電廠熱控自動化改造技術探索

鄭州裕中能源有限責任公司 楊 楊

1 電廠熱控自動化的改造背景

1.1 電廠熱控運行情況

本電廠有2臺300MW進口機組，以中儲式直流鍋爐為主，原有的DCS分布式控制系統主要作為熱控系統發揮作用，在實際運行中發現機組存在較多問題，且應用的監控設備和方式較為單一，難以滿足當前自動調度系統以及自動發電的運行要求，容易給后期的維護改造帶來難度。該電廠應用鍋爐為母管制供熱機組，鍋爐的控制主要分散在三個控制室，以“一對一”的人工操作方式，對各個鍋爐的運行進行操作和控制[1]。且現場用于監測鍋爐運行情況的設備以常規儀表為主，存在檢測精度低、故障率高的問題。

1.2 電廠熱控自動化的改造思路

基于電廠熱控自動化的發展趨勢和方向，該電廠在充分考慮自身實際運行情況和存在問題的前提下，考慮從DCS系統的角度出發，以系統改造的方式來提升電廠熱控自動化的實際效果。基于此，在電廠熱控自動化改造中，將分散控制系統作為第一選擇，在應用DCS系統進行控制的基礎上，借助全程監控系統來對電廠的生產運行過程進行實時監控，明確實際運行中的各類數據。同時，對當前應用的DCS系統進行改造，重點從模擬量調節、爐膛安全監控、脫硫除塵等角度對系統的功能模塊進行優化。

從電廠具體的生產設備角度來看，以電廠生產運行依賴的鍋爐設備為例，該電廠的每臺鍋爐依靠一套連鎖保護系統進行保護控制，控制回路由常規繼電器構成，一套DAS系統用于顯示相關設備的主要運行參數。用于鍋爐的自動調節系統套數只有汽包水位、爐膛負壓、主汽溫度三套[2]。為滿足電廠熱控自動化的運行發展需求，需要對鍋爐控制系統進行改造，讓其能夠與優化后的鍋爐設備協同應用，發揮作用。

2 DCS系統在電廠熱控自動化改造中的應用分析

DCS系統組件在現場熱控自動化改造中具有明顯的優勢，能夠通過對系統控制方案與控制邏輯的不斷優化，提升實際的控制水平。結合電廠實際運行的經驗和情況，從具體的熱控自動化涉及的相關設備出發，應用DCS系統來實現對于設備的改造，注重提升設備運行的穩定性，能夠為電廠的經營發展獲得良好的經濟效益。基于此，對DCS系統在本電廠熱控自動化改造中的應用主要從以下方面入手。

2.1 DCS系統設計要求

DCS系統是一種主要依托計算機信息技術，實現對整個生產過程集中式的監控、管理和分散控制，該系統通常由監測和通訊兩個部分構成。在電廠熱控自動化中發揮DCS系統的作用，應能夠結合電廠的實際運行情況來確定系統設計的總體方案和思路。在鍋爐控制部分，考慮保障設備電源的穩定性和安全性，對DCS系統中控制器的選擇劃分應參考鍋爐應用的工藝或相關的控制系統，各個控制器應能夠涵蓋所屬系統的所有I/O點數。其中，對I/O模塊的設計，應注重優化冗余配置，并考慮充足的余量，以便能夠為后續技改增加所需的點數。對數據采集系統的設計，應能夠與實時監控系統結合起來，涵蓋現有的I/O點數，方便相關人員對鍋爐的運行情況進行監測。

在通訊系統部分，重點強調避免因多條單線路用于配置引起的通訊癱瘓問題，同時也應考慮配置多臺位機，減少電腦故障問題發生的概率。在脫硫除塵系統部分，應能夠以貫徹節能減排理念為主對其進行改造。將脫硫除塵的超低排放標準作為系統改造和優化的主要依據，引入更先進的脫硫裝置和脫硫工藝技術，將實際的脫硫除塵工藝系統與監控系統結合起來。這一過程中應注重保留好脫硫除塵系統與DCS系統的接口連接。

2.2 汽包水位控制系統

基于DCS系統的應用特點，對電廠熱控自動化的改造，應提高對鍋爐汽包水位控制系統的重視。電廠應用的鍋爐本身是一個動態特性較為復雜，且對鍋爐自身運行情況要求較高的設備，對鍋爐微機控制系統的設計，應在了解實際的生產過程控制需求基礎上，發揮算機先進技術的作用。

基于此，考慮引起鍋爐汽包水位變化的主要因素包括：空氣流量和給水流量的變化兩種情況，在受到主動擾動干擾的情況下，基于汽包物質平衡關系的原理，可以應用以下公式來代表汽包水位的動態特性：F（t）=QW（t）-QD（t），式中：QW（t）代表給水流量的蒸汽流量，QD（t）代表進出汽包的蒸汽流量，F（t）代表汽包水位的變化。依據這一原理，在電廠熱控自動化的運行中，可以直接應用給水流量變送器，蒸汽流量變送器等檢測儀器檢測到蒸汽流量、汽包水位等參數的變化情況。

汽包水位本身是一個無自平衡能力的控制對象，汽包水位的變化既不能影響給水量，也不會影響蒸發量。結合案例電廠應用300MW機組的運行需要，主要借助DCS系統來對鍋爐給水控制系統進行改造，結合以上原理，可為300MW機組配置3臺給水泵，其中包括兩臺汽動給水泵和1臺電動給水泵，電動給水泵主要作為備用泵使用。運行機組主要能夠通過汽包水位控制系統和給水泵最小流量控制系統，來實現針對汽包鍋爐的給水控制。

具體而言，基于DCS控制系統的汽包水位控制系統，是一個以維持鍋爐進出水平衡為主要目的的系統。系統運行中，需要將汽包水位作為進出水量是否達到平衡狀態的主要控制指標，以調節給水流量大小的方式，保障和提升鍋爐設備的蒸發效率。在這一前提下，考慮電廠鍋爐實際運行中會受到機組負荷突然增加而產生的“逆響應特性”影響，出現虛假水位的情況，在實際改造中，應能夠結合鍋爐的運行情況，從單沖量、雙沖量以及三沖量中選擇更合適的控制方式。

設置給水控制系統的控制目標為：汽包水位均勻量在±230mm左右，水位控制在中間值附近，水位的偏差應≤±10mm。本廠選擇應用串級三沖量的給水控制方式（如圖1所示），該控制系統由主調節器、副調節器和汽包水位、給水流量、蒸汽流量在內的三個沖量構成。其中，主調節器是PI調節器，能夠依據水位的偏差產生給水流量的給定值，副調節器是一個給水流量調節器，能夠依據給水流量的偏差來控制給水流量。整個系統為一個前饋-反饋的雙回路控制系統。

圖1 串級三沖量給水控制系統結構

2.3 母管協調控制系統

母管協調控制系統主要是考慮機組為母管制抽汽供熱機組的情況，電廠原有鍋爐為75t/h次的高壓自然循環爐，以控制器來發揮控制功能。考慮外熱網本身的變化較大，單臺鍋爐出力的情況下難以調節母管壓力，因而需要通過人工負荷的方式來設置運行，這就導致難以滿足壓力自動控制的需求。基于此，考慮以實現壓力自動控制為主要目的，發揮DCS系統作用來減少壓力波動，進而降低燃料消耗量，從而滿足電廠的節能消耗需求。

具體而言，考慮單個鍋爐在燃燒煤粉、加熱蒸汽、壓力產生的整個過程通常存在較大的時間延遲，可基于以下公式來對其延遲時間進行計算：，式中：Pn代表鍋爐n的輸出壓力；Fn代表鍋爐n的燃料輸入；An、Bn代表數學模型系數；Tn代表鍋爐n的延遲時間常數。

對這些存在大延時現象的鍋爐，應用簡單的PID控制方法，很容易受到控制操作方式不規范的影響，導致原本處于穩定運行狀態的對象大幅震蕩，難以滿足壓力自動控制的要求。在考慮這一問題的基礎上，結合母管制供熱機組的運行特點，要求在改造中依據鍋爐和各個用汽設備來決定母管內的壓力。這一過程應基于以下公式：，式中：P代表母管壓力；S代表母管截面積；Pn代表鍋爐n的輸出壓力；Sn代表鍋爐n的出汽管截面積；Pm代表用汽設備m的輸入壓力；Sm代表用汽設備m的入汽管截面積。

在明確這一原理的前提下，設計以一臺計算機來作為實際的鍋爐運行壓力控制裝置，借助TCP/IP網絡讀寫控制器中的數據，滿足對鍋爐燃料輸入量進行操控的要求。控制系統的改造結構如圖2所示。在應用該系統結構的情況下，即便計算機本身出現故障，也能夠及時回到現有的控制結構，以此來保障整個鍋爐控制系統的穩定運行。

表1 控制系統改造結構組成

2.4 鍋爐爐膛安全系統

對鍋爐爐膛安全系統的優化改造，以保障鍋爐燃料燃燒操作的安全為主，其應包括爐膛吹掃、主燃料跳閘等能夠實現安全控制的功能。基于此，對應用DCS系統原理的鍋爐爐膛安全系統進行優化設計，應包括主控單元、壓力監測系統以及火檢三個主要的部分。其中，主控單元以可編程序控制器為核心，能夠發揮采集現場數據、邏輯判斷和邏輯運算的功能，并能夠依據運算的結果來對鍋爐進行實時控制；壓力系統由壓力平衡柜、壓力取樣器構成，該系統主要負責完成鍋爐爐膛內的壓力取樣，進而將取樣結果傳給主控單元進行邏輯判斷和顯示；火檢主要安裝在爐體的相應部位，依據火檢探頭送出的模擬信號，為系統提供爐膛內的燃燒工況作為判斷依據。

對鍋爐爐膛安全系統的設計，應能夠考慮系統實際運行中爐膛壓力、汽包水位變化等需要停爐檢查和維護的情況，要求系統能夠在檢測到以上參數變化超過標準時，向驅動鍋爐運行的相關設備發出動作信號，避免故障或事故的進一步擴大。同時，為保障系統線路的運行安全，避免出現PLC邏輯回路重復跳閘的情況，還可以增加保持繼電器來實現動作保持設計，保障鍋爐保護動作后的安全。

2.5 脫硫除塵系統

對電廠熱控自動化中脫硫除塵系統的改造，也可以發揮DCS控制系統的作用。電廠可以基于脫硫超低排放的相關標準，對電廠燃煤機組脫硫除塵涉及的吸收塔進行設計和改造，以增加高效均流裝置和增加噴淋層的方式，對新增噴淋層和配套的漿液循環泵來進行優化設計，以高效除塵噴霧裝置代替原有的除霧裝置。同時也能夠對現有的噴淋層管道進行維修。

基于此，在電廠現有DCS控制系統框架的前提下，可以增設一臺DCS端子機柜，并對現有的DCS模件柜多功能處理模塊進行升級和更換，升級脫硫DCS歷史站。在現有漿液循環泵的出口管道處，也可通過增加壓力測點的方式，新增與漿液循環泵進出口管道配套的壓力測點，以硬接線方式接入脫硫DCS。而針對該系統中應用的高低壓直流供電裝置，也可以通過可編程控制來達到自動控制的目的。在這一過程中，也應設置一套與之相聯系的計算機監控系統，用于對系統整體的運行情況進行實時監控，以便能夠及時對系統運行情況進行維護和管理控制，進而保障電廠相關系統的運行安全。

綜上所述，DCS系統的設計應用能有效推動電廠朝著熱控自動化的方向發展，滿足現階段電廠供應電力資源的需求。結合當前電廠熱控運行的實際情況，以系統改造為主要目的，發揮DCS系統在熱控自動化中的作用，圍繞電廠鍋爐、脫硫除塵等方面的設備和要求，規劃DCS系統的具體應用模塊和功能，不僅能夠有效保障電廠熱控自動化運行的安全，也能夠通過對電廠的控制來提升運行效率。