火電廠(chǎng)現(xiàn)有控制系統(tǒng)發(fā)展智慧電廠(chǎng)的可行性分析

趙書(shū)培

摘要：眾所周知，火力發(fā)電廠(chǎng)作為現(xiàn)代社會(huì)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(gè)社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程水平。目前新投產(chǎn)火電機(jī)組已經(jīng)擁有了較高的自動(dòng)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(chǎng)，成為當(dāng)下電力系統(tǒng)人員所思考和研究的問(wèn)題。本文從目前火力發(fā)電廠(chǎng)普遍運(yùn)用的控制系統(tǒng)角度出發(fā)，結(jié)合運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，對(duì)智慧電廠(chǎng)發(fā)展中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析。

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

前言

對(duì)于智慧電廠(chǎng)的發(fā)展，電力發(fā)展《“十三五”規(guī)劃》對(duì)其進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)闡述。其中指出：發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，開(kāi)展發(fā)電過(guò)程智能化檢測(cè)、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(jī)組、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、重型燃?xì)鈾C(jī)組、核電機(jī)組等領(lǐng)域先進(jìn)運(yùn)行控制技術(shù)與示范應(yīng)用。由此可見(jiàn)，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(jìng)爭(zhēng)力，聚焦現(xiàn)有電廠(chǎng)升級(jí)改造，智慧電廠(chǎng)的興起既順應(yīng)時(shí)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(chǎng)概念

現(xiàn)階段對(duì)智慧電廠(chǎng)的定義尚無(wú)統(tǒng)一定論。一部分人認(rèn)為智慧電廠(chǎng)是數(shù)字化電廠(chǎng)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(chǎng)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(lèi)特點(diǎn)。還有人認(rèn)為智慧型電廠(chǎng)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(wú)論怎樣，這些理念都需要一個(gè)集感知、計(jì)算、決策與一體的平臺(tái)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，才能將這些理念進(jìn)一步發(fā)展。

2.機(jī)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(chǎng)普遍采用的DCS控制系統(tǒng)來(lái)完成電廠(chǎng)主體設(shè)備的控制、監(jiān)視、報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄和追憶。相較于DCS控制系統(tǒng)，部分電廠(chǎng)對(duì)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(hào)作用下，按照預(yù)先送入的程序控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定規(guī)律動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化操作。以上配置加上機(jī)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(dòng)化電廠(chǎng)要求，但在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化程度依然很低，需要投入大量的運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)整。

3.智慧型電廠(chǎng)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(chǎng)的運(yùn)行調(diào)整相較以前已經(jīng)有了很大發(fā)展，特別是新建機(jī)組中自動(dòng)化程度顯著提高，已經(jīng)初具自動(dòng)化電廠(chǎng)模型。但在常規(guī)調(diào)整中，控制系統(tǒng)的實(shí)際控制效果確實(shí)不盡如人意。

3.1 機(jī)組控制系統(tǒng)分散

為了節(jié)省成本，以往的電廠(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)根據(jù)主輔網(wǎng)運(yùn)行特性的不同采用不同的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。這種情況下，很容易造成一個(gè)電廠(chǎng)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(chǎng)信號(hào)和管理內(nèi)容數(shù)字化的要求，需要實(shí)現(xiàn)主輔控制一體化控制系統(tǒng)。即使不能實(shí)現(xiàn)一體化控制，也需要通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠(chǎng)完整數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)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(chēng)主控系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以使機(jī)組實(shí)現(xiàn)最基本的自動(dòng)化要求，但實(shí)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(dòng)干預(yù)，無(wú)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(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，由于燃料燃燒及給水蒸發(fā)具有一定的滯后性，對(duì)機(jī)組的調(diào)整會(huì)造成一定的影響。特別是由于設(shè)備問(wèn)題需要快速甩負(fù)荷時(shí)，由于燃料跟蹤滯后，蒸汽壓力的控制往往無(wú)法靠協(xié)調(diào)來(lái)控制。所以系統(tǒng)的優(yōu)化中需要根據(jù)機(jī)組的給煤特性及給水特性進(jìn)行整定，對(duì)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(guò)調(diào)的情況。

3.3 設(shè)備監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)

近年來(lái)，由于節(jié)能、環(huán)保政策標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，火電廠(chǎng)紛紛進(jìn)行了環(huán)保改造。以脫銷(xiāo)系統(tǒng)的改造為例，改造以后對(duì)于鍋爐尾部煙道內(nèi)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)提出極大考驗(yàn)。同時(shí)，配煤摻燒在火電機(jī)組的應(yīng)用也日漸普遍，但由于配煤值班人員對(duì)人廠(chǎng)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(duì)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(duì)入爐煤監(jiān)測(cè)不足外，對(duì)爐膛內(nèi)的燃燒、受熱監(jiān)測(cè)整合同樣不足，造成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)集成度低，不能及時(shí)匯總分析也是其主要原因。在運(yùn)行中將制粉系統(tǒng)煤粉濃度監(jiān)測(cè)、爐膛內(nèi)燃燒溫度監(jiān)測(cè)、受熱面積灰程度監(jiān)測(cè)、尾部煙道煙氣溫度、阻力監(jiān)測(cè)等優(yōu)化后加上預(yù)測(cè)控制、PID自整定等先進(jìn)控制算法，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行與機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，將助力機(jī)組運(yùn)行中的擾動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化水平。

3.4 故障自診斷能力差

目前，發(fā)電廠(chǎng)機(jī)組設(shè)備運(yùn)行中故障報(bào)警觸發(fā)大多數(shù)采取追蹤參數(shù)絕對(duì)值，各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)也僅顯示實(shí)時(shí)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(bào)警較為單一，監(jiān)測(cè)難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

運(yùn)行中為了避免設(shè)備運(yùn)行異常發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，在設(shè)備故障監(jiān)測(cè)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(gè)問(wèn)題。SBM建模是在確定建模對(duì)象的基礎(chǔ)上導(dǎo)入歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的過(guò)濾，選取相對(duì)的狀態(tài)矩陣從而建立模型。采集設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)期望值實(shí)時(shí)比較，對(duì)其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程在線(xiàn)展示，在故障發(fā)生階段進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)提醒維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

4.運(yùn)行設(shè)備的可視化管理

智慧電廠(chǎng)的目標(biāo)是電廠(chǎng)能根據(jù)AGC指令自動(dòng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)，并能對(duì)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(dòng)調(diào)整運(yùn)行方式、負(fù)荷高低，通知人員檢修。那么，電廠(chǎng)整體設(shè)備運(yùn)行的可視化管理便至關(guān)重要。

目前階段火電廠(chǎng)設(shè)備可視化管理主要依賴(lài)廣泛使用的廠(chǎng)區(qū)工業(yè)電視（CCTV），實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，依靠SIS（Supervisory Information System）廠(chǎng)級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電廠(chǎng)范圍內(nèi)信息共享和全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)信息監(jiān)控。但是兩者都僅能提供的設(shè)備運(yùn)行信息，不具備自主監(jiān)測(cè)分析報(bào)警功能。

可視化管理可以從全景可視化、人員管理可視化、機(jī)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(lái)了解廠(chǎng)區(qū)基本運(yùn)行情況，利用認(rèn)證對(duì)比等技術(shù)應(yīng)用，結(jié)合定位系統(tǒng)掌握人員動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)檢系統(tǒng)的應(yīng)用等實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程可視化，通過(guò)將這些信息匯總分析，可以使電廠(chǎng)智能化，同時(shí)也能更好的保證機(jī)組安全運(yùn)行。

當(dāng)前電力系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)引進(jìn)巡檢機(jī)器人，利用GPS定位系統(tǒng)、紅外熱成像溫度檢測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)、噪音、溫濕度、氣體等傳感器，可以隨時(shí)對(duì)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(cè)和分析階段，并不能與機(jī)組的控制系統(tǒng)相兼容，未來(lái)有望建立起設(shè)備基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)掛接智能技術(shù)實(shí)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(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)深入推進(jìn)，以及電力體制改革大力實(shí)施，智慧電廠(chǎng)已經(jīng)成為電廠(chǎng)發(fā)展新趨勢(shì)。智慧電廠(chǎng)發(fā)展建設(shè)過(guò)程中所面臨的問(wèn)題不僅僅是控制系統(tǒng)的問(wèn)題，人員因素、監(jiān)測(cè)手段、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及測(cè)量?jī)x表對(duì)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(tái)不會(huì)直接改變最終結(jié)果，但它卻是智慧電廠(chǎng)建設(shè)過(guò)程中最重要的一環(huán)，利用先進(jìn)控制方法開(kāi)發(fā)的電廠(chǎng)控制優(yōu)化系統(tǒng)，組建全廠(chǎng)一體化操作監(jiān)測(cè)平臺(tái)，再加以設(shè)備改造，智慧電廠(chǎng)的時(shí)代終將到來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1]《智慧電廠(chǎng)怎么建？發(fā)電企業(yè)如何轉(zhuǎn)型？》 中國(guó)能源研究會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)、節(jié)能減排中心主任 王凡

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

（作者單位：大唐信陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司）