自动化新技术及其在火电厂的应用

随着电力行业改革不断深化和厂网分开、竞价上网政策的进一步实施，能否保证火力发电机组安全稳定和经济运行，已经成为各个火电厂的首要任务。自动化是实现火电机组安全经济运行的重要技术措施，因此各个火电厂都非常关注自动化新技术的发展，并不断地应用自动化新技术，以期达到降低发电成本、提高劳动生产率、增强出厂电价竞争能力之目的。近几年来，自动化技术的发展可以说是日新月异，新的科技成果不断涌现。总结起来，自动化新技术在火电厂的应用，主要体现在以下几个方面。
一 自动检测
1. 火焰图像检测器
目前，火电厂大型锅炉的单个燃烧器容量都非常大，因此，能否正确检测燃烧器火焰，将直接影响炉膛安全监控系统(FSSS)动作的可靠性。为了防止锅炉爆燃事故的发生，必须对炉膛内的火焰进行切实有效地检测。普通光学检测器(如紫外光火焰检测器、可见光火焰检测器和红外光火焰检测器)仅依靠一个光敏元件收集火焰特征区的平均光强，所获信息量的局限性经常导致作为前景的火焰和背景无法有效分辨。普通光学检测器探头的视野范围很小，在火焰波动较大(锅炉低负荷运行)时会误报炉膛灭火。因此，在今后，火焰图像检测器将取代普通光学检测器，这是锅炉火焰检测系统发展的新动向。火焰图像检测器不同于以往的工业电视，它有如下特点：(1)火焰图像检测器采用了多个微型摄像机(CCD)检测每一只燃烧器或每一层或每一角的燃烧工况，它比普通光学检测器的视野范围大，采集的信息量多。(2)火焰图像检测器采用微处理器对火焰信息进行处理，将其转换成数值形式，进行分析运算，并在数字式图像显示器上显示出来，同时将数据存放在计算机存储器中，以便作进一步处理。而工业电视仅是直观的图像显示，没有信息处理和记忆功能。(3)火焰图像检测器通过显示多个处理过的火焰图像，使运行操作人员了解每个火焰的亮度分布、着火点及整个炉膛燃烧状况，从而进行燃烧最佳调整，并减少NOX排放量。而工业电视没有这个功能。目前，国外的火焰图像检测器产品主要有日本三菱公司的DPTIS型和芬兰的DIMAC型。国内的几家科研单位也相继推出了火焰图像检测器的产品，并已在多台国产燃煤机组上运行，基本上实现了无误报，而且提高了报警速度。
2. 光纤传感器
(1)半导体光纤温度计半导体光纤温度计是利用半导体材料的光吸收随着温度的变化而变化的原理测温的。例如，当温度升高时，透过半导体材料的光能减小，用光电元件来测量光能的这一变化，即可获得被测量的温度值。半导体光纤温度计主要应用在超高压变压器热点温度的直接测量上，这种测量对变压器的安全经济运行和使用寿命有着决定性的作用。变压器线圈最热点的绝缘会因为过热而老化，轻则变压器损坏，重则酿成重大事故。反之，若线圈最热点的温度过低，变压器的能力就没得到充分利用，降低了经济效益。因此，为了使变压器处于最佳运行状态，对其热点温度的测量是十分必要的。过去由于高电压的隔离问题不能得到很好解决，所以直接测量很困难。采用半导体光纤温度计后，可以进行远距离遥测，隔离问题得到了很好的解决。(2)光纤转速表 火电厂汽轮发电机组的转速是3000r/min，它是一个决定电网频率稳定与否的重要参数。由于电信号及其信号传输线路容易受发电机强电磁场的干扰，采用常规的电和磁的测量方法，仪表不能正常工作。使用光纤测量转速就不存在这一问题，光纤转速表由转速—光脉冲转换、光纤光路和信号处理装置3部分组成。在汽轮发电机转轴上固定一个测速齿轮盘，齿轮盘的边缘有60个齿，齿轮盘每转动一圈，就产生60个光脉冲，这些光脉冲经光纤传送给信号处理装置，后者将光脉冲转换成电脉冲，然后将电脉冲送给数字频率计。由于光纤不受电磁场干扰，从而保证了转速表的可靠性。
3. 软测量技术
所谓软测量技术是从能够测量的数据来推断出不能测量的数据信息的软件技术。仪表技术已经历了模拟仪表、电子仪表、数字仪表、智能仪表和软仪表5个发展阶段，软测量就是软仪表，它是目前仪表技术发展的最高阶段。火电厂对锅炉烟气含氧量的检测和控制，都要求氧量计具有准确、稳定、响应迅速和经久耐用等基本性能。然而，目前在火电厂广泛使用的热磁性氧量计和氧化锆氧量计的性能还不能满足上述要求。因此，对烟气含氧量软测量的研究正在进行。在火电厂锅炉烟气含氧量软测量模型中，可选择主蒸汽流量、给水流量、燃料量、排烟温度、送风量、送风机电流、引风量、引风机电流等工艺参数，作为软测量模型的输入，由这些输入通过模型来估算或推断烟气含氧量，以供监视和控制之用。
二 自动控制
1. 智能控制 火电厂有些热工控制对象的数学模型是很复杂的，而且很难测量准确，若继续沿用经典和现代控制理论往往很难奏效，这就促使人们不得不去探索智能控制。(1)模糊控制模糊控制是模仿人的控制过程，与传统控制相比，模糊控制具有实时性好、超调量小、抗干扰能力和适应能力强、稳态误差小等特点。模糊控制基于模糊控制理论，它包含了人的控制经验和知识，因此，它属于智能控制范畴。在我国火电厂中，模糊控制已经取得了很多的应用业绩。在协调控制系统、锅炉燃烧控制系统、过热蒸汽温度控制系统、再热蒸汽温度控制系统、中储式磨煤机控制系统、汽轮机控制系统和循环流化床锅炉燃烧控制系统中，均有模糊控制的成功应用实例。(2)专家系统专家系统是利用具有相当数量的权威性知识来解决特定领域中实际问题的计算机程序系统，根据用户提供的数据、信息和事实，运用系统中存储的专家经验或知识进行推理判断，最后得出结论及结论的可信度，以供用户决策之用。工业发达国家的电力公司已经研制出火电厂故障诊断专家系统。例如，美国的一家火电厂进行了专家系统应用实验，该专家系统仅用几秒钟的时间就正确诊断出造成这家火电厂停机事故的原因，而该火电厂的专家们经过了好几天的讨论，竟然还未找到正确诊断故障的思路。由此可见，专家系统已经明显地超过了人类专家的能力。专家系统在国内火电厂的应用研究已经开始，现在已经开发出了火电厂水汽循环故障诊断系统、火电机组运行指导专家系统和大型转动机械(汽轮机)故障诊断系统。专家系统可以不知疲倦地工作，它不像人那样，容易受到周围环境的影响，它也不受时间和地点的限制。因此，专家系统一经推出，就受到现场人员的欢迎，它是火电厂热工自动化发展的一个重要方向。
2. MATLAB仿真
火电厂是高度重视安全生产的企业之一，控制系统一旦投入运行，是不允许无关人员随便乱动的。因此，对控制系统的分析研究和自动化人员生产技能的培训只能在仿真控制系统上进行。以往的仿真控制系统主要是物理和半物理仿真，建立这样的仿真控制系统投资大，安装和维护费用也大。尤其是自动化仪表发展如此之快，使这些仿真控制系统不得不进行设备的更新改造，其经济损失是显而易见的。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。利用MATLAB软件中的SIMULINK功能可对自动控制系统进行仿真研究，它的仿真结果将会对自动控制系统的设计、安装调试和运行维护有着重要的指导意义。在火电厂中，DEH(汽轮机数字电液控制系统)是汽轮机运转的神经中枢，该系统性能只能通过动态过程才能反映出来。为此，利用MATLAB仿真工具和VB开发界面，建立DEH仿真平台，在不干扰生产的情况下，对DEH系统动态过程进行分析研究，从而避免了对系统参数调整的盲目性，使DEH系统各部分的动态过程完整地呈现出来。这对DEH系统优化运行中参数的整定、修改起到了预测和指导作用。实践证明，利用MATLAB对自动控制系统进行仿真，具有安全、可靠、节省人力、物力和财力等优点，它为加快大型火电机组热工自动控制系统的调试速度，提高火电厂热工自动控制系统的投入率，又提供了一个新的方法和手段。
3. 高压变频器
目前，国内火电厂中有大量的6kV风机和水泵需要进行节能改造，节能改造最有效的技术手段就是采用高压变频器。高压变频器在国内还没有合适的产品，而在国外，工业发达国家的高压变频器技术已趋于成熟，已推出了一系列高压变频器产品。如：美国GE公司的Innovation MV、AB公司的1157MV、罗宾康公司的Harmony、Ross Hill公司的VFD；欧洲西门子公司的SIMOVERT MV、ABB公司的ACS1000、ANSALOD公司的VFD；日本FUJI公司的FRENIC 4600 FM4。这些高压变频器已开始在我国火电厂的高压电动机上应用，如在送风机、引风机、给水泵、循环水泵和灰浆泵上都有成功的应用，收到了显著的经济效益。
三 顺序控制
顺序控制是指根据预先拟订的步骤、条件或时间，对生产过程中的机组设备和系统自动地依次进行一系列操作，以改变设备和系统的工作状态(如风机的启停、阀门的开关等)。顺序控制是火电厂热工自动化的一个重要方面，在大型火电机组上采用的顺序控制系统主要是FSSS。除此之外，顺序控制还广泛地应用于机组的辅机(如磨煤机、给煤机等)及其辅助设备(如润滑油泵、挡板、风门)启动停止操作的控制和保护上。在PLC(可编程序控制器)问世以前，继电器在顺序控制系统中占主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着明显地缺点：体积大、耗电多、寿命短、可靠性差、运行速度低。尤其是对生产工艺多变化的系统适应性更差，如果生产任务或生产工艺发生变化就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。而用PLC替换继电器后，使顺序控制系统不但体积小、功能强、设计简单、灵活通用、维护方便，而且还具有高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力。正因为PLC具有如此优点，使得用PLC替换继电器的改造工程在火电厂不断地展开。目前，在火电厂成功应用PLC实现的顺序控制系统，主要有锅炉补给水处理顺序控制系统、锅炉吹灰顺序控制系统、锅炉定期排污顺序控制系统、输煤顺序控制系统、汽轮机跳闸保护控制系统、磨煤机启停控制系统、给煤机启停控制系统、给水泵启停控制系统和凝汽器胶球清洗顺序控制系统。可以预言，随着PLC控制技术的不断进步，PLC在火电厂的应用还将继续增多。机组自启停顺序控制系统对减轻运行人员脑力和体力劳动、避免误操作有着重要意义。但是，该系统投资大，日常维护工作量也大，在机组启停不频繁的情况下，其优势并不明显。因此，现行的技术政策尚不提倡推广使用机组启停顺序控制系统，但是，随着火电厂自动化水平的不断提高，机组自启停顺序控制系统的应用也将增多。
四 自动监视与信号
1. 大屏幕技术 随着DCS可靠性的增加，火电厂单元控制室已经开始采用大屏幕替换BTG (锅炉—汽轮机—发电机)控制盘。由于CRT屏幕面积较小，它显示给运行值班人员的只是过程的一部分信息，运行值班人员必须频繁地调出各个变量的显示画面，来观察过程的每个部分，当画面显示不完善或运行值班人员稍有疏忽时，就可能引起误判。如果运行值班人员长期监视CRT，还易造成视觉上的疲劳，导致注意力下降，影响机组的安全与经济运行。因此，大屏幕技术将会在火电厂得到广泛地应用。
2. 多媒体技术 当人—机接口使用语音、摄像、动画这些资源时，就可以为运行值班人员提供大量的后备支持手段。语音是多媒体功能的扩展，可以用于报警提示和指导。在报警信息产生时，及时用语音提醒有关人员(他们可能不在同一地点)以保证运行值班人员尽快采取措施，控制事态发展。语音报警软件现已在火电厂成功投运，它在提高运行质量方面的作用已经得到公认，尤其是机组在夜间运行时，其重要性更为突出。摄像功能可以使MMI(人—机接口)站切入工业电视摄到的镜头，使运行值班人员能看到现场，动画和位图的使用可以使运行值班人员形象地理解或体会现场发生的情况。因此，应用多媒体技术是能切实提高运行操作与故障处理质量的。目前，在新近投产的大型火力发电机组中，运行值班人员在单元控制室，通过大屏幕、CRT和鼠标操作，即可实现对机组启停和正常的监视与控制，自动监视水平又有了很大提高。
五 结束语
自动化技术是当今世界上发展最快、生命力最旺盛的技术和最活跃的生力之一，世界上许多先进工厂均投入大量资金用于自动化，以求在激烈的市场竞争中占有一席之地。每位从事火电厂热工自动化的技术人员，都应密切注视国内外自动化技术的最新发展，时刻准备着，为提高我国火电厂的自动化水平贡献力量。