第五節　計算機控制系統在火電廠中的應用

一、過程控制計算機

過程控制計算機也稱工業控制計算機(工控機),與通常的微型計算機略有不同,它要在工業環境下適應工業生產要求,在線、實時地工作,除了運算外,還具有控制功能。

過程控制計算機硬件組成見圖1?3。

過程控制計算機軟件如下:

軟件系統

計算機控制系統的分類(按功能):數據采集系統DAS(Data Acquisition System)、直接數字控制DDC系統(Direct Digital Control System)、監督控制系統SCC(Supervisory Computer Control)、分散控制系統DCS(Distributed Control System)、現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。

1.數據采集系統DAS

優點:結構簡單,控制靈活和安全。

缺點:要由人工操作,速度受到限制,不能控制多個對象。

2.直接數字控制DDC系統

優點:自動化程度高,調節速度快;因為程序可變性強,故控制靈活性大;由于節省了大量的模擬調節儀表,因此經濟上比較合算,被控系統越大,這種經濟效果越顯著。

缺點:由于DDC系統的計算機直接承擔控制任務,因此要求實時性好、可靠性高和適應性強。

3.監督控制系統SCC

優點:能使生產過程始終在最合理的狀態下運行,避免了不同的運行人員調整調節器設定值帶來的控制偏差。

缺點:由于生產過程的復雜性,其數學模型的建立是比較困難的,因此實現起來有一定難度。

4.分散控制系統DCS

智能化現場儀表的應用和發展,要求系統中使用數字信號取代4~20mA(DC)的模擬信號。在目前廣泛應用的DCS中,因為檢測、變送、執行等現場儀表仍采用4~20mA(DC)的模擬信號,無法滿足上位機系統對現場儀表的信息要求,限制了控制系統的視野,阻礙了上位機系統功能的發揮,所以產生了上位機與現場儀表之間進行數字通信的要求。要求建立一個標準的連接現場智能儀表與上位機系統的數字通信鏈路,這就是現場總線(Fieldbus)。

分散控制系統DCS的結構模式見圖1?4。

5.現場總線控制系統FCS

現場總線控制系統FCS的結構模式見圖1?5。

用一對通信線連接多臺數字儀表代替一對信號線只能連接一臺儀表;用多變量、雙向數字通信方式代替單變量、單向模擬傳輸方式;用多功能的現場數字儀表代替單功能的現場模擬儀表;用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站;變革傳統的信號標準、通信標準和系統標準;變革傳統的自動化系統體系結構、設計方法和安裝調試方法。

二、火電機組過程計算機控制的主要功能系統

火電機組過程計算機控制的主要功能系統見圖1?6。

1.數據采集系統DAS

數據采集系統是整個機組的信息中心,提供可靠、迅速、客觀的工況記錄,為設備的安全和經濟運行提供了有力的依據。

2.機組協調控制系統CCS

機組協調控制系統通常指機、爐閉環控制系統的總體,包括各子系統。機組協調控制系統是大型火電機組最重要的控制系統之一,對機組的安全運行和參與電力系統調頻、調壓極為重要。機組協調控制系統CCS見圖1?7。

CCS的功能是接受各類負荷指令,然后根據設備運行方式和健康狀況發出機、爐負荷指令,使汽輪機與鍋爐之間協調,并使主機與輔機之間負荷相適配,保持主要參數穩定。值班人員或電網調度員可向CCS發出目標負荷指令及負荷變化速度,以調節整個機組的出力。

CCS需要根據負荷調度指令進行負荷管理,消除運行時機、爐之間的各種擾動,協調控制鍋爐的燃燒控制、給水控制、汽溫控制與輔助控制子系統,保持鍋爐、汽機之間的能量平衡,并在機組主、輔機設備出力受到限制的異常工況下進行聯鎖保護。

CCS的工作方式有:協調控制COOD、鍋爐跟隨BF、汽機跟隨TFM/TFA、手動Manual。

3.輔機順序控制系統SCS

輔機順序控制系統的主要任務是對電廠單元機組的幾百個主要輔機或功能組進行啟?？刂坪吐撴i保護,以簡化和減少操作人員的操作,確保機組啟停及運行的安全。

主要輔機(Major Plant Item)是指送、引風機等輔機和擋板、潤滑油泵等輔助部件。

功能組(Function Group)則是指為執行某一特定功能所必需的全部設備之組合,一般以某一臺主要輔機為中心,如引風機功能組,就包括引風機及其軸承冷卻風機、風機和馬達的潤滑油泵、引風機進/出口煙道擋板、除塵器進口煙道擋板等。

輔機順序控制系統SCS見圖1?8。

SCS包括的主要控制系統見圖1?9。

4.鍋爐爐膛安全監控系統FSSS

爐膛安全監控系統(FSSS)也稱燃燒器管理系統BMS(Burner Management System),提供鍋爐的安全保護,是大型火電機組最重要的一個保護/控制系統。

它連續和密切地監視鍋爐在各種運行工況下的狀態,隨時進行邏輯判斷,異常時即發出報警信號乃至停爐。通過一系列聯鎖條件,它按預定的邏輯順序對燃燒設備的有關部件進行操作和控制。

爐膛安全監控系統有鍋爐保護和燃燒系統順序控制兩大部分,其主要功能有:

① 爐膛火焰檢測;

② 爐膛壓力保護;

③ 爐膛自動吹掃;

④ 燃料點火及投粉順序控制;

⑤ 鍋爐安全管理。

5.汽機旁路控制系統BPC

汽機旁路控制系統是大中型中間再熱機組的重要控制系統之一,包括高、低壓旁路壓力控制子系統和高、低壓旁路溫度控制子系統。

其功能是在機組啟動階段協調機組啟動,回收工質和熱量,保護再熱器;在滑壓啟動時,適應啟動參數加快啟動速度;帶負荷運行階段,旁路系統可以允許鍋爐維持在熱備用狀態;負荷變化太大時,輔助調節鍋爐主蒸汽壓力。

6.汽輪機數字電液控制系統DEH

DEH除用來實現汽輪發電機的轉速和負荷控制外,還提供了汽輪機設備的安全保護。

7.汽輪機監視儀表TSI

汽輪機在機組啟動、運行和停機過程中需要采用保護儀表監視其機械運行狀態,以避免事故發生。

監視的參數包括:轉速、軸振動、軸承蓋振動、軸向位移、偏心度、相對膨脹、鑒相、氣缸熱膨脹等。

汽輪機緊急跳閘系統ETS用作汽輪發電機組危急情況下的保護,它與DEH、TSI一起構成汽輪發電機組的監控保護系統。

ETS監視汽輪機轉速、軸向位移、軸承潤滑油壓、凝汽器真空以及電液控制系統的控制油油壓、振動等。當這些參數中的任一個超過運行極限值時,系統將關閉汽輪機的所有進汽閥門,使汽輪機跳閘,以保證機組設備的安全。

8.電氣控制系統ECS

ECS包括發變組控制、廠用電、勵磁系統和同期裝置的接口等。

三、火電廠熱工自動化發展前景

1.爐、機、電、輔控制一體化

目前DCS的控制范圍已由早期的僅包含MCS、DAS、SCS到實現單元機組的全部監控和保護功能(MCS、DAS、FSSS、BPS、ETS、DEH),電氣控制系統ECS也逐步納入DCS的控制之中,輔助控制系統(如化水系統、輸煤系統、除灰除渣系統、廢水處理系統等)也由原來獨立的單元向整個輔助控制網絡系統的DCS一體化過渡。隨著技術的進步和觀念的更新,DCS可擴展至整個輔助控制系統,一臺機組僅用一套DCS即可實現全部控制功能,DCS將覆蓋發電廠各個自動化系統,實現爐、機、電、輔控制一體化。

2.現場總線技術和系統的推廣應用

現場總線技術有著不少技術上的優越性,如能在電廠成功應用,將對簡化自動化系統、降低造價,實現全廠管理信息系統(MIS)和全廠實時監控系統(SIS)都很方便,因而在電廠的應用前景是廣闊的,也是進一步提高電廠自動化水平要采取的技術措施。

3.機組自動化水平進一步提高

① 單元機組實現全CRT監控,大屏幕顯示器廣泛使用,傳統控制盤臺將取消;

② 機組主要模擬參數完全由自動控制裝置(DCS或FCS)在全負荷(或全程)范圍內自動維持在最佳區域內;

③ 生產過程按功能區或功能組劃分,操作人員只需干預每個功能組,基本不用再直接向單個驅動對象(風機、水泵及閥門等)發出啟、停(或開、關)命令;

④ 機組緊急事故處理也完全依靠完善的保護系統自動完成;

⑤ 單元機組自動化系統進一步智能化,安全、經濟效益明顯的優化控制軟件、性能計算和分析軟件、機組壽命管理軟件、故障診斷以及狀態維修軟件得到廣泛應用,機組運行的安全性和經濟效益進一步提高。

4.先進控制理論和技術的應用

經典控制理論是以傳遞函數分析作為理論基礎的,它的隱含前提有兩個:一是對象模型的精確性、定常性和線性;二是運行環境的確定性和不變性。它的典型應用形式有PID控制、Smith預估控制、傳統解耦控制等。

現代控制理論是以狀態空間分析作為理論基礎的,它主要研究具有高性能、高精度的多輸入多輸出(多變量)、變參數系統的最優控制問題。它對多變量有很強的描述和綜合能力,其局限在于必須預先知道被控對象或過程的數學模型。現代控制理論的典型應用形式包括:自適應控制、變結構控制、魯棒控制和預測控制。

目前,在火電廠控制的各系統功能中,傳統的PID控制策略已能較好地實現;但尚有一些問題沒有得到很好的解決,如燃燒過程的動態優化問題、鋼球磨中儲式制粉系統的控制問題、大范圍變工況時再熱汽溫的控制問題等。這些問題多半涉及非線性、大時滯、慢時變、分布參數和非確定性控制問題,用傳統的控制策略難以解決。

現代控制理論和智能控制方法在火電廠生產過程中的應用還非常有限,有待于進一步研究和實踐,相信隨著理論研究的不斷深入和電廠軟硬件平臺的提升,這些先進控制理論和技術必將在火電廠的生產過程控制中得到廣泛應用。

5.管控一體化

DCS或FCS與廠級監控信息系統SIS(Supervisory Information System)和廠級管理信息系統MIS(Management Information System)互相滲透,彼此結合,形成一個多層次、網絡化,融控制、管理、調度和決策一體化的綜合自動化系統,即管控一體化。

SIS主要處理全廠實時數據,完成廠級生產過程的監控和管理、廠級故障診斷和分析、廠級性能計算、分析和經濟負荷調度等;MIS主要為全廠運營、生產和行政的管理工作服務,完成設備和維修管理、生產經營管理(包括電力市場報價子系統)、財務管理等。