火电厂热工自动化的现状与发展.docx

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火电厂热工自动化的现状与发展

一火电厂热工自动化的现状

1.仪表和控制装置

80年代初，在引进300、600MW机组制造技术推动下，同时对仪表和控制装置采取技贸结合方式引进技术，或与国外公司合资生产具有80年代世界先进水平的仪表，克服了过去仪表和控制装置品种不全、可靠性低、稳定性差的局面，基本满足了火电厂的要求。

2.分散控制系统

70年代中后期，随着电子技术和集成电路的发展，国外仪表公司开始推出以微处理器为基础的控制功能分散、管理监视集中的分散控制系统（DistributedControlSystem,DCS），并在生产过程中应用。

80年代中后期，为适应国内技术的发展，我国仪表制造部门相继与国外厂商合作，在电站自动化系统中推出相应的DCS。

“七五”期间成套进口的电站又随主机进口了DCS，据统计当时进入我国电站的DCS已达13种，它们是N-90（infi-90）、WDPF、HIACS-3000、MAX-1000、TDC-3000、Midas-8000、Procontrol-P、T-ME、T-20、Contronic-E、MOD-300、Centum、I/A系列等。

3.锅炉炉膛安全保护（FSSS）

FSSS装置一般包括炉膛压力、火焰检测、逻辑运算部件和输出控制元件如电磁阀等，与汽包水位构成炉膛安全保护系统（FSS），继而发展为根据负荷和炉膛安全的要求切投燃烧器的控制系统，即燃烧器管理系统（BMS），由“FSS”与“BMS”组合成FSSS。

80年代中后期的600t/h及以下锅炉一般装有简易FSSS装置（即只包括火焰检测、炉膛压力保护和吹扫功能），在成套进口电站中开始应用包括燃烧器管理的FSSS。

在大规模集成电路技术发展的今天，用可编程控制器（PLC）替代固态元件或继电器组成的逻辑部件，可以进一步提高FSSS的可靠性；但要注意设计好通信接口，以便与DCS进行通信，形成一个有机的整体。

4.汽轮机电液控制系统（EHC）

50年代后期，我国在200MW机组上开始研究电调系统，经历了一个漫长的过程，概括起来可分为两个阶段，即电液并存与纯电调两个阶段。

实际运行中电液并存的控制系统使用电调的时间是很短的，甚至弃而不用，仍以机械液调维持运行。

随着电气元件、电液转换器可靠性的提高，再加上动力油源采用了独立的抗燃油系统，使得电调系统的可靠性大为提高，出现了不依靠机械液压式控制系统作后备的纯电调系统。

初期采用的电调是以模拟电路组成，称为模拟式电气液压控制系统，简称模拟电调或AEH（AnalogElectro-HydraulicControl）。

以后随着数字计算技术的发展及其在过程自动化领域中的应用，发展了以计算机为基础组成的数字式电气液压控制系统（DigitalElectro-HydraulicControl），也称数字电调或DEH，并在一些进口机组上应用。

5.计算机在火电厂的应用

我国火电厂应用计算机大致可分为两个阶段，一为计算机监视系统（DAS）；二为计算机监控系统，即采用以微机为基础的分散控制系统（DCS）。

前者只有数据采集与处理功能，但起到“铺路开道”的作用；后者兼有控制功能，正在使计算机应用向纵深发展，对提高电厂的自动化水平起着决定性的作用。

a.计算机监视系统的应用

80年代初，我国计算机的制造业还处在主机开发阶段，主要用于计算。

我们在总结进口电站应用计算机经验的基础上，确定要以工程建设带动计算机的应用，主要目标是计算机要与机组同时投产，在机组试运和投产后发挥作用。

因此，工程中应用的计算机必须是一个完整的计算机系统，其硬件除主机外，还必须有采集过程参数的I/O（输入/输出）通道和人机接口设备。

当时陡河电站四期工程（2×200MW）正在设计。

考虑到陡河电厂有日本计算机的应用经验，电厂领导重视，有一定的管理经验等因素，确定选择其为国产计算机的试点工程。

与此同时，国产计算机的研究开发工作迅速发展，先后完善了PDP11系统和以微机为主机的其它系统。

在引进美国300MW、600MW机组的石横电站和平圩电站中，又进口了美国Foxboro公司的FOX1/A计算机，实现数据采集和处理功能（简称DAS）。

b.DCS的应用

80年代，各先进工业国家相继推出以微机为基础的DCS。

在改革开放政策的推动下，进口国外先进设备为我所用也是大势所趋，电站自动化自然也不例外。

因此在采用国产计算机进行试点之后，是否要进行分散控制系统的应用已成为人们关注的问题。

经过充分的论证后，1985年，确定以管理好、领导重视，又有计算机应用经验的望亭电厂14号机组（1×300MW）扩建工程作为DCS的应用试点。

在此同时，华能国际电力开发公司从国外成套进口电站设备。

这是一个引进先进自动化技术的好机会，因此在电站的招标中也提出了应用DCS的要求。

以微机为基础的DCS集四大技术——计算机、通信、屏幕显示（CRT）和控制技术之大成，具有运算能力强、可靠、高速、实时和精度高等特点，能很方便地完成数据采集与处理（DAS）、闭环控制（CCS）、顺序控制（SCS）和保护联锁功能。

但从发展来看，各DCS制造厂商都是先从CCS入手，逐步发展DAS、SCS功能；然后根据各厂与主机厂的关系，有的完成了FSSS、BMS功能，如西门子、日立、贝利公司等；有的完成了汽轮机控制（DEH）功能，如西屋、日立、ABB和贝利的ETSI公司等。

在具体工程中应用DCS完成的功能，应根据工程情况和DCS厂家的实践经验，经技术、经济比较后确定。

据某工程公司分析认为：

因SCS、FSSS（BMS）主要为开关量输入/输出实现逻辑运算功能，采用可编程控制器（PLC）完全可以满足要求，且其可靠性并不比DCS低；而与全部采用DCS的控制器（DPU）比，硬件费用却可降低约30%。

c.计算机的可靠性与常规仪表

自动化的目的是为机组安全经济运行服务。

计算机只是自动化系统的一种工具，自然不能因为采用计算机而降低机组的安全经济运行。

而计算机的可靠性又是随着电子技术特别是大规模集成电路的发展逐步提高。

所以，在火电厂应用计算机中基于对计算机可靠性的认识，其主导思想是不同的。

60年代研试阶段，在高井电厂采用计算机，当时的计算机是由晶体管构成，体质庞大，线路复杂。

厂家提供的计算机平均无故障时间（MTBF）为50h。

基于这种情况，采取的设计原则是保留常规仪表和控制系统，计算机只作为“锦上添花”，不会因计算机应用中的问题影响机组的投产和正常运行。

事实证明当时的设计原则是正确的。

70年代继续在已运行机组上进行科研试点，同样保留了全部常规仪表，因而没有因计算机问题影响机组运行，但其生命力也不长。

80年代初，在陡河电站计算机试点工程中，计算机的可靠性已有提高，系统的MTBF可提高到2160h，主机的MTBF为4320h。

设计中采取了减少部分次要仪表的原则，使得：

（1）某些启动参数只进入计算机，迫使计算机与机组同时投产；

（2）不因计算机故障影响机组运行；（3）因某些参数只能在CRT上观看，在不投计算机时使运行不方便，此时计算机与运行的关系是不紧密的。

通过试点，采用计算机的优越性逐步被人们认识而受到欢迎，成为工程建设的热门话题。

凡是在应用中贯彻了节减部分常规仪表的工程，计算机的应用都坚持下来了。

但是从现在来看，当时所用计算机的容量、速度和功能都已显得陈旧，可靠性也低，将进入更新改造阶段。

80年代中后期，对DCS的可靠性认识也是逐步提高的。

开始试用时，也是担心DCS故障会影响机组的运行。

因此除了节减部分次要常规仪表外，全部手、自动操作器和操作开关仍然保留，保护系统仍由继电器和逻辑元件来完成，DCS的功能主要是DAS、CCS功能。

在成套进口的电站中，也是CRT控制台与以常规仪表为主的模拟仪表控制盘同时存在。

实践证明，DCS的可靠性很高，是可以信赖的，运行人员也逐步适应CRT监视和键盘操作。

因此将DCS推上生产第一线，大量节减常规仪表和手操设备，成为已应用DCS的电厂特别是具有先进管理水平和人员素质高的电厂的共识。

从而在设计上提出大量减少模拟仪表和硬手操的规定。

从80年代初至现在，随着计算机技术的进步，可靠性的提高，由计算机与模拟仪表构成的机组控制模式可分为以下三种：

（1）以常规仪表为主；

（2）常规仪表与CRT并存；（3）以CRT为主体。

三种模式的基本格局和技术特色见表1。

二几个问题

1.自动化水平

电厂的自动化水平，主要应根据以下条件决定：

（1）机组在电网中的地位及电网对机组提出的运行要求；

（2）机组本身适应负荷变化的能力及具有的可控性；（3）可能供应的仪表及控制装置的质量和品种；（4）自动化系统设计能力；（5）安装、调试质量。

最终运行时能否达到预期的效果，又取决于电厂的管理体制和运行维护水平。

根据自动化系统所能完成的功能，我国大容量火电机组的自动化水平大体可分为三类，详见表2。

自动化水平是一项综合性的技术指标，是主辅机设备制造质量及可控性、自动化仪表及控制设备质量、自动化系统设计的完善程度和安装调试质量和电厂运行维修管理水平的综合体现。

根据表2分类，我国80年代初及以前建设的国产机组的电站属I类水平；少数成套进口的电站已达到II类水平，如唐山陡河电站的日本2×250MW机组，姚孟电厂比利时的2×300MW机组，元宝山电厂的法国1×300MW机组；80年代中后期建设的国产机组的电站部分达到了II类水平，少数电站达到III类水平，如深圳妈湾电厂2×300MW机组，华能进口的大连电厂2×350MW机组和石洞口第二电厂的2×600MW超临界机组等。

它们的主要特点是主辅机可控性好，人员素质高，其中管理模式适应了生产力的发展是至关重要的。

2.单元机组的整体控制与DCS的一体化

单元机组的技术特点是炉机电融为一个统一整体，原部颁的“新厂新办法”要求配置单元值班员并制定了相应的政策，这是适应这一技术特点的改革措施。

采用DCS后，由于它具有的高可靠性，有条件将自动化系统有机地结合起来，实现按“新厂新办法”制定的单元机组运行格局。

a.炉机电整体控制

历年来成套进口的电站，没有专设的发电机变压器组控制盘，将炉机电的监测与控制融为有机的整体，由单元值班员统一管理。

这种控制模式是符合单元机组发展要求的。

过去国内电站建设中，发电机—变压器组、厂用电系统的监视自成一套独立系统，多年来在集中控制上常常要求与炉机脱离，另设电气主控制室。

造成这种状况的原因是在电站运行上实行了炉机电分别管理的模式。

吸收国外设计经验，将电气的数据采集处理、监视和开关操作，纳入统一的自动化系统，将有利于管理和调度。

b.DCS的功能覆盖面的一体化

DCS的一体化的含义可称为以DCS为主体，通过网络通信实现数据共享，显示终端（CRT及键盘等）共用，以达到简化系统，减少监视和操作设备，从而缩小运行值班员的监视面，以利于满足一人监视单元机组的要求。

实现DCS一体化的方式有二：

一是由同一个DCS实现五大功能，即DAS、CCS、SCS、FSSS和DEH，这种作法的优点是硬件型号统一，相互通信接口方便，但价格较贵，且要求制造厂家具有FSSS及DEH的设计运行经验；从目前看，具有五大功能设计运行经验的DCS厂家是很少的。

二是由DCS实现DAS、CCS或DAS、CCS及SCS的功能，FSSS及DEH由专业生产厂配套，或者用可编程控制器（PLC）实现SCS、FSSS功能，通过通信实现数据共享和监视设备共用。

它的优点是可以降低造价，但在通信规约未统一前，还要认真解决接口问题或继续保留硬接线方式。

我国现已建成的采用DCS完成五大功能的电站，其间的信息交换大部分是采用硬接线方式，并未实现数据共享、监视设备共用。

因此，在工程建设中，不宜超越技术发展的步伐，强调由DCS实现五大功能在硬件上的一体化；而宜根据DCS厂家的经验和技术进步的进程，经技术经济比较后确定。

3.自动化的效益

自动化系统效益可分为三方面：

a.保证正常运行

自动化系统是机组的必要组成部分。

特别是大容量机组，由于系统复杂，需要监视的信息量和操作指令大量增加，如一台300MW、600MW机组的总信息量约为4000～5000点，操作指令达1200个左右，若不采用完善的自动化系统，靠人工来进行监视和操作，是很难保证机组安全经济运行的。

从这个意义上看，自动化与锅炉、汽机、发电机一样，处于同等的地位，应该是缺一不可的。

所以电厂的效益也有自动化的作用。

b.安全效益

主要有两方面，一是减少停机次数；二是在机组事故停机时，通过计算机的事故追忆打印，可以尽快判断停机原因，消除缺陷，减少停机时间。

例如，1996年3月，某厂670t/h锅炉因汽机跳闸，主汽门关闭，由于人为的原因未联锁自动停炉，也未采取减燃料的措施，致使锅炉承压部件严重超温超压（最高压力达21.3MPa，汽温达575℃），险些造成严重事故。

由于自动化系统的数据记录在案，为分析原因，采取措施判断该锅炉能否继续运行提供了有力的根据。

c.经济效益

经济效益与主辅机质量、自动化系统和运行人员水平有密切关系，因此很难区分是谁的效果。

望亭电厂14号机组投用DCS后，供电煤耗比原来降低5g/kW·h，相当每年可节约标准煤9450t。

上海石洞口电厂认为仅协调系统自动投入后，主汽压力提高0.2MPa，汽温提高3℃，每天可节约标准煤3215kg；另方面防止了锅炉水冷壁超温，减少了水冷壁管的爆破和因此引起的停炉次数。

该厂3号机组在1992、1993两年中，因协调投入自动运行，比其它未投自动的机组，少停炉6次。

按停炉一次少发电量3000万度计算（停炉抢修按5天计），两年中多发电1.8亿度，直接经济效益是可观的。

4.DCS的国产化

坚持走国产化道路，在消化吸收国外先进技术的基础上开发新产品，发展民族工业，增强国家实力，是我们的国策。

国产化是在保证质量、性能基础上的国产化。

根据我国的工业基础和实力，对国内难以保证质量的材料、元件采取进口方式解决是符合国产化原则的。

过去由于不分具体情况，只追求国产化率，因而使产品质量下降，失去用户对国产化产品的信任，这是一个盲目追求国产化的沉痛教训。

目前在DCS的应用中，一律要求全部进口的方式也是值得商讨的，这样不仅耗用大量外汇，提高工程造价，而且抑制了民族自强、自立精神。

就DCS而言，国产化可分为两个方面：

第一，软件国产化，这是我们的优势，因为我们最了解自己的电厂及运行方式。

大量实践证明，我们编制的软件其中包括汉字显示是成功的，成套进口的DCS软件往往都要在调试中经过我们的修改，才能得以很好应用。

很多外商也看到这一点，因而大量聘用中方人员进行软件设计或者将软件反包给中方，借此降低投标价格。

这些事实说明软件的国产化是必需的，也是可能的。

第二，硬件的国产化要实事求是地分步骤进行，从简到繁，从易到难，对一时不能过关的元器件、模板可以采购，提出要全部原装设备的要求是不妥的。

国外厂商供应的DCS，没有一家是全部在本公司或本国制造的，多数是采取国际合作的方式，全球采购当然也包括从中国采购，组装后成套供货的。

为得到好的DCS产品，关键是要提出合理的技术规范，并给制造厂商一定的加工、考机周期，同时加强管理和责任制及出厂验收，严格执行合同索赔条款，同样可得到我们预期的效果。

否则，即使是原装设备，其质量也可能是不好的，一些成套进口的DCS质量说明了这一点。

三火电厂热工自动化的发展前景

科学技术的发展和计算机的更新升级，为进一步提高电厂的自动化水平创造了条件。

从火电厂的实用出发，实现单元机组一人监盘，完善电网自动负荷调度（AGC）和全厂信息管理（MIS）系统；采用开放式的工业计算机系统，先进的控制策略和专家系统，现场总线、智能变送器，将有利于节约投资，降低能耗，便于维护和提高火电厂的安全、经济运行水平。

1.开放式工业计算机系统（OSI）

近年DCS有三个发展动向：

开放系统（OpenSystemInterconect，OSI），DCS与PLC相互融合，以及远程智能I/O。

a.开放式DCS

火电厂自动化系统是由执行不同监控功能的计算机组成。

为使多种计算机系统便于连接和通信，实现数据传递和资源共享，采用满足MAP/TOP（ManufacturingAutomatedProtocol/TechnicalandOfficeProtocol）要求的开放式工业计算机系统是必然的趋势。

目前，一些DCS制造厂商相继将自己的专用网络改造成符合国际标准，或在自己的专用网络与普通网络之间加入网关，使其与以太网、MAP网连接，使已有产品向开放式系统改进和完善。

美国Foxboro公司的I/A系统就是其中一种，凡符合国际标准通信接口的网络都能与I/A系统互连。

软件采用非常通用的UNIX操作系统，因此能在IBMPC/AT或其兼容机上运行；采用UNIX系统的其它厂家的软件也能方便地移植到I/A系统中。

b.DCS与PLC融合

为满足市场竞争和用户需要，DCS与PLC正在互相取长补短，互相吸收和融合。

DCS吸收PLC特长，增加了逻辑运算、布尔函数等功能，在DCS网络上为其留有接口，以便直接容纳PLC。

PLC吸收DCS的优点，在算法上，增加了模拟量运算、PID运算和电机控制算法等，同时还增加了各种模拟量模块及相应的补偿、滤波、校正、报警等功能；仿效DCS的结构向网络化方向发展，由主站协调各子站进行操作管理，在CRT上集中监视。

PLC主站上可连接计算机，能用高级语言编程完成图形显示、趋势分析、数据管理和故障诊断、控制、报警等功能。

DCS与PLC的融合，可根据过程功能要求，合理运用，提高性能/价格比。

c.远程智能I/O网络

它是一种新型的工业计算机过程接口装置，由前端机、通信网络和适配器组成；是智能I/O技术与通信网络技术结合的产物。

前端机就地处理送入的测点信号，经过通信网络和适配器与微机站交换信息，其特点是采用数字通信及网络隔离技术，抗干扰能力强，可靠性高。

前端机由网络适配器进行管理，大大减轻微机站的负担，提高了微机站从事高级运算处理能力。

采用远程智能I/O网络，可节省大量信号电缆，降低工程投资和安装费用；还具有较完善的自检、自诊断、自复位功能，易于维护；采用高级语言，组态灵活方便，易于编程及调试。

远程智能I/O的前端机和通信适配器品种少，并采用标准化结构，因此备品备件可大大减少，更换备品时间短，而且更换时不影响其它设备运行，因此远程智能I/O网络是DCS过程I/O接口发展的新方向。

2.先进的控制策略与专家系统

火电大机组作为控制对象是很复杂的，如大迟延、非线性、控制参数相互影响等，使得如锅炉的汽温控制、磨煤控制以及机组协调控制等，长期未能有效、稳定地投入自动运行。

在采用DCS后，可以充分利用其潜在能力，利用现代控制理论和策略，如多变量控制、最佳控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等，解决上述对象的自动控制问题，可进一步提高自动控制的质量和水平。

在电厂运行中有很多工作如事故预测、寿命管理、电厂维修等可以通过大量的运行参数和状态的积累与分析，进行判断与决策。

采用计算机后，利用它的快速检测和大量存储能力，加上人的经验进行推理，可以作出如事故预报、维修预测、事故处理与指导等有利运行和管理的专家软件或称专家系统。

目前这种专家系统已在国外应用，我国火电厂也有一些经验。

加速开发专家系统，是提高DCS的应用水平的一个重要方面，大有潜力可挖。

3.大屏幕显示器

DCS的人机接口界面是大型火电厂过程监控的重要部分，它比过去更加完善，尤其是本世纪90年代初，以RISC技术为基础的工作站引入DCS的人机接口（Man-MachineInterface，MMI），极大地丰富了MMI图形功能、编程功能及人机对话功能，并满足了过程监控简捷、方便、实时性高的要求。

但值班员长期监视CRT，容易造成视觉疲劳，导致监视注意力的下降。

目前日立、ABB、西门子公司等都开始生产为火电站用的大屏幕显示器，并在电站中应用。

如深圳西部电厂采用了3块ABB公司的1358×1021mm大屏幕。

为实现一人监盘，大量节减常规仪表，应用大屏幕显示器将是一种新的技术措施。

4.现场总线与现场总线控制系统（FCS）

现场总线是指通信网络的国际标准化，即将安装在现场的智能变送器和智能执行机构，挂在现场总线上，可与任何一个DCS相连，实现现场信息的数字化传送。

一根现场总线可以挂多台智能变送器，同时传送工艺变量，控制信息和诊断信息，能在控制室的DCS工程师站上进行现场智能变送器的校验、调速和诊断。

随着超大规模IC技术和传感技术的发展，在同一硅片上拥有传感器、微处理器、A/D转换器构成的智能变送器，具有信号处理和故障诊断能力，自补偿能力和数字通信能力，可靠性高。

目前已有许多厂家生产智能变送器，大型火电机组也已开始试用智能变送器，但由于现场总线标准还未统一，很难与不同厂家的DCS直接相连，在现场总线标准统一后可望在DCS中推广应用。

在现场总线国际标准化和智能变送器、执行机构发展、完善的基础上，与现有DCS技术（计算机数字通信、控制、网络技术）相结合，通过现场总线为纽带，组成一代新的控制系统——现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS），将是控制系统的发展方向。

四结束语

如上所述，热工自动化是火电大容量机组不可缺少的组成部分，而热工自动化水平又是现代火力发电技术和管理水平的综合体现；自动化系统是随着电子技术（计算机）的发展而逐步提高的。

实践证明，采用以微机为基础的分散控制系统，其可靠性是高的，可以信赖。

采用开放式的工业计算机系统和远程智能I/O，有利于减少信号电缆，降低造价；开发利用先进的控制策略、专家系统，可以充分发掘DCS的潜力，解决一些老大难问题，进一步提高电厂的安全、经济运行水平。

结合国情，消化引进技术，开发与应用自已的产品，振兴民族工业，是自动化工作者的神圣职责，愿制造部门与用户携手合作，为发展民族工业，提高火电厂的自动化水平共同奋斗。

（全文完）

来源：

《世界仪表与自动化》

出版日期：

1998年8

∙表1

∙表2