自動化技術(shù)在電廠節(jié)能減排中的應(yīng)用研究

華電電力科學(xué)研究院有限公司 雷璐源

1 引言

火力發(fā)電廠作為我國電能供給的重要成員，從長遠(yuǎn)來看，仍然是電力供應(yīng)的主力軍。在當(dāng)前社會注重環(huán)保、節(jié)能減排的大環(huán)境下，如何優(yōu)化火力發(fā)電廠的節(jié)能減排問題是大眾越來越關(guān)心的熱點。目前，我國多數(shù)發(fā)電廠的節(jié)能減排工作距國際上發(fā)達(dá)國家還有一段距離，節(jié)能減排技術(shù)面臨許多方面亟待改進(jìn)，如何提升發(fā)電廠的發(fā)電效率，增加能量轉(zhuǎn)換率、降低能量消耗、減少廢氣排放依然是發(fā)電廠當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題。

2 發(fā)電廠能耗現(xiàn)狀

火力發(fā)電廠能耗情況統(tǒng)計詳見表1。表中對十三座以煤為燃料的火力發(fā)電廠能耗效率統(tǒng)計，可以看出，無論煙煤還是貧煤，3級能耗均占比較大，能耗程度嚴(yán)重。

表1 火力發(fā)電廠能耗情況統(tǒng)計

為了了解不同能耗在我國火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程中的占比情況，對火力發(fā)電廠整體的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研[1]，結(jié)果如圖1所示，1級能耗的燃燒設(shè)備市場占有率低，為6.84%，2級能耗的燃燒設(shè)備市場占有率為45.12%，占比最高的是三級能耗的燃燒設(shè)備，為48.05%。

圖1 發(fā)電廠各能耗級別燃燒設(shè)備占比

多數(shù)火力發(fā)電廠均存在能耗較高的情況，多數(shù)火力發(fā)電廠缺乏燃料預(yù)處理環(huán)節(jié)，而是將原煤、塊煤直接放入鍋爐設(shè)備中進(jìn)行燃燒，造成燃料未能充分燃燒、能源浪費(fèi)，且發(fā)電廠設(shè)備相對落后，能耗較大，缺乏自動化生產(chǎn)技術(shù)，未能及時有效獲取電廠運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，最終造成火力發(fā)電廠工作效率不高，節(jié)能減排效果一般。

3 發(fā)電廠節(jié)能減排中存在的問題

3.1 自動化控制及監(jiān)測水平較低

電廠各設(shè)備在工作過程中均按照既定模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有實時動態(tài)監(jiān)測管理，自動化控制水平較低，限制了作業(yè)人員對電廠運(yùn)行狀態(tài)的把控和管理[2]。在實際工況中，發(fā)電廠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會受到外界多種因素的干擾，無法保證其工作過程中始終處于最佳的工作狀態(tài)，造成發(fā)電廠設(shè)備長久以來低效率運(yùn)行，增大了能耗，也縮短了火力發(fā)電廠設(shè)備的使用年限。針對這種情況，需要采用自動化技術(shù)，提升其智能化控制水平，且引進(jìn)豐富工作經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)人員對發(fā)電廠運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)節(jié)，為電力企業(yè)減少成本支出，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 燃料燃燒問題

燃料的燃燒效率直接影響到鍋爐設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率，使燃料充分燃燒，提升其燃燒效率是改善電廠能效、降低能量損耗、做好節(jié)能減排工作的關(guān)鍵因素，也是目前火力發(fā)電廠必須面對的難關(guān)。多數(shù)火力發(fā)電廠缺乏燃料預(yù)處理環(huán)節(jié)，主要以直接投放式燃燒為主，但原煤、塊煤中雜質(zhì)成分含量高，且有害物質(zhì)較多，最終造成火力發(fā)電廠鍋爐燃燒效率不高，能量損失嚴(yán)重，且燃燒尾氣嚴(yán)重污染環(huán)境，如何令燃料最大程度地燃燒來避免燃料的浪費(fèi)，進(jìn)一步完善發(fā)電廠節(jié)能減排工作是值得思考的問題。

4 自動化技術(shù)在電廠節(jié)能減排中的應(yīng)用

4.1 預(yù)測控制算法

預(yù)測控制算法是預(yù)測未來行為并對其進(jìn)行相應(yīng)控制的算法，工作流程首先是借助相關(guān)算法模型進(jìn)行預(yù)測，對生產(chǎn)過程實時刻畫，依據(jù)迭代優(yōu)化得出的精確指標(biāo)將所關(guān)注的控制量按時間排列[3]，使得在后期運(yùn)行時間里，被控制量和預(yù)測軌跡之間的偏差值降到最小，最終，將模型導(dǎo)出的預(yù)測值與實際輸出值進(jìn)行對比，并對控制算法進(jìn)一步校正。

該算法的理論分析缺乏深度，應(yīng)多積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)自身工作機(jī)理靈活變通，探索科學(xué)精準(zhǔn)的分析手段。算法對于非線性工況的估測，未能貼切控制計算過程，應(yīng)強(qiáng)化滾動優(yōu)化環(huán)節(jié)。在確定最優(yōu)方案的預(yù)測模型下，從“重結(jié)構(gòu)輕功能”理念轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸毓δ茌p結(jié)構(gòu)”理念，打破傳統(tǒng)思維算法模型的框架，引入新想法、拓展新思路，以多種豐富知識為基礎(chǔ)，打破舊的結(jié)構(gòu)約束，創(chuàng)建新的模型算法，進(jìn)行估算測量。采用合適的反校正方法，即預(yù)測值、實際值有偏差時，要進(jìn)行優(yōu)化修正，多次迭代之后，將誤差控制到最小值，以達(dá)到最希望的效果。

4.2 現(xiàn)場總線技術(shù)

據(jù)相關(guān)資料表明，我國目前火力發(fā)電廠行業(yè)內(nèi)高損耗的設(shè)備數(shù)量較多，這些設(shè)備配置簡陋、技術(shù)程度較低，其設(shè)計和投產(chǎn)已經(jīng)落后時代發(fā)展，不能滿足目前國際環(huán)保要求及相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠節(jié)能減排方面優(yōu)點顯著，其基于計算機(jī)軟件控制，借助PC 技術(shù)，一定程度上減少了現(xiàn)場設(shè)備的安裝數(shù)量，降低了電廠控制基站的占地空間[4]。該技術(shù)的安裝工藝要求較低、易于操作維護(hù)、使用方便。在實際工況中，該技術(shù)的一條線路上有多個設(shè)備接口，可以同時串聯(lián)多臺設(shè)備，有效節(jié)省了更多的資源，保證電廠安全運(yùn)行，全面提高火力發(fā)電廠工作效率的同時做好降損工作。

4.3 DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用

DCS 系統(tǒng)具有較高的自動化控制水平，DCS 系統(tǒng)如圖2所示，能夠控制工業(yè)鍋爐、汽輪機(jī)及其他設(shè)備的智能運(yùn)行，最終實現(xiàn)電廠的智能化運(yùn)營。回路控制單元控制整個電廠生產(chǎn)工藝流程，通過1—N 個設(shè)備接口與顯示屏、上級管理計算機(jī)、打印機(jī)進(jìn)行通信連接，及時監(jiān)測電廠動態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電廠運(yùn)營信息綜合管理，一旦發(fā)生設(shè)備故障也會有預(yù)警提示，通知檢修人員第一時間到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行處理，減少了故障停時，且電廠實際運(yùn)行中，還可以降低污染，控制能源消耗量，推動電廠資源的合理利用，最大程度減少資源耗損[5]。

圖2 DCS 系統(tǒng)

在電廠實際應(yīng)用中，分散控制系統(tǒng)主要有兩項問題，一是電廠運(yùn)作中，被監(jiān)控的設(shè)備數(shù)量較多且密度大，影響到整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，雖然分散控制系統(tǒng)本身的可靠性較強(qiáng)，但整個電廠電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性并未實質(zhì)上提高；二是設(shè)備網(wǎng)絡(luò)安全問題，在電廠熱力系統(tǒng)中，風(fēng)煙、燃燒及汽水系統(tǒng)等子系統(tǒng)在電廠運(yùn)行中是緊密相連的，但在DCS 系統(tǒng)中，這些功能包含在不同的控制單元中，造成各單元處理器之間存在較大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理量。要想解決這種問題，需要增強(qiáng)DCS 系統(tǒng)處理器的配置，完善DCS 網(wǎng)絡(luò)報警系統(tǒng)，關(guān)注各子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及實時狀態(tài)，配備可靠性較好的電源切換設(shè)備。

4.4 變頻技術(shù)的應(yīng)用

變頻技術(shù)是基于自動化控制技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)等基礎(chǔ)上建立的，主要依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入f之間的比例數(shù)值，通過改變電機(jī)電源的f 值來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實現(xiàn)電能資源的合理利用。據(jù)實際調(diào)研，在以往發(fā)電廠能耗較高的鍋爐設(shè)備中，鍋爐整體運(yùn)作過程負(fù)荷效率極低，80%以上的鍋爐低于出廠設(shè)計的效率運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了鍋爐在發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)換效率顯著下滑。電廠采用變頻技術(shù)后能夠充分降低生產(chǎn)過程中能源損耗，為電廠無功補(bǔ)償、功率因數(shù)和動態(tài)響應(yīng)等環(huán)節(jié)提供了便利，在電廠節(jié)約資源的同時創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)利益。

4.5 碳素燃燒自動化控制技術(shù)的應(yīng)用

針對發(fā)電廠燃料投產(chǎn)線未對燃料進(jìn)行預(yù)處理、直接將燃料送到鍋爐內(nèi)進(jìn)行燃燒而造成的能源浪費(fèi)情況，東北某公司經(jīng)多次試驗，研究出了碳素燃燒自動化控制技術(shù)，該技術(shù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)壓力自動控制、智能燃料添加、智能加熱控制等多種自動化功能。電廠還可以采用脫硫技術(shù)對原始燃料進(jìn)行粉碎及脫硫操作，利用粉煤的方式擴(kuò)大煤的燃燒接觸面積，提升燃燒效率，脫硫技術(shù)還可以去除燃料中的大量雜質(zhì)，改善燃燒質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)鍋爐燃料燃燒效率提高的目標(biāo)，降低能源損失。

為充分發(fā)揮自動化技術(shù)在發(fā)電廠節(jié)能降耗工作中的作用，一方面，加強(qiáng)發(fā)電廠工作人員的教育和培訓(xùn)工作，派出專業(yè)技術(shù)人員借鑒和學(xué)習(xí)其他國家火力發(fā)電廠的優(yōu)勢和經(jīng)驗，參考其節(jié)能減排工作方式，在熟練掌握電廠設(shè)備自動化技術(shù)的使用操作基礎(chǔ)上，以“提高工作效率、節(jié)能減排”為導(dǎo)向，結(jié)合自身電廠設(shè)備的節(jié)能減排的實際工作情況對電廠設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的改進(jìn)設(shè)計，完善電廠的工作運(yùn)行方式。另一方面，每月組織各方就電廠近期節(jié)能減排工作進(jìn)行總結(jié)復(fù)盤，對當(dāng)月的能耗工作進(jìn)行分析討論，找出不足，給出解決方案，并對下一步的節(jié)能減排工作指明發(fā)展方向。

5 結(jié)語

本文從發(fā)電廠的能耗現(xiàn)狀出發(fā)，探究了電廠節(jié)能減排工作中存在的一些問題，并介紹了預(yù)測控制法、現(xiàn)場總線技術(shù)、DCS 系統(tǒng)技術(shù)、變頻技術(shù)、碳素燃燒技術(shù)等自動化控制手段，多重保障電廠在節(jié)能減排工作過程中的能量消耗，提高其工作效率，推動發(fā)電廠行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)發(fā)電廠經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能減排的雙贏。