自動控制在火電廠熱工自動化中的應用

國能錦界能源有限責任公司 鄭 磊

為滿足日益增長的社會電力需求，我國的供電方式也在不斷的進行創新，由原來單一的火力發電形式逐步的向風力發電、水力發電、太陽能發電等多元形式發展。新能源發電在提高發電量的同時，也減少了對資源的消耗和對環境的污染程度。但是從目前來看，無論是風力、水力還是太陽能發電，都受外界環境因素的影響很大，而且在技術層面還有很多亟待解決的問題，發電量不高、電力供應不是很穩定。

我國的主要發電形式仍以火力發電為主，火力發電過程中，裝機容量的不斷增大，設備的復雜程度也越來越高，設備運行監控的難度也越來越大。其中，熱工控制系統是對熱力設備進行監控的重要系統，對于機組的運行有重要的作用。自動化控制理論的應用，可讓火電廠熱工自動化水平得以提升，提高系統的可靠性和自我平衡能力，確保火電廠機組能夠安全穩定運行。

1 火電廠熱工自動化控制系統

在工業領域中，火力發電是應用自動控制技術比較早的行業。在早期的控制理論中，由于沒有計算機這樣的計算工具，主要是通過一些圖表和曲線來進行系統的分析、設計。系統是單一的輸入、輸出關系，而這種關系的描述主要是通過傳遞函數來實現的，這些屬于經典控制理論。后來隨著計算機技術的快速發展，控制系統也越來越復雜，單一的傳遞函數已經不能進行復雜的系統描述，狀態空間法應運而生[1]。該方法代替了傳遞函數單一的系統描述，問題處理的范圍更加的廣泛，可以較好地描述復雜系統，并且經過不斷的發展逐步形成了現代控制理論。

近年來，隨著人工智能技術、網絡通信技術等多種現代技術的發展，基于計算機技術的自動控制系統越來復雜，由于神經網絡控制理論、模糊控制理論的廣泛應用，從而讓控制理論也越來越智能化。智能控制理論為自動控制提供了整體控制的理論基礎和技術支持，讓控制系統由原來單一的小系統控制發展成為多個小系統關聯的大系統控制，可以更好的滿足復雜的控制要求，進而更好的對設備參數進行監控。

火力發電是利用煤炭資源進行多層次能量轉化的過程，整個生產過程復雜，涉及到的設備眾多，而且設備長期運行，運行的環境也比較復雜，需要對熱工設備進行實時的監控。通過對熱力設備運行參數的監控，對一些重要的熱力參數（溫度、液位、壓力、流量等）進行實時調整和優化，使其能夠隨著機組的負荷變化而不斷調整，讓機組運行更加的穩定，經濟效益更高，實現這些就需要熱工自動控制系統[2]。

火力發電廠熱工自動控制系統主要包括熱工檢測、自動控制和自我保護幾個重要的方面。熱工檢測是利用相關的檢測儀表對熱工設備的運行參數進行實時檢測，通過顯示、記錄以及調整等方式來確保運行參數在正常的范圍內運行；自動控制就是通過自動控制裝置來實現對機組設備的控制，是按控制順序來進行機組的啟動及停運過程的，包括故障處理中都要用到自動控制。

自動保護是當機組的設備運行出現異常時、或熱工參數超出正常范圍時，系統為防止發生更大事故，會自動執行聯縮執令，停止設備運行，保護設備。在實際運行中，常見的主要有汽輪機自我保護（超速保護、振動保護等）和鍋爐自我保護（超溫保護、超壓保護以及主蒸汽壓力保護和輔機的啟停保護等）。

2 自動控制在火電廠熱工自動化中的作用

2.1 優化熱工系統

在熱工自動化控制系統中汽輪機是重要的運行設備，主要負責將蒸汽熱能轉化為機械能，帶動發電機工作進行發電。無論是沖動式汽輪機還是反動式汽輪機，運行都離不開高溫高壓的蒸汽，而蒸汽量大小需要根據機組的負荷進行調整。調整的依據之一就是流量監控儀表系統的反饋數據，因此，監視儀表系統的穩定性對于蒸汽量的調整具有重要的作用。通過自動控制可優化監視儀表系統，降低其故障發生率，而且結合實際的運行工況，優化監視儀表系統的性能，減少機組誤動概率，確保機組穩定運行[3]。

另外，自動控制技術可以提高接地的可靠性以及抗干擾能力。在實際運行中，外界環境因素對機組的影響除了高溫、潮濕、粉塵等易損壞零部件以外，還有就是對系統本身的干擾。由于外界環境的干擾，導致熱工控制系統出現數據監測不準確、系統運行不穩定的情況。由此導致控制系統發出一些錯誤的指令，讓本來運行正常的參數在錯誤指令下進行調整，與機組的實際運行情況不符。這樣的話，可能會導致運行設備出現故障，或者是出現機組誤動跳閘等。

比如，由于磁場干擾導致的熱工控制系統運行異常會引發系統的誤動。通過自動控制可提高熱工控制系統接地可靠性，如在信號測量中采用單點信號測量的方式提高信號的準確度，減少系統的故障發生率。

2.2 優化安全生產指標

安全是任何企業生產的重中之重，火電廠生產中熱工控制系統的優化首要考慮的就是安全指標，確保機組能夠安全穩定運行，再通過相關的技術引進、參數優化等來達到減少能源消耗、降低排放目的。在日常的運行中，如果設備運行出現問題導致熱工系統出現故障，就會影響機組的運行。有的故障需要進行停機后才能排除，零部件的更換以及大量的整修，會消耗一些資源，導致庫存備件減少，同時機組的重新啟動也需要消耗大量的燃料。在機組非正常停機檢修的過程中，資源的消耗讓火電廠的節能減排工作受到嚴重影響[4]。

因此，必須要優化火電廠的熱工自動化系統，減少設備的故障發生率，減少非正常停機次數，縮短停機時長，加強對不同運行設備的檢查，及時更換磨損的零部件，對于一些易發故障部分重點檢查，做到防患于未然。而且自動控制技術的應用、尤其是智能自動監控系統的優化，讓傳統的依靠人工為主要方式的巡查工作變得更加的便捷。監控系統可代替大部分人工巡查的工作，減少了人力資源投入，而且監控系統可做到全天候的監控，更易發現設備運行中存在的問題，及時報警反饋，減少了因為巡查不及時導致的設備故障。

2.3 系統的經濟運行優化

火電廠機組的運行既保保證發電量，又要提高對資源的利用率、減少能源消耗。因此，熱工控制的軟件試用要合理，控制算法的選擇也要結合實際情況靈活掌握，提高熱工控制效率。在燃煤控制方面，要根據機組的負荷靈活調整燃煤的供給量，盡量減少燃燒損耗，提高燃燒效率。在給水量控制方面也要進行優化，根據實際的運行情況，結合給煤量自動的控制給水量，實現水煤比的動態平衡，讓主再汽溫在一個相對穩定的范圍內，避免發生劇烈的波動。

還要提高電煤脫硫的速度及脫硫率。當前在火電廠的脫硫處理中，濕法脫硫技術應用較多，但脫硫與燃爐相互獨立，欠缺一定安全性，脫硫效率也有待進一步提高。利用自動控制技術將脫硫系統進行聯動改造，并綜合考慮機組的控制性能，在DCS系統中納入脫硫部分，相應減少脫硫設備，讓脫硫系統控制不再單獨進行而是實現了與鍋爐控制的聯動，兩個控制系統的聯動利于從全局出發，可做到統一控制、一同調整優化參數，確保機組運行處于最優狀態，更好的平穩運行。

3 自動控制在火電廠熱工自動化中的應用

3.1 對鍋爐燃燒過程的自動控制

火電廠鍋爐運行中，面臨著電網負荷需求變動大、熱慣性大以及燃煤種類多等情況，對于其燃燒過程有很大的影響，為保證鍋爐運行平穩，需要采取相應的控制方式。通常的控制方式主要是利用實時監控系統，利用機械方式來采集和分析鍋爐燃燒的參數，并為鍋爐的燃燒過程優化提供數據。隨著熱工設備的增多，對鍋爐的燃燒過程控制提出了更高的要求。利用自動控制可讓鍋爐燃燒過程更加安全平穩，符合機組的運行要求。

自動控制是利用一些智能算法對鍋爐的燃燒參數進行智能分析，結合機組的實際運行來智能的調整燃燒參數。控制的原理是利用智能控制系統在傳統控制方法中的應用，將傳統的PID 控制與專家系統結合起來，來構建一個專家知識自適應PID 控制器。利用專家系統直接的來作用于鍋爐燃燒控制過程中去，這不僅大大降低了人工成本，還讓控制系統更加的完善，減少了故障發生率，提高了鍋爐的運行效率以及經濟效益。

3.2 主蒸汽壓力調節中的應用

主蒸汽壓力是機組負荷調整的主要依據，也是鍋爐汽機能量平衡的標志，常用的調節策略是壓力串級模糊調節，該調節策略主要是對燃煤量進行調節來達到蒸汽壓力調節的目的，改調節策略主要是以導前信號和偏差為主控制信號，具有擾動克服能力好、控制相應速度快的特點。應用自動控制的串級調節，以鍋爐的輻射信號為中間被調量，將熱量信號納入到到調節系統中，對于系統的特性改善明顯優于單回路的PID 調節。

在實際應用中，鍋爐輻射信號不能直接的納入到串級調節系統中去，因為中間被調量是由隨機分量和主分量組成的，隨機分量會增加調節器的誤動幾率，導致調節量產生震蕩，調節系統產生的動態偏差較大，降低調節過程的動態特性。因此，需要加裝模糊濾波器來判斷中間被調量，根據被調量的變化來對調節器進行動作指令[5]。

3.3 鍋爐給水過程中的應用

當前火電廠火電機組基本采用的是一段式或兩段式給水控制系統，這樣即做提高了系統的安全可靠性，同時也滿足了鍋爐運行時的生產要求。但是在實際運行中，尤其是大型鍋爐的啟停過程中水位經常出現較大的非線性，難以通過精準的模型建立來獲取更好的控制性能。而且鍋爐的汽包水位對于給水量擾動有較大的時滯性，相關的熱工人員依據工作經驗，難以確保控制器參數在最佳的運行范圍內。而利用自動控制可構建一種自適應PID 控制器，利用神經網絡算法在線優化控制器隸屬度函數，通過模糊控制來實現PID 參數的自我整定，讓鍋爐給水系統的可靠性大大提高，給水量也得到了精準的控制。

3.4 主蒸汽溫度自動控制

主蒸汽溫度對于機組的安全穩定運行具有重要的作用。主蒸汽的溫度過高會損壞主蒸汽管道、汽輪機等設備中的金屬材料，溫度過低又會降低熱效率。而且影響主蒸汽溫度的影因素較多，鍋爐的負荷、燃燒的工況以及過熱器的交換特性等都會導致主蒸汽的溫度大范圍波動。

對于主蒸汽溫度的控制也存在著非線性和時變性等特點，導致其控制難度比較大。利用自動控制技術建立前饋-反饋復合系統，將減溫器出口溫度進行處理后疊加到主蒸汽溫度上，經調節器運算后發出指令控制減溫水調節閥，以此來更好的控制減溫水的流量，調節主蒸汽溫度。該自動控制系統中，測量信號有主蒸汽出口溫度和噴水減溫器出口蒸汽溫度，可讓調節精度更高，而且采用的雙回路控制系統也提高了系統的控制速度。

4 結語

隨著自動控制理論的不斷成熟和完善，在火電廠的熱工控制中應用也越來越廣泛，為熱工控制提供了必要的理論基礎。在火力發電廠中，熱工自動控制系統是對熱力設備進行監控的重要系統，根據機組的負荷靈活調整熱工參數，確保機組的運行在安全穩定的基礎上，能達到經濟運行最優化。自動控制在熱工自動化中的應用，對于熱工系統、機組負荷分配等實現了較好的優化。而且隨著科學技術的發展，一些新技術的應用讓熱工自動化程度越來越高，系統控制的性能越來越完善，能更好的滿足復雜的控制要求。