘台上装设很多模拟仪表光字牌和开关按钮，在一个控制室内与汽轮机和锅炉的DCS控制很不协调，严重影响了火电厂自动化水平。
电气控制纳入DCS的范围主要为发电机系统和主厂房内的厂用电系统，主要包括发电机变压器线路组、高压起动/备用变压器、高压厂用工作变压器、低压厂用工作变压器、低压厂用备用变压器及低压厂用公用变压器等的控制和信号测量。保安电源系统、直流系统和不停电电源系统也要纳入DCS进行监视。另外，发电机励磁系统、自动准同期和厂用电快速切换更要优先考虑纳入DCS。
电气控制纳入DCS，国际上已开始广泛采用，许多大的DCS公司都有这方面的应用业绩。大港电厂引进的2×320 MW机组上的电气控制就纳入了DCS，现在已成功运行达8 a。目前，国内大型火电厂主厂房内的电气开关也已基本实现了无油化，如中压开关采用真空开关与真空接触器，低压开关采用智能型空气开关等。电气设备的可控性及同计算机接口能力的提高，为电气控制纳入DCS打下了坚实基础。将部分电气控制纳入DCS，国内已有成功的经验，如东北电力集团公司直属的通辽发电厂在200 MW机组的热工自动化改造中，率先将部分电气控制纳入DCS，迈出了炉、机、电一体化的第一步。今后，一台单元机组仅设1位主值班员，因此电气控制必须与汽轮机、锅炉控制形成一个整体，只有做到这一点，才能使我国火电厂自动化水平跻身于国际先进水平行列。
2 FCS将取代DCS［3］
2.1 FCS的产生
FCS是现场总线控制系统(Fieldbus Control System)的简称。目前的DCS也称为传统的DCS，因DCS的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号(4～20 mA DC)连接，无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求，限制了控制过程视野，阻碍了上位机系统功能的发挥，因而产生了上位机与现场仪表进行数字的要求。从80年代起，出现了智能化的现场仪表，如智能变送器等。这些智能化的现场仪表的功能远远超过模拟现场仪表，如可对量程和零点进行远方设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿等，深受用户欢迎。智能化现场仪表的出现，也要求与上位机系统实现数字通信。正是在上述2方面因素的驱动下，要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路，这条通信链路就是现场总线，FCS也就应运而生了。
2.2 FCS的效益
采用FCS取代DCS比采用DCS取代模拟仪表具有更大的经济效益。如“变千百根电缆为一根”，可节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确性、实时性、快速性和可靠性大为提高；现场总线通信协议国际后，可使不同厂家的产品互相连接和操作，消除了目前自动化的孤岛现象；省去I/O端子柜和控制柜后，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少；由于机组控制室(指2台机组共用1个控制室)只有2根同轴电缆或光缆和几根紧急停机开关的电缆进入，大大有利于控制室的防火和火电厂的安全运行。
2.3 FF及其产品
目前，尽管存在着多种现场总线模式，但最开放、功能最完备和最有应用前景的现场总线当属基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)。它除了具备一般总线的特点外，在客户服务、功能模块调用、设备描述、诊断和保护、通信方式、数据精确传递、本安、设备的即插即用等方面，最能体现国际先进水平，是受到国际大多数地区和国家赞赏的总线标准。FF的低速总线H1协议已于1996年发表；FF的物理层协议已被国际电工委员会IEC批准为国际标准(IEC1158-2)；FF的链路层协议于1998年3月在IEC TC/65工作组中表决通过，如果经IEC大会表决通过后也将成为国际标准。国外许多大公司都在按照FF已出台的标准开发各自的产品，如美国Smar公司的302系列现场总线控制系统就是其中之一。各大公司的FF产品已分别在美国的Monsanto化工厂和日本的Chubu电厂完成了试运行，收到了较好效果。从1996年开始，FF产品进入我国后，已在8家工厂投入运行，如用于滨洲化工厂自备电厂的锅炉控制。
2.4 FCS前景
最近国家有关部委召开了关于现场总线技术会议，成立了现场总线专业委员会，制定了现场总线技术发展的前景目标，并由国家拨出专款用于现场总线技术的科技攻关。华北电力大学现场总线实验室的筹建申请已被国家电力公司批准，FCS的应用研究即将展开。前景目标是：从现在起到2005年，在技术上要基本完成从目前模拟现场仪表系统到基于现场总线的全数字开放的自动化系统的转化，使我国工业自动化仪表的技术水平赶上世界技术发展潮流。
在现场总线技术的推进时间上，现在是用DCS取代模拟仪表时期，也是HART仪表的上升时期，本世纪末到2005年将是HART仪表与FF仪表的交替时期，自动控制系统将由以DCS为主的控制模式转换成以FCS为主的控制模式上。就工业生产过程来说，一切努力都放在提高质量、产量和可靠性上，FCS是一个对工业生产过程有巨大效益的新型自动控制装置，一旦现场总线国际标准出台，它立刻就会广泛地应用到电力等工业生产过程中。
3 驾驶仓式控制室将出现
驾驶仓式控制室包含2层涵义：一是物理上的，即控制室紧凑小型化；二是功能上的，即控制中心进一步智能化、自动化。值班人员控制机组运行，如使用“傻瓜机”照像，这是驾驶仓式控制室最本质的特征，主要表现在以下几方面：(1)机组成千上成个信息应尽可能经智能化浓缩后再提供给运行操作人员。(2)机组主要模拟参数完全由自动控制装置(DCS或FCS)在全负荷(或全程)范围自动维持在最佳区域内。(3)炉、机、电实现全CRT监控，完全取消常规后备监控设备(包括传统控制盘)。网络控制室计算机化后，将其纳入单元控制室，网络控制室随即取消。(4)生产过程按功能区或功能组划分，操作人员只需干预每个功能组，基本不用再直接向单个驱动对象(风机、水泵及阀门等)发出起、停(或开、关)命令。如汽轮机自起停功能组，只需操作人员按一下起动或停止按钮，汽轮机就会自动进行暖管、升压、冲转、升速、暖机、定速、并网和接带负荷，完全不用人来干预。燃烧器顺序控制功能组也是如此，功能组根据机组负荷自动起停燃烧器(磨煤机)。(5)机组紧急事故处理也完全依靠完善的保护系统自动完成，不但防止了人为误操作，而且还能快速、正确地处理事故，保护了人身和设备安全，大大提高了机组运行的安全性和经济性，也使操作人员能更快、更好地胜任大机组参数多、变化快和控制复杂的运行要求。(6)控制室面积大幅度减小，使控制室布置更加灵活，土建、照明及空调等费用都可大幅度降低。
4 智能控制应用增多
4.1 智能控制历程
从经典控制理论、现代控制理论发展到今天的智能控制理论，经历了约50 a时间。从40年代至50年代，形成了经典控制理论，该理论基于传递函数建立起来的频率特性、根轨迹等图解解析设计方法，对于单输入单输出系统极为有效，至今仍在生产过程中得到广泛应用。但传递函数对于系统内部的变量还不能描述，且忽略了初始条件影响，故传递函数描述不能包含系统所有信息。
现代控制理论于60年代形成，它主要研究具有高性能、高精度的多输入、多输出(多变量)、变参数系统的最优控制问题。它对多变量有很强的描述和综合能力，其局限在于必须预先知道被控对象或过程的数学模型。
现代控制理论是在经典和现代控制理论基础上于90年代基本形成的。智能控制的提出，一方面是实现大规模复杂系统控制的需要；另一方面也是现代计算机技术高度发展的结果。计算机使控制技术的工具发生了革命性变化，给智能控制的实现提供了有力的保证。智能控制是一种新的控制方法，它基本解决了非线性、大时滞、变结构和无精确数学模型对象的控制问题。
4.2 智能控制方法
智能控制就是利用有关方法或知识来控制对象，按一定要求达到预定目的。常见的智能控制方法大致有以下几种：(1)模糊控制，从行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用控制方法；(2)分级递阶智能控制，模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成；(3)专家控制，将人的感性经验(浅层知识)和定理算法(深层知识)相结合的一种传统智能控制方法；(4)神经网络控制，从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴控制和辨识方法；(5)拟人智能控制，模拟、延伸和扩展人的多层次智能即人控制器的控制方法；(6)预测控制，利用模型预测被控过程未来的输出及其与给定值之差，并据此以某种优化指标计算当前应施加于过程的控制作用。
4.3 智能控制应用
火电厂有些热工控制对象的数学模型是很复杂的，且很难测准，若继续沿用经典和现代控制理论往往很难奏效，事实也证明了这点。尽管智能控制理论和技术发展的历史不长，但其卓越的性能诱导人们在各方面进行许多应用尝试，取得了卓有成效的成果。
智能控制在火电厂热工自动化中已开始采用，如通辽电厂在200 MW机组热工自动化改造中，在直吹式锅炉主蒸汽压力控制中采用模糊控制，较好地解决了主蒸汽压力被控对象的纯迟延和大惯性等难题；铁岭电厂300 MW机组协调控制系统因原设计采用经典控制策略和送引风系统漏风等问题的影响，一直未投入自动运行，在解决了空气预热器漏风等问题的基础上，采用模糊控制策略对DCS重新组态，使协调控制系统投入了自动运行；延安电厂采用预测控制策略(DMC，动态矩阵控制)，实现了中储式钢球磨煤机的自动控制［6］。
鉴于目前DCS和PLC是过程控制的常用产品，引进智能控制可增加功能，提高产品的竞争能力，因此不少仪表制造商看好这一巨大的市场潜力，争先恐后地研制带有智能控制的DCS。德国西门子公司为其DCS的现场控制器开发了模糊控制的软件模块；日本横河公司在Centrum.μXL中也实现了模糊控制功能。
作为过程自动化的一个重要方面，生产过程的故障诊断和修复也用到智能控制技术。如美国Combustion Engineering Simcon公司的IPOM故障诊断系统，它由3部分组成：模式识别、智能显示、专家系统与DCS数据高速公路的接口。智能故障诊断系统可根据过程专家和机器专家的经验，把设备和过程各部分按故障的易发程度和故障表现特征建库，通过检测或识别，及时察觉故障发生，用搜寻和匹配的方法，确定故障发生的地点、严重程度，给出故障报告(声、光及其它信号)，进行故障处理。
5 管控一体化将实现
DCS或FCS将与MIS(信息系统)互相渗透，彼此结合，形成一个多层次、网络化的，融控制、管理、和决策一体化的综合自动化系统，即管控一体化。在未来工程建设阶段全面配置厂级管理信息系统，该网络的基础就是单元机组DCS或FCS。厂级管理信息系统从单元机组级监控网络提取必要的信息，加工成厂级监控和管理信息，向上通过远动计算机系统向电网调度系统发送它所需要的信息，并接受调度命令。这样，一个庞大的计算机网络系统就被建成，实现了整个电网管控一体化。
6 采用大屏幕显示器
DCS或FCS的人机接口界面是CRT，若值班员长期监视CRT，易造成视觉疲劳，导致监视注意力下降。目前，日立、ABB和西门子等公司都在开始生产火电厂用的大屏幕显示器，并在电厂中应用。如深圳西部电厂采用3块ABB公司的1 358 m×1 021 m大屏幕。采用大屏幕显示器构成的监控系统要求系统的智能化程度更高，联锁保护的设计更完善，对运行值班员操作水平的要求也更加严格。大屏幕显示器为实现1人监盘提供了新的技术措施，充分显示了跨世纪的大型现代化火电厂控制室的监控水平。
7 结束语
自动化技术是当今世界上发展最快、生命力最旺盛的技术和最活跃的生产力之一，世界上许多先进国家均投入大量资金，以求在激烈的竞争中占有一席之地。每位从事火电厂热工自动化的技术人员都应密切关注国内外自动化的最新进展，为努力提高我国火电厂热工自动化水平贡献力量。
作者单位：沈阳电力高等专科学校 (沈阳 110036)
8 参考文献
1 侯子良.2000年的火电厂自动化水平展望.工业仪表与自动化装置，1998，(2)
2 吴钦伟.瞄准关键技术，振兴仪表工业.自动化仪表，1998，(1)
3 Michael Babb. The Disppearing DCS. Control Engineering, 1992,(7)
4 Alan Reeve. Fieldbus Saga Still Keep Doing. Control Instrumentation, 1994,(11)
5 徐湘元，毛宗源.过程控制的发展方向——智能控制.化工自动化及仪表，1998，(2)
6 杨 波等.钢球磨煤机智能控制器的研制.热力发电，1998，(5)
收稿日期：1998-11-09
(责任编辑 叶 雷)


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