電氣自動化在火力發電廠中的應用研究

［摘 要］電氣自動化技術在我國火力發電工程中占據著重要地位。電氣自動化在火力發電廠中的全面應用是未來電廠發展的必然趨勢，有利于提升發電效率、保障發電安全、優化資源配置、降低發電成本，助力火力發電廠提升生產效能和經濟效益。現階段，電氣自動化在火力發電廠中的應用以常規控制、設備保護、監控系統3 方面為主，全面優化了機組控制水平、設備維護質量及流程監控效能。然而，要依托電氣自動化推動火力發電廠的可持續發展，就必須不斷探索電氣自動化在火力發電廠中的創新性應用，進而促進我國電力行業的穩定和繁榮。

［關鍵詞］電氣自動化；火力發電廠；應用；創新；可持續發展

［中圖分類號］TM76 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0074–03

電氣自動化兼具集成性和綜合性的特征，電氣自動化控制結合計算機信息技術可以發揮出整體控制、動態監控、靈活調整等優勢，將其應用于火力發電廠中，可以有效提升電廠的整體運轉質量和電能生產效率。近年來，隨著信息技術、新媒體及人工智能的迅猛發展，電氣自動化技術在火力發電廠中的應用成效得到了質的飛躍，基本實現了信息化的全面覆蓋，助力火力發電廠向著現代化、科技化、人性化的方向發展。

1 電氣自動化技術在火力發電廠中的應用價值

1.1 提升發電效率

火力發電廠以原煤、石油等燃料資源為生產要素，傳統的發電技術與設備難以實現資源的充分利用，一方面制約著火力發電廠生產效率的有效提升，難以滿足社會生產生活日益提升的用電需求，另一方面也極大增加了火力發電廠的發電成本，限制了發電廠經濟效益的全面提升。將電氣自動化技術應用于火力發電廠，可以通過強化生產流程和管理環節的自動化與信息化實現燃料的充分燃燒，提升各機組設備的運行質量和發電性能，使火力發電的效率和經濟效益得以大幅度提升。

1.2 保障發電安全

在火力發電廠中運用電氣自動化技術，可以結合信息技術實現對發電流程的實時監督與控制，依托計算機控制信號交換系統，可以實現動態數據向直觀曲線圖的轉換，進而實現設備運行狀態、機組輸出電能等數據信息監控的精細化、動態化和自動化，為火力發電廠的安全管理提供了更為便利的條件。同時，電氣自動化技術在火力發電廠中的應用可以對設備故障、人為操作誤差等進行實時上報，并結合監控設備對此提出警告，降低安全事故發生的概率，同時為安全管理措施的實施提供了有效的依據。

1.3 優化資源配置

火力發電廠的電能生產是一項兼具綜合性、系統性與復雜性的工程，并需要燃料、人員、設備等多方面的資源投入與大量的資金支持。傳統的電力生產流程存在明顯的資源浪費現象，不利于火力發電廠的可持續發展和現代化轉型。將電氣自動化技術運用于火力發電廠，可以優化傳統的生產作業方式和生產管理措施，實現人機結合操控的新格局和一體化操作的新模式，降低了作業人員的工作難度，提升了機器設備的運轉效能，促進了發電方案的革新，進而實現了人力、物力、財力等生產資源配置的整體性優化，有效帶動了火力發電廠的生產效益。

2 電氣自動化在火力發電廠中的應用措施

2.1 常規控制應用

火力發電是一個兼具系統性和復雜性的工程，將電氣自動化技術應用于常規控制中，可以有效提升控制手段的科學性和先進性。電氣自動化的常規控制應用包含以下3 個方面：①集中性控制。針對火力發電廠機器設備較多、生產流程復雜等固有特征，運用電氣自動化技術將鍋爐、汽輪機、發電機、制粉機燈光設備進行合理性搭配和集中性管理，可以強化各設備的運行效率，強化不同設備之間的協同配合，大幅提升發電效能；②自動化控制。依托電氣自動化技術，可以針對產能要求和設備運行情況制訂自動生產計劃，使各機組設備、生產人員、控制系統等依據自動生產計劃開展工作，有效降低了人為操作失誤和設備運行錯誤的情況，有助于電能產量的增加；③故障率控制。在電氣自動化技術的支持下，生產運行人員可以依托在線監測系統對各項機器設備的運行情況進行實時監督檢測，并建立自動化故障處理程序，以此在第一時間發現設備的運轉異常，并在自動化故障處理程序的輔助下運用電氣自動化技術進行及時處理，以此有效降低各種故障的發生概率和造成的損失。

2.2 設備保護應用

在火力發電廠中運用電氣自動化技術，可以通過機器設備與計算機的有效配合實現人機一體化，進而對各機組設備實施全面而有效的保護。電氣自動化的設備保護應用主要包括裝置保護、連鎖保護、繼電保護和防雷保護。①在火力發電廠中，鍋爐安全門、危機保安器等設備需要特別的保護性措施，應用電氣自動化技術可以強化各設備保護裝置的協調配合，使其按照電氣操控指令運行，提升了相關設備運行的安全性與穩定性；②火力發電廠中各項機組設備之間的關聯性較強，一項設備出現故障很容易影響關聯機組設備的運行，電氣自動化技術可以強化不同設備之間的連鎖保護，在異常出現的時候使故障設備自動停止運轉，避免故障進一步擴大；③依托電氣自動化技術可以實現計算機與繼電器的全面連接，以此實現對火力發電廠繼電器運行的自動化控制，進而通過熱工參量的指標實現對設備運轉情況的監測，并與其他相關設備形成閉合的保護回路，有效強化繼電器的全面保護；④防雷保護是火力發電廠的必要措施，電氣自動化的運用可以實現防雷器與各機組設備的有效配合，降低因雷擊造成的設備損壞和線路中斷，保證生產流程的正常開展。

2.3 監控系統應用

依托電氣自動化建立一個獨立的DCS（集散控制系統）子系統，可以實現對火力發電廠爐、機、電一體化運行的全面化、自動化監督控制。電氣自動化監控系統由站控層、通信層和間隔層構成。①站控層的組成要素包括操作員站點、維護站點、服務器、網關等，可以為DCS 實施后備控制提供技術基礎，并還可以為事故追溯、錄波分析燈光維護工作提供流程保障；②通信層由通信管理機、光纖網絡、第三方智能電氣設備、移動智能設備等構成，以通信管理機為核心實現通信接口的轉換和規約格式的切換，進而為電氣系統的網絡化覆蓋提供支持，并通過與DPU（數據處理器）串聯提升信息交換的整體效率；③間隔層以綜合保護裝置、發變組保護等智能化電氣設備為組成要素，主要針對及其設備系統的信息實施采集、處理、整合和傳輸等功能，可以為電氣自動化監控系統做出有效指令提供最可靠的信息數據依據。此外，要實現火力發電廠爐、機、電一體化運行，有賴于實現電氣監控系統與DCS 的有效通信和協調控制，因而需要以混合式連接運行的模式對兩者實施關聯，并采用RS–485總線技術實現快速安全的傳輸。

3 電氣自動化在火力發電廠中的應用創新

3.1 單元爐機組統一管理

電氣自動化在火力發電廠中的應用創新可聚焦于單元爐機組統一管理方面，依托DCS 將單元爐機組進行兼具統一性和協調性的串聯，同時發揮MIS（管理信息系統）管理系統數據采集的優勢，將火力發電廠分散的控制系統構建成一個集中性的大型一體化控制系統。以此為基礎，可以對火力發電廠整個機組的全部組成單位進行一致性控制和統籌性管理，依據產能計劃和流程運行情況實施合理控制，通過分析所有設備的運行參數和機組各部件的狀態信息，以精確調控和整體控制的手段使火電機組的運行狀態達到最佳，全面提升各機組的運行效能。此外，依托該模式，可以在某一設備或設備系統的運行參數發生變化和調整時，以兼具協調性和科學性的方式對其他爐機組的運行進行適應性調配，確保整合產能系統的穩定運行和高效運轉。這種創新模式的實施可以降低硬件方面的購置投入和維護投入，降低設備的損壞率和故障率，同時可以強化生產流程的簡潔化和迅捷化，減少不必要的控制環節和管理措施，使火力發電廠的整體運行達到最優。

3.2 I/O系統集中監控

這種創新方式需要將電氣的各饋線設置對應的I/O 接口，在硬接線電纜的連接下與集控室DCS I/O通道相關聯，進而在A/D 處理的支持下進入DCS 組態，以此使火力發電廠的全部電氣設備進入DCS 的監控范疇。這種創新型監控方式可以提升反應的速度和運行維護的效能，并有效降低監控站點的防護等級，達到降低DCS 購置價格的目的。然而，I/O 系統集中監控模式目前存在一定的缺陷與不足，這種模式要求火力發電廠的全部設備全部納入DCS 監控的系統范疇，因而監控對象會不斷增多，造成DCS 主機冗余，要保證該監控模式的正常運行就需要增加電纜的數量和控制樓的面積，而電纜數量的增加和電纜長度的加長勢必會對DCS 的穩定性造成一定的負面影響，最終限制I/O 系統集中監控模式的運行效能的發揮和控制效率的提升。因此，I/O 系統集中監控模式的實施依舊有待于繼續創新優化，現階段對該模式的應用需要結合火力發電廠的整體產能計劃和設備系統的運行情況確定，在總體評估和技術對比的前提下可以進一步拓展應用。

3.3 構建智能物聯網結構

將人工智能技術和物聯網的融合實施電氣系統的智能化控制，可以促進火力發電廠的技術革新。對此，需要依托新媒體構建智能控制平臺，依托網絡鏈接實現火力發電廠各機組設備與智能控制平臺的實時關聯，形成兼具協調性和統一性的物聯網結構。然后將大數據分析、云計算、算力模型、AIGC（生成式人工智能）等新媒體技術與人工智能技術構建廠區生產流程的數字化模型和可視化數據系統，全面構建智能化燃燒控制系統、智能化預警診斷系統及智能化工控信息系統。在物聯網的賦能下實現遠程智能化觀測和控制，可以3D 環物、增強現實等人工智能技術為基礎實現對燃料燃燒狀態的量化測定，以及對煤量、風門開度、氧量等要素的實時監控和自動化調節。借助物聯網和三維空間定位技術對火力發電廠實施三維建模，可以在虛擬現實和智能算力的支持下實施對隱蔽位置的可視化巡檢和自動化預警，為電廠各機組設備的穩定運轉提供保障。在物聯網和數據分析技術的融合下構建數據聯動模型，可以實現對鍋爐運轉、制粉系統、燃料堆放量等各項要素的參數收集和動態化智控，為整個電能生產流程的智能化管控提供客觀、科學的數據參考，促進整個機組系統的節能減耗和效能提升。

3.4 實施動態化保護手段

動態化保護手段是電氣自動化應用于火力發電廠最普遍的創新形式，以發電機組的實際運轉情況為基礎要素，以I/O 系統集中監控為依托，可以為控制人員實施動態化保護提供精確、有效的數據參考和參數依據，進而針對電廠各機組設備的運行情況實施除裝置保護、連鎖保護、繼電保護和防雷保護之外的動態化保護措施。針對集中監控系統采集的鍋爐爐膛溫度、爐內溫度、含氧量等參數，結合各機組設備的整體運轉情況和輸電要求對鍋爐的溫度實施動態化控制，在保證鍋爐運轉負荷的情況下，確保鍋爐及相關設備的安全性與穩定性。依托新媒體平臺和互聯網構建的安防集成管理系統，可以數字化的形式實現對主廠房和水、煤、灰等廠區的實時化視頻監控，為控制人員和安防人員提供廠區外部環境和內部環境的實時化影像，進而使相關人員借助紅外監控、異常報警、智能化門禁等技術，針對各監控場景中相關要素的變化技術做出保護性措施和應對性防范，以確保廠區的安全和各重要場所秩序的穩定，為火力發電廠的高效運行提供堅實的保障。

4 結束語

近年來，電氣自動化技術為火力發電廠的發展帶來了新的機遇，助力火力發電行業的持續繁榮。電氣自動化的應用提高了火力發電廠的綜合產能與運轉效率，提升了生產原料的利用率，為火力發電廠創造更多經濟效益的同時，也保障了社會生產生活的用電需求。未來火力發電廠在電氣自動化技術的運用方面需要秉承“創新發展”理念，以創新性應用強化電氣自動化技術在火力發電廠中的效能發揮，全面實現生產流程與管理環節的自動化和智能化，使火力發電廠真正成為技術創新型企業。

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