火電廠現(xiàn)有控制系統(tǒng)發(fā)展智慧電廠的可行性分析

趙書培

摘要：眾所周知，火力發(fā)電廠作為現(xiàn)代社會上最龐大的工業(yè)生產(chǎn)體系之一，其設(shè)備及控制系統(tǒng)的水平代表著整個社會工業(yè)化進(jìn)程水平。目前新投產(chǎn)火電機組已經(jīng)擁有了較高的自動化程度，但在整體決策等方面還需要大量的人為參與。隨著互聯(lián)網(wǎng)軟件和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，如何讓建設(shè)智能化電廠，成為當(dāng)下電力系統(tǒng)人員所思考和研究的問題。本文從目前火力發(fā)電廠普遍運用的控制系統(tǒng)角度出發(fā)，結(jié)合運維經(jīng)驗，對智慧電廠發(fā)展中可能遇到的問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：火電廠；控制系統(tǒng)；設(shè)備監(jiān)測；可視化

前言

對于智慧電廠的發(fā)展，電力發(fā)展《“十三五”規(guī)劃》對其進(jìn)行了專項闡述。其中指出：發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，開展發(fā)電過程智能化檢測、控制技術(shù)研究與智能儀表控制系統(tǒng)裝備研發(fā)，攻關(guān)高效燃煤發(fā)電機組、大型風(fēng)力發(fā)電機組、重型燃?xì)鈾C組、核電機組等領(lǐng)域先進(jìn)運行控制技術(shù)與示范應(yīng)用。由此可見，發(fā)電企業(yè)迫切需要改變粗放型管理模式，提高企業(yè)管理水平和核心競爭力，聚焦現(xiàn)有電廠升級改造，智慧電廠的興起既順應(yīng)時代發(fā)展，又是傳統(tǒng)電力企業(yè)自我變革的必經(jīng)之路

1.智慧電廠概念

現(xiàn)階段對智慧電廠的定義尚無統(tǒng)一定論。一部分人認(rèn)為智慧電廠是數(shù)字化電廠結(jié)合智能系統(tǒng)后的進(jìn)一步發(fā)展。另一部分人認(rèn)為智慧電廠由信息化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)支撐，具有感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力三類特點。還有人認(rèn)為智慧型電廠是以執(zhí)行力體系、信息化體系、節(jié)能環(huán)保體系、預(yù)警體系、學(xué)習(xí)型企業(yè)體系和企業(yè)文化體系六大管理體系作為支撐。但無論怎樣，這些理念都需要一個集感知、計算、決策與一體的平臺系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，才能將這些理念進(jìn)一步發(fā)展。

2.機組控制系統(tǒng)設(shè)置情況

就現(xiàn)階段情況而言，一般情況下火力發(fā)電廠普遍采用的DCS控制系統(tǒng)來完成電廠主體設(shè)備的控制、監(jiān)視、報警、數(shù)據(jù)記錄和追憶。相較于DCS控制系統(tǒng)，部分電廠對于輔網(wǎng)系統(tǒng)采用的PLC控制系統(tǒng)也廣泛存在，利用PLC控制系統(tǒng)特性，在輸入信號作用下，按照預(yù)先送入的程序控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)按一定規(guī)律動作，從而實現(xiàn)設(shè)備自動化操作。以上配置加上機組設(shè)備技術(shù)的不斷革新，理論上在技術(shù)層面已經(jīng)具備自動化電廠要求，但在實際運行中，機組系統(tǒng)運行自動化程度依然很低，需要投入大量的運行人員進(jìn)行調(diào)整。

3.智慧型電廠發(fā)展的制約因素

隨著控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，火力發(fā)電廠的運行調(diào)整相較以前已經(jīng)有了很大發(fā)展，特別是新建機組中自動化程度顯著提高，已經(jīng)初具自動化電廠模型。但在常規(guī)調(diào)整中，控制系統(tǒng)的實際控制效果確實不盡如人意。

3.1 機組控制系統(tǒng)分散

為了節(jié)省成本，以往的電廠設(shè)計過程中往往會根據(jù)主輔網(wǎng)運行特性的不同采用不同的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。這種情況下，很容易造成一個電廠有兩套或者數(shù)套操作系統(tǒng)。

因此，為了適應(yīng)智能電站全廠信號和管理內(nèi)容數(shù)字化的要求，需要實現(xiàn)主輔控制一體化控制系統(tǒng)。即使不能實現(xiàn)一體化控制，也需要通過使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)整個工廠完整數(shù)據(jù)的跨平臺資源共享，確保數(shù)字信息交換準(zhǔn)確可靠，消除信息孤島。

3.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）也稱主控系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以使機組實現(xiàn)最基本的自動化要求，但實際情況中，投入?yún)f(xié)調(diào)控制情況下往往還需要人工手動干預(yù)，無論是負(fù)荷跟蹤還是壓力跟蹤都經(jīng)常出現(xiàn)跟蹤不穩(wěn)定的情況。

在機組負(fù)荷發(fā)生變化時，由于燃料燃燒及給水蒸發(fā)具有一定的滯后性，對機組的調(diào)整會造成一定的影響。特別是由于設(shè)備問題需要快速甩負(fù)荷時，由于燃料跟蹤滯后，蒸汽壓力的控制往往無法靠協(xié)調(diào)來控制。所以系統(tǒng)的優(yōu)化中需要根據(jù)機組的給煤特性及給水特性進(jìn)行整定，對煤水比函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。另一方面壓力偏差的跟蹤也應(yīng)根據(jù)煤水的延遲特性進(jìn)行矯正，避免調(diào)整不足或過調(diào)的情況。

3.3 設(shè)備監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)

近年來，由于節(jié)能、環(huán)保政策標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，火電廠紛紛進(jìn)行了環(huán)保改造。以脫銷系統(tǒng)的改造為例，改造以后對于鍋爐尾部煙道內(nèi)設(shè)備運行監(jiān)測提出極大考驗。同時，配煤摻燒在火電機組的應(yīng)用也日漸普遍，但由于配煤值班人員對人廠煤及摻配用煤熱值預(yù)估不準(zhǔn)確，導(dǎo)致?lián)脚浜笕霠t煤熱值低于最低熱值要求的現(xiàn)象屢屢發(fā)生。造成爐膛內(nèi)部的燃燒不穩(wěn)定，對于煙氣排放、爐膛內(nèi)部金屬超溫、結(jié)焦等方面產(chǎn)生極大影響。

究其原因，除了對入爐煤監(jiān)測不足外，對爐膛內(nèi)的燃燒、受熱監(jiān)測整合同樣不足，造成數(shù)據(jù)監(jiān)測集成度低，不能及時匯總分析也是其主要原因。在運行中將制粉系統(tǒng)煤粉濃度監(jiān)測、爐膛內(nèi)燃燒溫度監(jiān)測、受熱面積灰程度監(jiān)測、尾部煙道煙氣溫度、阻力監(jiān)測等優(yōu)化后加上預(yù)測控制、PID自整定等先進(jìn)控制算法，結(jié)合機組運行情況進(jìn)行與機組控制系統(tǒng)進(jìn)行對接，將助力機組運行中的擾動調(diào)節(jié)實現(xiàn)更高的自動化水平。

3.4 故障自診斷能力差

目前，發(fā)電廠機組設(shè)備運行中故障報警觸發(fā)大多數(shù)采取追蹤參數(shù)絕對值，各設(shè)備運行參數(shù)也僅顯示實時狀態(tài)，只有在小部分設(shè)備參數(shù)給定中添加參數(shù)變化率功能，這種故障報警較為單一，監(jiān)測難以及時發(fā)現(xiàn)。

運行中為了避免設(shè)備運行異常發(fā)現(xiàn)不及時，在設(shè)備故障監(jiān)測診斷方面需要加入更多的智能化因素。當(dāng)前研究趨于成熟的SBM建模技術(shù)可以很好的解決這個問題。SBM建模是在確定建模對象的基礎(chǔ)上導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過對歷史數(shù)據(jù)的過濾，選取相對的狀態(tài)矩陣從而建立模型。采集設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)期望值實時比較，對其動態(tài)變化過程在線展示，在故障發(fā)生階段進(jìn)行預(yù)警，及時提醒維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

4.運行設(shè)備的可視化管理

智慧電廠的目標(biāo)是電廠能根據(jù)AGC指令自動運行在最優(yōu)狀態(tài)，并能對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警和診斷，如果確認(rèn)設(shè)備故障，可以自動調(diào)整運行方式、負(fù)荷高低，通知人員檢修。那么，電廠整體設(shè)備運行的可視化管理便至關(guān)重要。

目前階段火電廠設(shè)備可視化管理主要依賴廣泛使用的廠區(qū)工業(yè)電視（CCTV），實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，依靠SIS（Supervisory Information System）廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)實現(xiàn)整個電廠范圍內(nèi)信息共享和全廠生產(chǎn)過程的實時信息監(jiān)控。但是兩者都僅能提供的設(shè)備運行信息，不具備自主監(jiān)測分析報警功能。

可視化管理可以從全景可視化、人員管理可視化、機械設(shè)備可視化、作業(yè)流程可視化方面下手。利用360°全景監(jiān)控來了解廠區(qū)基本運行情況，利用認(rèn)證對比等技術(shù)應(yīng)用，結(jié)合定位系統(tǒng)掌握人員動態(tài)，在工業(yè)電視基礎(chǔ)上，添加智能讀表、液位分析等技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對設(shè)備器械可視化智能分析利用，結(jié)合管理系統(tǒng)、智能點檢系統(tǒng)的應(yīng)用等實現(xiàn)作業(yè)流程可視化，通過將這些信息匯總分析，可以使電廠智能化，同時也能更好的保證機組安全運行。

當(dāng)前電力系統(tǒng)已經(jīng)開始研發(fā)引進(jìn)巡檢機器人，利用GPS定位系統(tǒng)、紅外熱成像溫度檢測系統(tǒng)、工業(yè)相機視覺系統(tǒng)、噪音、溫濕度、氣體等傳感器，可以隨時對設(shè)備進(jìn)行一次全方位的巡檢。但總體還是停留在監(jiān)測和分析階段，并不能與機組的控制系統(tǒng)相兼容，未來有望建立起設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫掛接智能技術(shù)實現(xiàn)與設(shè)備基本屬性的關(guān)聯(lián)，使控制系統(tǒng)智能化。

結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級深入推進(jìn)，以及電力體制改革大力實施，智慧電廠已經(jīng)成為電廠發(fā)展新趨勢。智慧電廠發(fā)展建設(shè)過程中所面臨的問題不僅僅是控制系統(tǒng)的問題，人員因素、監(jiān)測手段、執(zhí)行機構(gòu)以及測量儀表對此也同樣有很大影響，單靠改變控制算法，優(yōu)化系統(tǒng)平臺不會直接改變最終結(jié)果，但它卻是智慧電廠建設(shè)過程中最重要的一環(huán)，利用先進(jìn)控制方法開發(fā)的電廠控制優(yōu)化系統(tǒng)，組建全廠一體化操作監(jiān)測平臺，再加以設(shè)備改造，智慧電廠的時代終將到來。

參考文獻(xiàn)

[1]《智慧電廠怎么建？發(fā)電企業(yè)如何轉(zhuǎn)型？》 中國能源研究會副秘書長、節(jié)能減排中心主任 王凡

[2]《智慧電廠建設(shè)探討》 屠學(xué)偉，鄭亞鋒 《自動化博覽》2019年1月刊

（作者單位：大唐信陽發(fā)電有限責(zé)任公司）