淺析火電廠熱工自動化DCS 控制系統的運用

吳爾夫

（國能漢川發電有限公司，湖北 漢川 431614）

隨著電力需求的不斷增長，火電廠作為我國主要的電力發電方式之一，其運行效率和安全性成為關注的重點。而熱工自動化DCS 控制系統作為一種先進的控制技術，計算機為終端，通過互聯網技術進行連接，采用過程監控模式對火電廠的各種設備進行有效控制，實現生產全過程的智能化、自動化控制，因此，在火電廠熱工過程中發揮著重要作用，還能提高熱能利用效率、降低運行成本，并提升運行安全性。

1 火電廠熱工自動化概念

火電廠熱工自動化是指利用現代自動化技術和控制系統對火電廠的熱工過程進行監測、控制和優化調節的一種管理方式。通過引入自動化設備和系統，可以實現對火電廠熱工系統的實時監控、精確控制和智能化管理，提高燃燒效率、能源利用率和發電效率，降低運行成本和環境污染。通過傳感器和儀表采集熱工過程中的各種參數和信號，如溫度、壓力、流量等，實時監測熱工設備和系統的運行狀態。同時，通過分析和處理采集到的數據，制定合理的控制策略和優化調節方案，實現對燃燒、供水、蒸汽、發電等關鍵環節的自動控制和調節，并設定安全保護措施和故障診斷算法，及時發現和處理熱工系統中的異常情況和故障，保障系統的安全穩定運行。

2 火電廠熱工自動化DCS 控制系統構成

DCS 系統（Distributed Control System）是分布式控制系統的簡稱，也被稱為集散控制系統，在火電廠熱工系統中應用較為廣泛，能夠實現熱工自動化控制。通常而言，火電廠熱工自動化DCS 控制系統包含五個子系統，如圖1 所示，分別為DAS、MCS、SCS、DEH、FESS系統，這5 個子系統承擔著不同的功能和任務，實現對熱工過程的全面監控和自動控制。

圖1 熱工DCS 控制系統

2.1 DAS 系統

DAS 系統（Data Acquisition and Analysis System）也就是數據采集系統，在整個熱工DCS 控制系統中起著重要的作用，主要收集和傳輸生產過程中的各種數據，以供其他子系統進行分析和控制。DAS 系統通過接口與各種傳感器連接，例如，溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器等，這些傳感器能夠實時監測工業過程中的各種物理量，并將其轉化為電信號，DAS 系統進而通過接口將這些電信號再轉化為數字信號，以圖表、曲線、報告等形式展示給用戶，反映火電廠工作過程的溫度、流量、電力、壓力等參數，對其進行數據與處理，如濾波、平滑等，并對數據進行存儲、備份，便于查詢，然后再將收集的數據通過以太網、無線網絡或其他通過協議傳輸到其他子系統中。同時，DAS 系統還具有自動報警的效果，能夠監測和記錄火電機組的熱效率、發電效率、煤耗等性能指標，假如系統操作出現異常或超過設定參數范圍，系統會自動發出報警，并采取相應的控制措施，確保系統的安全和穩定運行，并幫助運維人員評估機組運行情況與效益，及時發現問題并進行優化調整。

2.2 MCS 系統

MCS 系統（Monitoring and Control System）也就是模擬量控制系統，主要負責對火電廠的監測和控制進行集中管理和實時監控，用于火電廠的鍋爐和汽輪機組中，能夠對相關變量進行自動化控制。在鍋爐中，MCS 系統可以通過控制鍋爐的燃燒、給水和排煙等參數，實現鍋爐的穩定運行和效率優化；根據負荷變化和蒸汽需求，控制鍋爐的燃燒和給水量，以保持蒸汽溫度在設定范圍內；控制給水泵的運行和補水系統的操作，保持鍋爐水箱的水位在安全范圍內；根據鍋爐負荷和燃燒情況，調節引風機的轉速和風量，以保證燃燒過程的穩定和燃燒效果的優化。在汽輪機組中，MCS 系統根據汽輪機負荷變化和蒸汽需求，控制給水泵的運行和給水閥門的開度，以保持給水量和蒸汽壓力穩定；通過控制除氧器的補水和排水，保持除氧器水位在正常范圍內，防止氧腐蝕和蒸汽質量下降。

2.3 SCS 系統

SCS 系統（Supervisory Control System）主要用于火電廠主機和輔機的控制、監測，能夠根據運行原則與順序，對設備的運行邏輯進行判斷，并進行結果分析與評估，發出控制指令，使設備按照預定的順序有序運行。在主機控制方面，SCS 系統能夠實現對主機的啟動、停機和負荷調節等操作進行控制，實時監測運行狀態與參數。在輔機控制方面，火電廠的輔助設備包括給水系統、除塵系統、排煙系統等，這些設備的運行對于火電廠的正常運行至關重要，SCS 系統可以對這些輔機進行控制，保證其按照預定的順序和參數運行，確保火電廠的運行效率和安全性。一般SCS 系統采用分層設計方式，將控制任務劃分為不同的層次，每個層次負責不同的功能和任務，但是，這樣會消耗一定的時間，因此，在控制中將優先級運算技術融入其中，通過給不同的控制任務和指令設置不同的優先級，系統可以根據任務的優先級來確定執行順序，確保重要任務得到優先處理，實現短時間內的順序控制。例如，如果存在一個緊急的設備故障需要立即處理，SCS 系統可以將該任務設定為最高優先級，確保系統能夠立即響應并采取相應的控制措施，而對于一些常規的設備調節或監測任務，可以設定較低的優先級，以便在有緊急任務時有機會被中斷或推遲執行。

2.4 DEH 系統

DEH 系統（Digital Electronic Governor System）是指汽輪機數字電液控制系統，是一種用于汽輪機組的自動調節和控制系統，通過數字電子和液壓傳動系統實現對汽輪機的調速和負荷控制。DEH 系統能夠實時監測汽輪機轉速，并根據設定值進行調整，確保汽輪機的轉速穩定在設定范圍內，通過控制汽輪機的調速閥，DEH系統可以精確地調節汽輪機的負荷和輸出功率。同時，DEH 系統能夠根據負荷需求實時調整汽輪機的輸出功率，通過對汽輪機的負荷控制閥進行控制，DEH 系統可以根據負荷變化的需求，調整汽輪機的輸出功率，確保系統的穩定運行。具體而言，機組帶負荷達到30%以上時，如果發生甩負荷現象，DEH 系統會通過油開關和調節級壓力來判斷情況，并提前關閉高、中壓調節閥，起到超速保護的作用，這是由于在發生甩負荷的瞬間，機組轉速還沒有上升到保護動作轉速之前，繼續供給燃油會導致機組轉速過高，可能會對設備造成損壞或危險，因此，在關閉高、中壓調節閥后，DEH 系統會延時3 ～4s，然后自動將高、中壓調節閥重新開啟，以維持汽機在同步轉速下空轉，保證汽機能夠迅速重新并網，并重新開啟高、中壓調節閥，可以恢復正常的負荷控制，使汽機能夠繼續運行在設定的轉速和負荷范圍內，保障系統的安全和穩定運行。此外，DEH 系統具有豐富的保護功能，能夠監測和保護汽輪機在運行過程中可能出現的異常情況。例如，當汽輪機轉速超過安全范圍、油壓異常、冷卻水溫度過高等情況發生時，DEH 系統會發出警報并采取相應的措施，以保護汽輪機的安全運行。

2.5 FSSS 系統

FSSS 系統（Flame Supervision and Combustion Control System）是指火焰監控和燃燒控制系統，用于火電廠燃燒設備的自動監控和控制，以確保燃燒設備的安全運行和高效燃燒。FSSS 系統通過使用傳感器和控制器來監測和控制燃燒設備的火焰狀況，傳感器可以檢測火焰的存在、強度和質量，監測爐膛內的溫度、壓力、氧含量，并將這些信息傳輸給控制器，然后控制器根據預設的邏輯和算法，對火焰進行實時監控和判斷，并根據需要調整燃燒設備的參數和操作，確保燃燒過程的安全性和穩定性，防止火災和爆炸的發生，并提高燃燒設備的效率、降低能源消耗，減少對人工監控和操作的依賴。

3 火電廠熱工自動化DCS 控制系統的運用優勢

3.1 高度集成與兼容

DCS 控制系統能夠集成多個子系統，如控制、監測、數據采集、報警等系統，應用傳感器、執行器、控制算法等，實現對整個火電廠熱工過程的全面控制和管理，通過一個統一的平臺，操作人員可以方便地監控和控制各個子系統的運行狀態，實現多個設備之間的協同運行，確保整個機組能夠高效穩定地運行。在電廠機組運行過程中，干擾源和控制參數往往呈現出非線性分布的特征，DCS 控制系統可以根據實際情況靈活調整控制策略和參數，以應對這些非線性分布的影響因素。同時，DCS 控制系統具有強大的計算和數據處理能力，可以實現各種高級控制算法，如模型預測控制、優化控制等，其中模型預測控制一種基于數學模型的控制方法，通過對過程的數學模型進行預測和優化，實現對系統的精確控制；優化控制是指根據系統的最優性原理，通過對控制變量進行優化，以達到最佳的系統性能。此外，DCS 控制系統采用開放的通信協議和標準接口，可以與電廠的監控系統、信息管理系統等進行數據交換和共享，提高系統的兼容程度和整體效能。

3.2 分布式控制

DCS 控制系統采用分散控制的方式，將控制功能分布在各個控制節點上，降低系統的單點故障風險，提高系統的可靠性和穩定性。同時，分布式控制也使得系統具有良好的擴展性，可以根據需要靈活地增加或減少控制節點。

3.3 智能監測與調節

DCS 控制系統具有實時監測和調節火電廠熱工過程的能力，通過各種傳感器和儀表設備，可以實時采集和監測火電廠各個關鍵參數的數值，并根據設定的控制策略進行調節，這樣可以保持火電廠的穩定運行，并及時對異常情況進行響應和處理。同時，采用遠程智能輸入輸出系統，提升系統測量的精準度，這是將計算機適配器、現場總線、智能前端等組合而成的獨立性系統，支持靈活的AD/DA 轉換，能夠滿足不同輸入輸出信號的需求，支持點對點、點對多等通信方式，采用集中管理與控制模式，實現主動系統信息轉換，并通過智能前端和現場總線的協作，將系統內部的信息轉化為適合外部系統理解的格式，提高系統的互操作性，使其與其他系統更好地集成和交互。

3.4 系統安全性

DCS 控制系統具有較高的系統安全性，通過權限管理和密碼控制等措施，可以限制不同用戶對系統的訪問和操作權限，防止未經授權的操作對系統造成損害。此外，DCS 控制系統還具有故障診斷和自動備份等功能，可以及時發現和處理系統故障，保證系統的可靠性和安全性。

4 結語

總之，電廠熱工自動化DCS 控制系統的運用，不僅能夠提高火電廠的運行效率和穩定性，還能夠減少運維成本，提高工作安全性，對于火電廠的可持續發展具有積極的促進作用。隨著科技的不斷進步，火電廠熱工自動化DCS 控制系統在未來將繼續發揮重要作用，并且將與其他技術和系統的融合進一步推動火電廠的智能化、高效化和可持續發展。