电力工业自动化的发展.pdf

电力工业自动化的发展 ■连 SU● I ■^■Y Th e De v e h ) p me n l o f El e c 【 r i a l P o we r l n d u s t r i a l Au t o ma t i o n 巾l司 仪 器仪 表行 业协会观场总线 专业委 员会 ( 北京I ⋯I l I I )卞正 岗 摘要 ： 本文概迷 了电厂 、 输 电、 配 电 自动化系统的发展 。 重点说明 了C F B锅炉的控制 蒹略 、 英雏恩公 司的先 进控制和 S I S管控一体化 系统 ． Ab s t r a c t ： T h e p a p e r s k e t c h s t h e d e v e l o p me n t o f e le c t r i a l p o we r p l a n t a u [ O ll l a ti c s y s t e m， p o we r t r a n s mi s s i o n,l tl t O — ln a t i c s y s t e m．p o we r d i s t r i b u t io n a t l to lna t i c s y s t e m． i n t r o d t lc e s c o n t r o l p o l i c y o f CF B． AI C n r I P S ， S I S o f i n t e g r a t e d ma n a g e n l e ll [ a n d c o n t r o l 关键谲：循环漉化床锅炉先进过程控割r级监控信息系统变电蛄自动化电r仿真系统 Ke ywo r d s ；CF B APC SI S P o we r d is t r i b u t i n gs u b s t a t io n a u t o mati o n S i mu l a ti o ns y s te m o f po w o r p l a n t 1前言 I 于我 近q i 米} b』 』 求火 r 供硬 t -． 数次人规 模 l U 晰敞，所以电 J 倍受人⋯崛 我 俗称 } 、I 为先i n ． 导J 、J 、史十 { J l 丝砌广 I k 的地f a ． 定它 ⋯1 i 『 处 J 。 速 发展的阶段 近年米我 发电总裟机窬砒连续 9 年居l } c 界筇 ， 仪 2 ( X ) 4 一 姨机 求 虻 5 l (m ， k W 颅汁 2 0 0 5 年新 装机 为 6 5 0 0 k W． 纠 2 0 ( )5 年 底，食网总电 力 机 将达到5 亿 k w 卡 心I 』 J I , Ik 自动化也仃 r长址的 进步 远 蒸汽机时代fl ,fi ~ Y L # L 槭例速；} {} 、 铡炉的热 1 ． f !l!ll 仪表驶就地』 刚 器 t 叫 I 代例} Il】 的励磁凋 器的J ． 川 I ． ： 创 r一动化技术和J 乜力 }：-l 动化的先 f iij ．i( ti J ~ " 啦荇发l b 厂、输l b 线路和眦『 b 的发展．逐渐 形成 J 发I U、 输电、 电■大系统．丰 应f 1 I 观 『 ． 电J 动化系统、输I 动化系统 ．阿 已 电F 1 幼化系统 从流程_ I 业 【 过 控制 ) 米肴．1 ， J I ． 、 l 了 T f I I1 化 l 、冶金等行、 l 一样，也J 连续流程，蚌以热 r鲢 的控制为 ．小 的是产 为 “ 兀形”的电能． J ： 中阅慷嚣 俪表 2 0 0 6 年 第1 期 晶指标足交流『 b 的频率 、 』 f I b f ffc ，J _J J 牢、波J l={ 等．而⋯奎 产一1 ^ 便 r 输送， “ 脱J J =【【l I 1 r ’ ．所【 I 它的 门动化 I j 它流 1 ,1 k r 1 动化 』 W} ． 咀仃 个性 般流程 ，足改变原料的化学 物J =I1 j ： 能， 广 ： h 利料 、 燃 ： } 等产- I ，n ， J ． 产I I I 『 fIj 耗夫破的 能量 ； I J J ll ‘ 业 足以-_l5[ 变能 撤形式 乃I I f l；J ， I 消耗能鞋转变成I 能的敛率．就成为上受指柏 和其 它i ? q k --* ~ ，l J I , lk 父于耶境保j _f_1 h Jf I 的 求． 样非常雨要 I乜力 r 业 自动化所他厂 『 】 的r 1 l幼化没箭，也随营’ { ： 艺没帑技 m拘发展 经历 r儿代，系统功能的 划分也在 断变化，本文将以近 2 0,q - 求I U力 I 、 l 门 动化所使川n 计算机系统l I 及控删策略 为 进i 阐 述 2 0 0 5 年 6 月英 『： 思过 氍 系统 部 ( I 1 ， S ． 1 n v m I s y s P r n e e s s S y s t e m) 北J 举{ r r “ 优化公I 资 ： ．改进 ’ 绩娥——2 1【 l} 纪的强大技术”的髓 ： 会．对电 J ， 炼油 和 E、打f 『f 1 年 人然 e 3个仃 、l 进i r J ， 深 人 交流，本文将结合』 中有关部分进行 述， 充实对 网际『乜力 【 业自动化水平的r斛． 维普资讯 2电厂自动化系统 火电、水电、核电为 3 种类型的电厂，本文仅以 火电厂自动化系统为主进行阐述。火电厂有锅炉、汽 机、发电机 3 部分，本文仅论述燃煤锅炉。 2 ． 1 火电厂锅炉 它是最主要的控制对象。锅炉的形式有多种，从 产生的蒸汽参数来分， 中参数锅炉( 2 - 4 M P a ， 3 8 5 ～ 4 5 0 ~ C ) 对应 6 0 0 0 ～ 2 5 0 0 0 k W 发电机组 ，目前只作备用电源、 开工锅炉、 热电联产用； 高参数锅炉( I O M P a 、 5 4 0 ～ 5 7 0 ~C、 5 万k W) 在火电厂基本不发展； 超高参数锅炉( 1 4 M P a 、 5 4 0 - 5 7 0 ℃、1 0 — 2 0 万 k W)目前火电厂正在使用；亚 临界参数锅炉 ( 1 7 ～ 1 8 M P a 、 5 4 0 5 7 0 ℃、 2 0 ～ 6 0 万 k W) 目前火电厂在使用， 并且新建项 目增多；超临界参数 锅炉 ( 2 4 M P a ， 5 4 0 ～ 5 7 O ％， 3 0 — 8 0 万 k W) 为目前火电 厂的主力，而且新建项 目也不少；超超临界参数锅炉 ( 1 0 0 万 k W 以上 )国内已有。由上可知，我国火电厂 发展方向是高参数、 大容量， 这是节能和环保的需要。 按锅炉蒸发部分的水循环方式来分， 有自 然循环锅 炉、 直流锅炉、 多次强制循环锅炉等形式。 按锅炉的燃 烧方式来分， 有链条炉、 煤粉炉、 流化床燃烧锅炉等形 式， 后者即为近年来流行的循环流化床锅炉 ( C F B ) 。 C F B把煤和吸附剂石灰石加入燃烧室的床层中， 从炉底鼓风使床层悬浮，进行流化燃烧 ，由于可以燃 烧劣质煤和减轻对环境的污染，所以我国投入很大力 量 ，已能生产从中小 C F B锅炉到5 0 0 t／ h( 指蒸发量 ) 大中型 C F B锅炉，而且 l O 0 0 t ／ h( 对应 3 0 万 k W) C F B 锅炉即将国产化。 除 C F B外， 在国外还有增压循环流 化床 ( P F B C )锅炉，发电效率可达 4 7 ％。 下面以C F B为对象阐述锅炉常规控制策略。 2 ．2 锅炉自动化常规控制策略 目前主要分模拟量控制系统、顺序控制系统和自 动保护系统。模拟量控制系统或称反馈控制系统、回 路控制系统，平时讲锅炉控制系统，主要讲的就是这 方面的控制，即本节所讲的控制策略。 ( 1 )锅炉负荷负控制 首先要明确锅炉负荷指令是来自协调主控系统。 无论汽机和锅炉是单元制或母管制， 最终均要满足电 网调度指令，即参与电网的调峰、调频，实现机组稳 定和经济运行， 平衡机组出力与主辅机实际能力的差 异，过渡到新的平衡状态。本文以单元制机组 、机跟 炉方式来 阐述。 C F B的惯性大，锅炉负荷指令由电功率指令通过 前馈作主调量 ，加上偏差校正运算，再经变化率限制 及高低值限制后获得。通常当汽机侧不能承担主蒸汽 压力调节任务时，由锅炉负荷稳定主蒸汽压力，即锅 炉负荷指令由主蒸汽压力调节器输出经变化率限制及 高低值限制后获得， 此时汽机调速系统不接受协调系 统指令 ， 汽机主控调节器输出跟踪汽机调门阀位值。 锅炉负荷指令使燃料量和所需的空气量 ( 风量 ) 协同 改变，使输出蒸汽流量和参数与负荷指令相适应。 ( 2 )燃料控制 由锅炉负荷指令与实际总风量取最小值，经床温 校正后作为总燃料调节器的给定值， 锅炉燃煤量经发 热量补偿运算后为调节器的测量值 ， 调节器的输出经 自动分配算法后作为各给煤机和作为石灰石给定值。 ( 3 )风量控制 上述锅炉负荷指令所需风量与实际总煤量对应的 风量取最大值 ，并经烟气含氧量的校正，经最小值限 制作为总风量指令，保证做到 “ 升负荷时先加风后加 燃料、 或降负荷时先减燃料后减风” ， 即保证一定的过 剩空气量， 达到节能及防止冒黑烟的效果。 此为总风量。 总风量中一、二次风占比例最大，总风量指令按 预设定的函数关系分配为一次风量( 或称初始燃烧风 ) 和二次风量 ( 或称燃尽风 ) 指令。一次风量 ( 床下配 风 ) 指令经床温补偿后，与最小一次风量设定值相比 取最大值，作为一次风调节器的设定值，通过改变一 次风机入口导叶开度或一次风机转速完成一次风量的 调节；二次风量 ( 床上配风 ) 经床温和烟气含氧量补 偿后， 作为二次风调节器的设定值 ，通过改变相应的 二次风档板或二次风机转速完成二次风量的调节。这 里要说明的是大中型 C F B二次风可由两台风机提供， 即有上部和下部二次风，这要增加二次风压力调节回 路，为了确保正常运行时的经济性 ， 氧量调节功能通 过表示锅炉负荷的蒸汽流量， 经函数运算后，作为二 次风压力调节器的设定值的补偿。 2 0 0 6 年 第1 期中 阈 俄j 《 豫表 维普资讯 ( 4 )床温 、 床压控制 在燃烧室密相区安装多支热电偶，经床温综合运 算得出床温表征值，作为床温调节器的测量值；锅炉 负荷信号经函数转换作为床温调节器的设定值，调节 器输出分别经不同函数转换作为一次风调节器、二次 风调节器和燃料调节器的设定值的修正值，同时一次 风调节还必须受安全流化风量的限制，从而达到保证 C F B锅炉的稳定燃烧，优化和减少烟气中 S O ： 和 N O 的排放量。这为一组串级调节回路。 在物料按照炉膛一 分离器一 回料器一 炉膛的循环中， 通过对回料器下降段用风、 底部用风和上升段用风的 控制，即回料器配风控制 ， 构成回料器进口立管中的 物料形成的静压与炉膛床压之间的差压， 形成循环动 力， 保证物料的可靠循环。 通过测量料层差压信号作为被调量，根据主蒸汽 气流量经函数转换作为设定值，床压调节器 ( 床层厚 度调节器) 输出给多个排渣执行机构， 以完成床压控制。 ( 5 )石灰石给料控制 由给煤总量乘以比值再与 s 0 ： 含量经函数修正相 乘得到给定值，调节器输出控制石灰石给料机，保证 烟气中S O 排放量达到环保要求。 ( 6 )其它 与燃烧有关的尚有氧量控制、炉膛压力控制等， 其它还有给水 ( 气包水位 ) 控制、主蒸汽温度控制、 连排扩容器液位控制 、除氧器水位和压力控制等。 2 - 3英维思( F o x b o r o 为其成员) 的电力工业 自动化解决 方案 英维思公司在电力工业 自动化方面的实际应用业 绩很多， 如其下属上海 F o x b o r o 公司从 2 0 0 3 年起至今 为太仓港环保发电有限公司提供 3 8 号机组的自动化 系统，其中3 - 6号机组已投产，7 — 8号机组现正处于 试运转阶段。 7 ~ 8 号机组为 2 ~ 6 0 0 M W超临界螺旋管直 流炉，为上海锅炉厂引进美国 C E技术 ，变压运行， 单炉膛、四角切圆燃烧方式，一次中间再热， 制粉系 统为直吹式系统，采用 6台中速磨煤机、6台称重式 皮带给煤机 ，燃料燃烧系统的布置为 3层轻油枪、6 层煤燃烧器， 汽机为上海汽轮机有限公司引进美国西 屋公司技术。 中 网{ i 露 俄表2 0 0 6 年 第 1 期 维普资讯 ——■■脚y C o n n o i s s e u r 技术中进行优化方式分两部分：一是 燃烧的最优化，主要从以下 4 方面进行，即控制的理 想配比法 ( 整个炉膛的空气／ 燃烧 比) 、 燃烧器摆动度 、 一 次风、燃尽风的优化；二是限制因素控制 ，包括 ： 过量的O 、风机负荷、 调节风门位置的限制 ， 保证向 最佳运行点逼近，即实现 “ 卡边控制” 。 通过多项工程实践运行证明， 采用 A P C技术， 效 益很好。具体效益为：燃煤或天燃气的四角切圆燃烧 锅炉效果为： 热耗率改善 O ．4 ～ 0 ． 7 ％、 N O 降低 1 5 ～ 3 0 ％； 涡轮燃烧锅炉的效果为：热耗率改善 0 ．8 ～ 1 ．2 5 ％、N O 降低 1 O ～ 2 O ％。 2 ．4 D C S 等控制系统和 自动化仪表 以上控制策略和大量的数据采集 ( 目前已逐步实 现锅炉、汽机及电气部分统一在一个系统中) ，均有 赖于 D C S 等控制系统及 自动化仪表来实现。 控制系统 目前有 如下几种形式 ：全 厂 D C S 、D C S + P L C、D C S + P L C + F C S 、D C S + F C S 、D C S + 专用安全保护系统 ( F S S S 等) ， 而所有这些系统均上接以太网及计算机管理系统。 用于电力工业 自动化的D C S ， 要求实时处理能力 、 模拟量与开关量混合控制能力、事故顺序记录能力等 较强，对可靠性要求很高。而这方面的能力，我国有 多家 D C S 厂家生产的 D C S产品已经达到，能承担 l 0 万 k W、 2 0万 k W、 3 O万 k W 机组的电力工业 自动化系 统供货和系统工程。 部分厂家可以为 6 O 万 k W 以上机 组自动化系统供货， 有的厂家还取得核电供货资格或 已有工程业绩。 P L C系统用于辅机系统 、化学水处理车间的集中 控制及顺序控制的实例很多， 但作为电厂锅炉控制应 用实例极少。现场总线在电厂的数据采集等方面应用 实例较多，作为 D C S的远方 I ／ O设备已有成功实例； 目前作为电厂自动化的减少布线、缩短施工周期、现 场仪表智能化等方面的需求 日益迫切， 所以F C S 的前 景很好。 F S S S 专用锅炉炉膛安全监控系统，以前多与 D C S同时存在于锅炉 自动化系统中，但近来 F S S S功 能多用 D C S 来实现。 电厂自动化所需的现场检测仪表、分析仪表 、 变 送器、执行机构 、 现场就地后备操作仪表等 自动化仪 表，要求参数范围广、品种多、 精度高 、 环境条件苛 3 2 刻，国内大部分能生产 ， 今后还要在扩大品种方面下 功夫。 电厂实施了自动化以后，中央控制室已能做到面 积和人员减少，主要靠 C R T或 L C D液晶大屏幕和键 盘 、鼠标及少数按钮，实现人机联系，但目前机柜房 仍然庞大，接线繁杂，这个局面有待通过推广现场总 线技术来改变。 2 ．5 电厂管控一体化 在厂网分开 、竞价上网的形势下，火力发电厂的 信息化受到特别的重视。由于电力系统在国内计算机 信息管理系统应用方面， 实施较早 ， 加之与其它流程 T业相比有特殊性 ， 所以目前电厂信息系统架构如图 3所示 。 发电企业集团公 司 电力交易中心 电力j周度 l I J 心 ： ： ： 经营决策 信息 管理系统 ( MI S ) R T U负荷调度 ： ： 厂级监控信息系统 ( S I S ) ： D C S( P L C等 ) 图 3 发 电氽业 信息 系统架构 目前 M I S负责检修 、燃料、财务、物资、设备、 竞价上网管理等；S I S 负责运行监视、设备状态检测、 运行评估、操作指导、负荷分配等，这些功能满足了 管控一体化的一般需要。今后随着网络扁平化 、 互联 网技术发展 、 D C S 功能加强 、 系统集成技术成熟、 E R P ／ M E S ／ P C S 3 层功能划分的管控一体化技术的发展。 M I S 和 S I S的架构将会有所发展 。 目前 S I S建设的热潮已经到来，自动化仪表行业 的系统集成商应该参加到这个市场竞争中。 3输电、配电自动化及其它 由于水力发电机组容量的扩大 、 坑 口电站 的发展 ， 火力发电机组大型化及电网扩大 ， 所以输电、配电自 动化要求愈来愈高 ，而对于这个领域，自动化仪表行 业介入较晚，如继电保护类产品，以前是电器行业的 范畴，而采用半导体技术后，又由于按 “ 功能定向” 的方法发展，研制出的更新换代产品功能重叠 、 数据 2 o o 6 年 第1 期 阈 儇嚣 豫丧 维普资讯 氧复、 f — ， 维修难．1；f] 动化仪表{ l 小易介入， 烈能 l 产 电翳变送器等产 ： J i!i ~ J i lJ 一曲化系统发 展以后， ’ 走⋯数 化 f i t f t 、 集成化 、 删络化之路 日『m眦l b 曲 化包括觥线自动化、 幢电站 F I 动化、 蚍l乜管 系统、 孵 求删僻圳系统4个^【 f；l『 ．如变电 jL I 动化为r 代替人 州变电站进仃洲挝 、 峪拄干 l：I 运行 操作，挂本功能干 丁 ：数据果集 、数槲 汁算和处理 、 越 l裂干 状态雌 t c 桃、 关操作控制和闭锁、L j 继电保护交 换信息、自动控制的 ’ 侧车 f 1毗合、卜 j 变} 乜 站其它自动 化装 交换信息占 乏 j I I 一 心通价等 通常说的变电 站无人 、1 及 遥技术 ( 遥测 趱信 、遥控、邂渊 ) 即属 r 这个范畴1 9 9 5 5 川I蚓 供I U 会 义 特没上作 , b ~ ll 提f I 1 把I Iz 叫功能 和川户功能分 歼、把在线功能 和 汁划功能分J l ： 、把运行功能干 IJ 维修T作分开 原则， 井把 l 一动化划分 l 删运 行 、 运行 汁划 及其优化 、 维修锊理 用 联 系和控 制 4个纠 【 ． 这 配电 一动 化 奠定 r 功能 架J1=I 动化仪表钉、I 住这总桠架下，将 大订作 为 近 悉电 J 线载 波技 术 ( D I ， lJ ．I ) ig i ta l P o w e l - L i n e ) 取得荫大突破 ．町以宴脱利用 I b 嗍为家庭 和 1 中小公 n J 提供数 }乜沂、 传真搜 f： J{ ；】{ 通信服务． L n n wn r k s 等现场总线[] 以川I 力线作为 I 、 lk 数宁传输介质， 这 将 是新的技术增 长点 『 b J 叫址 分 给 川 t一 电 能 的 电 力 ．分 高 ( 3 5 ～ 1 l O k V) 、l l I ( 1 O k V) 、低 ( 0 ． 4 k V)配I 网．而输 电『叫． 婴址指商l 』 远 离、夫窬} I } 输电线路 ． n前以交流输电为卞、 远 离直流输I电为辅． ． 电网传 输 肚彻 “ I乜尔输 、 南北 供 、 全 联网”发 战 略 ． 令旧 3 3 J v硬以l 虹争7 5 J v) 的线路将达到 l 1 0 万 k m以 m i 输电n动化对现场总线和见线通信技 术要求很迫切，这仃待闩 HE 仪表{ 、I k 参 j 电力系统洲度自动化将建 、 住㈨此臣犬电I]【_4 的基 硎 { 所以硬、软件h - 的f L 务均， }{ 多．这将为 “ I 。 ．五”规划开辟众多新课越，其一 l I 电J 】 系统一动化发 ■薯 sU ■^■ 通信系统的建设和预防性霞仝、经济州度等课题．自 动化仪表行业将大订n 1． 为 哭1 ： 电厂仿 系统或称培训系统 ，当然其主要功 能是为没计 t 、运f 、实验f fii 设，足 -利r 彳 『 川的 1 。 但足I h下采t t 川’算机技术后，人f J 【 l町 逼真硬锅炉等 控制埘象的特性仿真或缱楔准确等原因．所以 先是 操 作人 员、绯护人 员 、 管卵 人 l 蚺 jJ J 【 的适 H J L 具 一 般电站仿真系统“ { 操作站 、操作系统、数据席系统 、 伤真系统软件歼发支撑系统、模 软件等部分组成， n前国 内已有这 ， J 而的r ， ： 品 、今后，I ) C S制造厂 t f』 ．应 逐步做到随 程提供 l ：l的仿真系统．起刊事半功 俯的作用 4结束语 c 1 ) 电力 I ． 业n动化I f I ， 现场仪表是 常重要的． 本文虽然淡艘 r 一 f乜 厂 自动化仪农具宵品科 一 多等特 点，似是对于仪器仪表 l - , Ik 来说，其中内 还有很多 需要做更{{ I{ 人的探讨 ( 2 】 仪器 仪表制造行业应 _j l乜， 】 部f J 或 l， J 生设 符制造 部门进 步联 I；{ i ．健进 I U J川 一动化仪表制 造、 l 的发展如展近 f 海电 C( 集 ) ．公 FIJ 将人卡 』 海 F 1 动化仪表}投份有限公t d ．K远来蜕．这将对 I 海 I 乜 力 没箭成套供 货能力 硬l U J e l 动化仪表制造 能 力提 升起很好的作川 ( 3 ) 我 闻对 『乜 J I 、l 的 发腱一 很 币视 ． 此 ． 1 U 力] i ~l k 自动化| 殳 备的Iq广 ： 化牢较 今后还随从节 能 、 环 保及提高 可靠一H -： 、 全忡 方而继续努 参考文献 l 电厂 n动化2 0 0 5 ， 2 ． 2 优化公 r f】 资产改进 绩傲． I V E N S Y S 技术资料． 2 0 0 5 ． 6 ． 3 邬 F S S S系统前 6 0 0 MW火电机组仿真机的仆发和 成用．P L ( &F A．2 0 0 5 ． 9 4 正岗． 循环经济和自动化．自动化博览， 2 0 0 5 ，4 ． 作者简介： ’ 正岗．教授级商工． 享受政府津贴 ， 多年从事自动化仪表和系统的研究和应用工作 ． 现为 中国仪器仪表行l【 胁会现场总线专业委员会技术顾问 曾获得中国有色总公司科技进步一等奖， 原国家机械 郡科技进步i等奖．发表论文5 0 余篇．． 中周俑嚣慷表 2 0 0 6 年第1 期 3 3 维普资讯