火力發電廠熱控保護及控制技術分析探究

摘要：隨著技術進步和環境法規的日漸嚴格，熱控技術在當前火力發電廠中有著廣泛的應用，能夠有效保護火力發電廠的電網系統以及各種機組設備，為確保供電系統運行提供堅實基礎，因此采取合理的熱控保護以及控制技術有著重要意義?；诖吮疚慕Y合具體案例，對火力發電廠熱控保護以及控制技術進行分析研究，旨在進一步提高火力發電廠的控制與保護效果，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：火力發電廠熱控保護控制技術電網系統

中圖分類號：TM73

AnalysisofThermalControlProtectionandControlTechnologyinThermalPowerPlants

ZHUJiaying

ShanghaiElectricPowerConstructionStartAdjustmentTestingInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200092China

Abstract：Withtheadvancementoftechnologyandtheincreasingstrictnessofenvironmentalregulations，ThermalControltechnologyiswidelyusedincurrentthermalpowerplants.Itcaneffectivelyprotectthepowergridsystemandvariousunitequipmentofthermalpowerplants，providingasolidfoundationforensuringtheoperationofthepowersupplysystem.Therefore，itisofgreatsignificancetoadoptreasonablethermalcontrolprotectionandcontroltechnology.Basedonthis，thearticlecombineswithspecificcasestoanalyzeandstudythethermalcontrolprotectionandcontroltechnologyofthermalpowerplants，aimingtofurtherimprovethecontrolandprotectioneffectivenessofthermalpowerplantsandprovidereferenceforrelevantpersonnel.

KeyWords：Thermalpowerplant;Thermalcontrolprotection;Controltechnology;Powergridsystem

火力發電廠通過燃燒化石燃料，如煤、天然氣或石油，將化學能轉換為熱能，隨后通過一系列精密的熱控制系統將熱能轉換為機械能，并最終生成電能，這一過程不僅涉及復雜的物理化學變化，同時也對控制技術提出了高標準的需求，以確保發電效率的最大化和設備運行的安全性。隨著技術進步和環境法規的日漸嚴格，火力發電廠面臨著優化運行效率和降低排放的雙重挑戰，在這樣的背景下，熱控保護與控制技術成為了火力發電領域的關鍵研究課題，主要負責監視和調節鍋爐、汽輪機等關鍵部件的溫度、壓力和流量等參數，保證發電過程的穩定性和安全性。

1案例分析

以某電廠為例，一家采用先進超臨界技術的火力發電廠，裝機容量為800MW，2023年11月，該電廠的主鍋爐發生超溫故障，故障發生時鍋爐的實際出口蒸汽溫度達到605℃，超過設計的最高允許溫度595℃，經過調查分析此次超溫事件是由于燃燒控制系統故障導致燃煤量突然增加，同時給水溫度低于預期，導致蒸汽溫度迅速上升。故障發生后熱控保護系統迅速響應，控制系統立即啟動噴水降溫程序，通過噴水調節蒸汽溫度，2min內將蒸汽溫度控制在598℃，然后自動燃燒調節系統調低燃煤供給速率，優化燃燒效率，進一步穩定了蒸汽溫度，而后系統又自動記錄了所有關鍵參數和操作，為事后分析故障原因和優化熱控策略提供數據支持，通過這一系列快速有效的響應措施，該電廠成功避免了設備的進一步損壞以及造成的停機損失，保障其經濟效益。具體采用的熱控系統結構如圖1所示。

2火力發電廠熱控保護技術

2.1控制保護邏輯優化

傳統熱控保護系統側重于遵循固定的程序和參數設置來防止設備超載或故障，然而隨著技術的進步，更多的優化控制策略被應用于提升系統的響應速度和適應性，具體的優化方法是采用自適應控制技術，通過實時監測鍋爐、汽輪機和發電機的工作狀態，自適應控制系統能夠動態調整控制參數，以適應不同的運行條件和預防潛在的安全風險，如果傳感器檢測到汽輪機的溫度快速上升，控制系統會自動調整燃燒速率或水的供給量，以避免過熱，當前先進模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）也被用于優化火力發電廠的熱控保護邏輯，MPC通過建立設備的數學模型，并預測未來的運行情況，來優化控制指令，例如：在MPC框架下，可以根據預測的電網需求和燃料價格，調整發電量和燃料消耗，以實現成本效益最大化同時保證設備安全，在本次案例中，使用自適應控制和MPC技術的火力發電廠，其設備故障率比傳統控制策略低約15%，同時發電效率提高約5%，這種控制保護邏輯的優化不僅提升了火力發電廠的經濟效益，同時也顯著增強了系統的安全性和可靠性[1]。

2.2無憂切換邏輯

無擾切換是指在控制系統發生故障或需要進行維護時，能夠在不影響整個系統運行的前提下，無縫地從一個控制策略轉換到另一個控制策略，在該邏輯影響下，系統會持續監測運行狀態和關鍵參數，如壓力、溫度和流量等，在切換前主控系統會根據當前運行條件自動計算目標控制策略的初始設定值，以確保這些關鍵參數在切換過程中保持穩定，當系統從手動控制模式切換到自動控制模式時，系統會先評估當前手動設置的有效性，并逐步調整至自動控制算法計算出的最優設定點，這一過程中控制系統會利用先進的PID控制算法，通過調整PID參數（比例、積分、微分）來最小化設定值和實際輸出之間的偏差，具體計算公式如（1）。

式（1）中：表示比例系數；表示積分系數；表示設定值與實際輸出之間的誤差；表示積分系數。

此外無擾切換邏輯還包括使用軟件邏輯和硬件冗余設計來增強系統的可靠性，在硬件層面，雙系統冗余（如雙PLC系統）確保主控制系統發生故障時，備份系統能立即接管控制，而無須人工干預，從而實現真正的無擾切換，同時在切換過程中，如果水位的波動范圍控制在±5mm之內，遠低于安全運行標準的±10mm，證明了無擾切換技術的有效性和可靠性，為火力發電廠的安全穩定運行提供有力保障[2]。

2.3增設保護投入和解除控制按鈕

在火力發電廠中，對于重要的保護項目，如鍋爐水位過低保護、汽輪機超速保護等，往往設計有手動增設保護投入和解除控制按鈕，這些按鈕允許操作人員根據系統狀態手動介入保護系統的工作，對于鍋爐水位過低保護系統，如果因為某些非正常原因造成誤動作，可以通過按下解除保護按鈕來暫時解除這一保護，避免鍋爐由于保護動作而導致不必要的停爐，在增設保護投入按鈕（ProtectioninputButton，PB）過程中，當系統處于維修或檢修狀態時，為防止意外啟動，可以通過此按鈕強制增加一個保護信號，進而使相關的保護邏輯被強制執行，而再解除控制按鈕（ReleasecontrolButton。RB）過程中，當誤動作發生，經評估認為系統可以安全運行時，操作人員可以按下此按鈕，將保護邏輯置于解除狀態，允許系統繼續運行或進行復位處理，具體邏輯理論與影響內容如表1所示。

另外，在使用這些控制按鈕時，必須遵守嚴格的程序和審批流程，確保只有在確認無風險的情況下才能操作，以防止誤操作帶來的安全風險，通常這些按鈕都會有相應的指示燈或者狀態顯示，以反映當前保護狀況是否被手動投入或解除，并且要求保證所有的操作行為都需要記錄在案，并有相應的日志管理系統進行追蹤分析[3]。

2.4熱控系統電源優化

電源優化主要優化方法包括電源管理策略的改進、使用高效的變頻器，以及通過智能監控系統實時調整能耗，電源管理策略的改進旨在通過先進的算法優化整個發電過程的能源分配。例如：可以采用負荷預測技術，根據歷史數據和實時數據，預測短期內的能源需求變化，從而調整發電量，減少能源浪費，通過設定能源消耗的優化目標，最大限度地減少燃料消耗和降低運營成本，電源管理系統能自動調整設備運行狀態，實現更高的能效[4]。

高效的變頻器在電源優化中扮演著重要角色，變頻器能夠調節電動機的運行速度，按需提供動力，從而減少不必要的能耗，通過對鍋爐鼓風機和引風機使用變頻器控制，能夠根據鍋爐的實際運行情況調整風機速度，實現能源的精準分配和利用，研究顯示，這種方法可以節約10%～30%的電能。由于變頻器通過調整電機的運行頻率來節省能源，具體變頻器的能效計算公式如下。

式（2）中：表示變頻器能效，單位為%；表示電機在標準運行條件下的功率，單位為kW；表示變頻器使用后的功率，單位為kW。

最后智能監控系統的引入使得熱控系統的電源優化更加精細化。這類系統通過傳感器實時收集設備運行數據，如溫度、壓力和流量等，利用機器學習算法分析數據，及時發現能效低下的環節，自動調整控制策略，例如：通過分析鍋爐的燃燒效率和排放數據，智能系統可以調整燃燒器的工作狀態，優化燃料的燃燒率，提高熱效率。

3火力發電廠熱控系統控制技術

3.1PID控制應用

在火力發電廠的熱控系統中，比例—積分—微分控制器是一種廣泛使用的控制策略，其主要目的是維護系統參數（如溫度、壓力和水位）在設定點的穩定運行，PID控制器的工作原理基于3個主要元素，包括比例（P）、積分（I）和微分（D），比例部分負責減少設定點與過程變量之間的偏差，積分部分則用來消除持續的偏差，而微分部分則預測未來的偏差，以改善控制動作的響應速度和穩定性。以鍋爐水位控制為例，PID控制器能夠根據水位與目標水位的偏差進行實時調整，如果水位低于目標水位，PID控制器增加給水泵的送水量，如果水位過高，控制器則減少送水量，通過這種方式PID控制器確保鍋爐的安全和有效運行，假設鍋爐的目標水位為3m，當前水位檢測為2.8m，PID控制器通過計算偏差（0.2m），并應用PID公式（調整參數設定為Kp=0.5，Ki=0.05，Kd=0.1），計算出控制信號的調整值，如果此時的比例輸出為0.1m，積分輸出為0.01m，微分輸出為0.02m，控制器會相應增加給水量，直到水位回到目標水位附近。

3.2先進控制策略

在火力發電廠的熱控系統中，傳統的PID控制雖然廣泛應用，但在處理復雜、非線性的動態系統時往往顯得力不從心，因此為了提高控制系統的效率和響應速度，越來越多的先進控制策略被研究并投入使用，其中模糊控制和神經網絡控制是兩種非常有效的方法。

模糊控制基于模糊邏輯，能夠處理系統內部的不確定性和模糊性，在火力發電廠的熱控系統中，例如：鍋爐的水位控制和汽輪機的速度控制，模糊控制器可以通過設定一系列的模糊規則，如“如果水位高，那么減少給水速率；如果水位低，那么增加給水速率”，來調整控制行為。這些規則是基于專家經驗和操作員的直覺來設置的，使得控制系統即使在參數變化或是外部擾動的情況下，也能保持穩定運行，模糊控制器在鍋爐水位控制中比傳統PID控制更能抵抗系統的動態變化，可減少水位波動約30%。神經網絡控制利用人工神經網絡的學習能力對復雜系統的動態進行建模和預測，在熱控系統中神經網絡可以基于歷史數據學習系統的行為，然后預測未來的系統響應，從而實現更精確的控制。例如：在汽輪機的溫度控制中，神經網絡能夠預測和調整蒸汽流入的速度，以維持最優的輸出溫度，通過對過去操作數據的深入學習，神經網絡控制器能夠在遇到未知的操作條件時快速適應，提高系統的整體效率和安全性，使用神經網絡控制的火力發電廠在能效上提高約5%，并且在異常情況下的響應時間比傳統系統快約20%。

3.3控制系統優化

控制系統優化包括兩種優化策略，分別為模型預測控制（Modelpredictivecontrol，MPC）和遺傳算法，MPC是一種先進的控制策略，它使用動態模型來預測未來的系統行為，并解決受多重約束條件影響的優化問題，通過實時求解一個有限時間范圍內的最優控制問題，MPC不僅能夠處理多變量控制問題，也適用于非線性系統，例如：在鍋爐的燃燒控制中，MPC可有效地協調燃料供給與空氣流量，以穩定燃燒溫度并減少污染物排放。遺傳算法是一種仿生優化技術，它通過模擬自然選擇和遺傳機制來找到問題的最優解。在火力發電廠的熱控系統中，遺傳算法可以用來優化PID控制器參數，通過定義適應度函數來評價PID參數設置的性能，遺傳算法不斷迭代尋找最優的參數組合[5]。

4結語

綜上所述，熱控保護與控制技術對于火力發電廠運行有著至關重要的影響，能夠進一步保障系統的安全性，直接關系到發電廠本身的社會效益和經濟效益，因此，在具體生產的過程中，要求加強對員工安全意識以及安全技能的培養，并在此基礎上進一步改善系統整體控制和設計，進一步提高發電廠技術和設備的適用性，重視對智能化和網絡化的應用，考慮可再生能源趨勢對火力發電熱控保護技術未來的影響，最終促進火力發電廠在未來能源網絡中的穩定和可持續發展。

參考文獻

[1] 劉永強.發電廠PLC熱控系統的干擾問題與對策分析[J].集成電路應用，2023，40（11）：332-334.

[2] 趙創.火力發電廠的熱控保護技術及實施要點研究[J].應用能源技術，2022（11）：11-13，24.

[3] 馬立輝，鄭少恒.火力發電廠調試過程中熱控常見問題研究[J].中國高新科技，2022（16）：36-38.

[4] 張亞杰.火力發電廠的熱控保護技術及實施要點分析[J].中國高新科技，2021（14）：25-26.

[5]吳新鵬.既有火力發電廠綜合品質提升策略研究[D].濟南：山東建筑大學，2024.