第五节　计算机控制系统在火电厂中的应用

一、过程控制计算机

过程控制计算机也称工业控制计算机(工控机),与通常的微型计算机略有不同,它要在工业环境下适应工业生产要求,在线、实时地工作,除了运算外,还具有控制功能。

过程控制计算机硬件组成见图1⁃3。

过程控制计算机软件如下:

软件系统

计算机控制系统的分类(按功能):数据采集系统DAS(Data Acquisition System)、直接数字控制DDC系统(Direct Digital Control System)、监督控制系统SCC(Supervisory Computer Control)、分散控制系统DCS(Distributed Control System)、现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。

1.数据采集系统DAS

优点:结构简单,控制灵活和安全。

缺点:要由人工操作,速度受到限制,不能控制多个对象。

2.直接数字控制DDC系统

优点:自动化程度高,调节速度快;因为程序可变性强,故控制灵活性大;由于节省了大量的模拟调节仪表,因此经济上比较合算,被控系统越大,这种经济效果越显著。

缺点:由于DDC系统的计算机直接承担控制任务,因此要求实时性好、可靠性高和适应性强。

3.监督控制系统SCC

优点:能使生产过程始终在最合理的状态下运行,避免了不同的运行人员调整调节器设定值带来的控制偏差。

缺点:由于生产过程的复杂性,其数学模型的建立是比较困难的,因此实现起来有一定难度。

4.分散控制系统DCS

智能化现场仪表的应用和发展,要求系统中使用数字信号取代4~20mA(DC)的模拟信号。在目前广泛应用的DCS中,因为检测、变送、执行等现场仪表仍采用4~20mA(DC)的模拟信号,无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求,限制了控制系统的视野,阻碍了上位机系统功能的发挥,所以产生了上位机与现场仪表之间进行数字通信的要求。要求建立一个标准的连接现场智能仪表与上位机系统的数字通信链路,这就是现场总线(Fieldbus)。

分散控制系统DCS的结构模式见图1⁃4。

5.现场总线控制系统FCS

现场总线控制系统FCS的结构模式见图1⁃5。

用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表;用多变量、双向数字通信方式代替单变量、单向模拟传输方式;用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表;用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站;变革传统的信号标准、通信标准和系统标准;变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。

二、火电机组过程计算机控制的主要功能系统

火电机组过程计算机控制的主要功能系统见图1⁃6。

1.数据采集系统DAS

数据采集系统是整个机组的信息中心,提供可靠、迅速、客观的工况记录,为设备的安全和经济运行提供了有力的依据。

2.机组协调控制系统CCS

机组协调控制系统通常指机、炉闭环控制系统的总体,包括各子系统。机组协调控制系统是大型火电机组最重要的控制系统之一,对机组的安全运行和参与电力系统调频、调压极为重要。机组协调控制系统CCS见图1⁃7。

CCS的功能是接受各类负荷指令,然后根据设备运行方式和健康状况发出机、炉负荷指令,使汽轮机与锅炉之间协调,并使主机与辅机之间负荷相适配,保持主要参数稳定。值班人员或电网调度员可向CCS发出目标负荷指令及负荷变化速度,以调节整个机组的出力。

CCS需要根据负荷调度指令进行负荷管理,消除运行时机、炉之间的各种扰动,协调控制锅炉的燃烧控制、给水控制、汽温控制与辅助控制子系统,保持锅炉、汽机之间的能量平衡,并在机组主、辅机设备出力受到限制的异常工况下进行联锁保护。

CCS的工作方式有:协调控制COOD、锅炉跟随BF、汽机跟随TFM/TFA、手动Manual。

3.辅机顺序控制系统SCS

辅机顺序控制系统的主要任务是对电厂单元机组的几百个主要辅机或功能组进行启停控制和联锁保护,以简化和减少操作人员的操作,确保机组启停及运行的安全。

主要辅机(Major Plant Item)是指送、引风机等辅机和挡板、润滑油泵等辅助部件。

功能组(Function Group)则是指为执行某一特定功能所必需的全部设备之组合,一般以某一台主要辅机为中心,如引风机功能组,就包括引风机及其轴承冷却风机、风机和马达的润滑油泵、引风机进/出口烟道挡板、除尘器进口烟道挡板等。

辅机顺序控制系统SCS见图1⁃8。

SCS包括的主要控制系统见图1⁃9。

4.锅炉炉膛安全监控系统FSSS

炉膛安全监控系统(FSSS)也称燃烧器管理系统BMS(Burner Management System),提供锅炉的安全保护,是大型火电机组最重要的一个保护/控制系统。

它连续和密切地监视锅炉在各种运行工况下的状态,随时进行逻辑判断,异常时即发出报警信号乃至停炉。通过一系列联锁条件,它按预定的逻辑顺序对燃烧设备的有关部件进行操作和控制。

炉膛安全监控系统有锅炉保护和燃烧系统顺序控制两大部分,其主要功能有:

① 炉膛火焰检测;

② 炉膛压力保护;

③ 炉膛自动吹扫;

④ 燃料点火及投粉顺序控制;

⑤ 锅炉安全管理。

5.汽机旁路控制系统BPC

汽机旁路控制系统是大中型中间再热机组的重要控制系统之一,包括高、低压旁路压力控制子系统和高、低压旁路温度控制子系统。

其功能是在机组启动阶段协调机组启动,回收工质和热量,保护再热器;在滑压启动时,适应启动参数加快启动速度;带负荷运行阶段,旁路系统可以允许锅炉维持在热备用状态;负荷变化太大时,辅助调节锅炉主蒸汽压力。

6.汽轮机数字电液控制系统DEH

DEH除用来实现汽轮发电机的转速和负荷控制外,还提供了汽轮机设备的安全保护。

7.汽轮机监视仪表TSI

汽轮机在机组启动、运行和停机过程中需要采用保护仪表监视其机械运行状态,以避免事故发生。

监视的参数包括:转速、轴振动、轴承盖振动、轴向位移、偏心度、相对膨胀、鉴相、气缸热膨胀等。

汽轮机紧急跳闸系统ETS用作汽轮发电机组危急情况下的保护,它与DEH、TSI一起构成汽轮发电机组的监控保护系统。

ETS监视汽轮机转速、轴向位移、轴承润滑油压、凝汽器真空以及电液控制系统的控制油油压、振动等。当这些参数中的任一个超过运行极限值时,系统将关闭汽轮机的所有进汽阀门,使汽轮机跳闸,以保证机组设备的安全。

8.电气控制系统ECS

ECS包括发变组控制、厂用电、励磁系统和同期装置的接口等。

三、火电厂热工自动化发展前景

1.炉、机、电、辅控制一体化

目前DCS的控制范围已由早期的仅包含MCS、DAS、SCS到实现单元机组的全部监控和保护功能(MCS、DAS、FSSS、BPS、ETS、DEH),电气控制系统ECS也逐步纳入DCS的控制之中,辅助控制系统(如化水系统、输煤系统、除灰除渣系统、废水处理系统等)也由原来独立的单元向整个辅助控制网络系统的DCS一体化过渡。随着技术的进步和观念的更新,DCS可扩展至整个辅助控制系统,一台机组仅用一套DCS即可实现全部控制功能,DCS将覆盖发电厂各个自动化系统,实现炉、机、电、辅控制一体化。

2.现场总线技术和系统的推广应用

现场总线技术有着不少技术上的优越性,如能在电厂成功应用,将对简化自动化系统、降低造价,实现全厂管理信息系统(MIS)和全厂实时监控系统(SIS)都很方便,因而在电厂的应用前景是广阔的,也是进一步提高电厂自动化水平要采取的技术措施。

3.机组自动化水平进一步提高

① 单元机组实现全CRT监控,大屏幕显示器广泛使用,传统控制盘台将取消;

② 机组主要模拟参数完全由自动控制装置(DCS或FCS)在全负荷(或全程)范围内自动维持在最佳区域内;

③ 生产过程按功能区或功能组划分,操作人员只需干预每个功能组,基本不用再直接向单个驱动对象(风机、水泵及阀门等)发出启、停(或开、关)命令;

④ 机组紧急事故处理也完全依靠完善的保护系统自动完成;

⑤ 单元机组自动化系统进一步智能化,安全、经济效益明显的优化控制软件、性能计算和分析软件、机组寿命管理软件、故障诊断以及状态维修软件得到广泛应用,机组运行的安全性和经济效益进一步提高。

4.先进控制理论和技术的应用

经典控制理论是以传递函数分析作为理论基础的,它的隐含前提有两个:一是对象模型的精确性、定常性和线性;二是运行环境的确定性和不变性。它的典型应用形式有PID控制、Smith预估控制、传统解耦控制等。

现代控制理论是以状态空间分析作为理论基础的,它主要研究具有高性能、高精度的多输入多输出(多变量)、变参数系统的最优控制问题。它对多变量有很强的描述和综合能力,其局限在于必须预先知道被控对象或过程的数学模型。现代控制理论的典型应用形式包括:自适应控制、变结构控制、鲁棒控制和预测控制。

目前,在火电厂控制的各系统功能中,传统的PID控制策略已能较好地实现;但尚有一些问题没有得到很好的解决,如燃烧过程的动态优化问题、钢球磨中储式制粉系统的控制问题、大范围变工况时再热汽温的控制问题等。这些问题多半涉及非线性、大时滞、慢时变、分布参数和非确定性控制问题,用传统的控制策略难以解决。

现代控制理论和智能控制方法在火电厂生产过程中的应用还非常有限,有待于进一步研究和实践,相信随着理论研究的不断深入和电厂软硬件平台的提升,这些先进控制理论和技术必将在火电厂的生产过程控制中得到广泛应用。

5.管控一体化

DCS或FCS与厂级监控信息系统SIS(Supervisory Information System)和厂级管理信息系统MIS(Management Information System)互相渗透,彼此结合,形成一个多层次、网络化,融控制、管理、调度和决策一体化的综合自动化系统,即管控一体化。

SIS主要处理全厂实时数据,完成厂级生产过程的监控和管理、厂级故障诊断和分析、厂级性能计算、分析和经济负荷调度等;MIS主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务,完成设备和维修管理、生产经营管理(包括电力市场报价子系统)、财务管理等。