浅析热工自动化的发展趋势
- 2011/8/8 10:21:42 4839
- 来源：顽石
摘要：
导读：电厂热工自动化是在火力发电的道路中慢慢发展而来的，自动化的发展也为我国的电力事业提供了有效的基础。目前，我国在火力发电加强了技术改革，现阶段的电厂热动自动化已经得到了很大的发展。随着世界高科技的飞速发展和我国机组容量的快速提高，电厂热工自动化技术不断地从相关学科中吸取新成果而迅速发展和完善。
近几年更是日新月异：一方面作为机组主要控制系统的DCS，已在控制结构和控制范围上发生了巨大的变化；另一方面随着厂级监控和管理信息系统（SIS）、现场总线技术和基于现代控制理论的控制技术的应用，给热工自动化系统注入了新的活力。通过先进控制技术的应用，火力发电有望发展成为“环境友好”型行业，既为社会发展对能源的需求作出贡献，又促进了自身的发展。
热工自动化的现状
热工自动化技术是一种运用控制理论、热能工程技术、智能仪器仪表、计算机技术和其他信息技术，对热力学相关参数进行检测、控制，从而对生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理、决策，达到确保安全、增加产量、提高质量、降低消耗、减员增效等目的的综合性高新技术。它主要是指对锅炉、汽机及其辅助设备运行的自动控制，使机组自动适应工况的变化，且保持在安全、经济的条件下运行。
一般来说，热工控制系统是由测量装置、执行机构和控制系统三大部分组成。其中，测量装置和执行机构在原理和结构上没有新的变化，只是引入了智能化、网络通信接口、微处理器等，可以实现计算机远程设定、控制，逐步向现场总线方向发展，其核心已逐步由计算机控制系统取代。
由于火电厂的特殊性，涉及的势力设备众多、热力系统庞大，生产过程复杂，多数设备长期处于高温、高压、高速、易燃等恶劣的条件下，现代热工控制系统往往还包括自动保护、自动检测、自动报警、顺序控制等内容。
在“十一五”期间，SIS应用技术走向成熟、DCS进一步发展以及现场总线的快速应用，火电厂掀起了信息化建设的浪潮，纷纷向数字化电厂转型。虽不断提高，但差距仍在，主要表现在机炉电整体控制程度不高；热工测量及仪表工艺有待提高；安全监视和保护装置覆盖面窄，功能不全；机组自动调节自动投入率低；程序控制投入使用少以及开环应用多。
目前单元机组实现了集中控制、电气控制纳入了DCS，实际上热工自动化和电气自动化仍然没有达到真正的一体化。今后，一台单元机组仅设1位主值班员，电气控制必须与汽轮机、锅炉控制形成一个整体，只有做到这一点，才能使我国火电厂自动化水平跻身于先进水平行列。
热工自动化的新进展
伴随着自动化技术的发展，热工自动化技术也发展非常快。新原理、新材料、新工艺生产的各种传感器、变送器不断地被开发出来，控制系统、控制装置也是日新月异。新的控制理论和控制策略不断涌现，并且在生产实践中得到应用。
先进理念、算法打造APS
“交叉引用、条件自举”理念认为模拟量自动调节回路把开关量顺序控制的设备启停进程状态引作转换工作方式的条件，开关量顺序控制系统把模拟量自动调节回路的工作方式用作启动的条件，相互交叉引用。一俟对方条件满足，顺序控制或自动调节回路便自行推升控制层次，完成条件自举，进而自主执行后续任务。该理念使得在复变控制系统中实现全工况、全过程、全自动运行成为可能。
针对复变系统而采用“交叉引用、条件自举”的新理念彻底改变了传统控制方法，优化了系统划分、启停顺序和操作方式，基础逻辑着落在智能控制、本质安全。相对于机组正常运行，机组启停固然时间短暂，但机组适应各种工况的自动控制能力和可靠性却因APS而极大提升，安全、经济运行长远受益。
因此，机组自动程序启停系统（APS）具有一键顺序控启停、二套调节贯全程、三种状态两切换、四级控制分工明、五项功能归一统，六个断点续自动等特点，自1999年在珠海发电厂开始应用到现在，几乎不存在误操作的可能，实践证明：设计科学、久经实战，功能成熟、使用方便，运行可靠、经济安全，为机组长期稳定运行发挥了重要作用。
电厂三维、协同设计工作
随着计算机技术不断发展，21世纪开始的三维技术在电厂设计中逐步应用。三维设计给电厂设计带来革命，也给数字化电厂提供强有力的技术手段，贯穿于电厂的整个生命周期。同时，由于协同制造理念的引入，广东电力设计研究院开始了将三维技术与协同设计相结合的应用研究。
由于采用了各专业设计元素同一数据库以及三维模型全部参数化，并以数据的方式存放在同一数据库内，可以以三维模型的方式去显示，在三维模型中可以浏览、漫游模型中的所有含属性的参数，三维和二维可以互相关联，从而三维与协同技术给数字化电厂管理实现提供了很好的基础平台，有了所需同一、强大的基础数据库平台，进行二次开发工作，利用现有的功能软件包可以实现数字化电厂管理工作。
通过电厂三维模型，既可可视化观看，又可进行数字化管理，如厂区、厂房内的漫游设备、管道的参数、定位坐标，特别是与MIS相结合，实现的、可视化的电厂数字化管理系统。目前，协同设计工作已在阳江核电一期工程中开展P&ID图的专业间协同设计工作，已经完成机务专业各工艺系统的P&ID协同设计，达到了预期的效果。
FDCS：电气热工控制一体化
现场总线作为一个完整的现场总线控制系统，目前还难以迅速应用到整个电厂中，而DCS虽然是电厂目前在线运行机组的主流控制系统，但由于其检测和执行等现场仪表信号仍采用模拟量信号，无法满足工程师站上对现场仪表进行诊断、维护和管理的要求，限制了控制过程视野。
未来一段时间里，现场总线将与DCS、PLC相互依存发展，现场总线借助于DCS和PLC平台发展自身的应用空间，DCS和PLC则借助于现场总线完善自身的功能。
如，基于控制器实现FCS和DCS的融合的FDCS兼容传统DCS和FCS，实现热工电气控制一体化。相比各自独立的DCS和FCS，FDCS就具有无比的优越性。它采用现场总线实现智能装置的就地化，接入智能传感器、执行器，节省电缆、信息丰富，方便安装调试；采用仿真控制一体化技术，对于全厂运行指导、性能分析提供了应用平台。同时电气保护测控单元通过FCS进入FDCS系统，实现电气热工一体化。
节能环保高压变频技术应用
节能能源、降低消耗，构建资源节约型、环境友好型社会已是当今社会发展的一个永恒的话题。发电厂要生存，必须要顺应节能环保的趋势，利用变频器技术改造成为当前火电厂的重要工作。
通过研究和分析，液力耦合、内反馈调速逐步被变频器所替代，为此现阶段实施变速驱动的主要手段是变频器。鉴于功率模块串联多电平变频器输出接近正弦波，输入采用30脉冲及以上的整流，输入、输出谐波都很小，对电网和电动机没有什么影响，技术成熟，国内有大量生产厂家，造价也较低，因此5000KW以下的设备优先采用功率模块串联多电平变频器。高于5000KW以上电动机变频改造应选用三电平技术的变频器，近年来大容量串联多电平变频器也广泛使用。
高压变频器经过十多年的发展，从设计技术、制造技术和电力电子元件的质量有了质的飞跃，可靠性得到很大的提高，基本做到两年无故障纪录。通过调研，高压变频设备质量完全满足电厂驱动的要求，在其它电力公司应用较为广泛。
总之，随着国家法律对环保日益严格的要求和计算机网络技术的进步，未来热工系统将围绕“节能增效，可持续发展”的主题，向无线化、智能化、网络化、透明化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展，新的测量控制原理和方法不断得以应用，将使机组的运行操作和故障处理，象操作普通计算机一样方便。
近几年更是日新月异：一方面作为机组主要控制系统的DCS，已在控制结构和控制范围上发生了巨大的变化；另一方面随着厂级监控和管理信息系统（SIS）、现场总线技术和基于现代控制理论的控制技术的应用，给热工自动化系统注入了新的活力。通过先进控制技术的应用，火力发电有望发展成为“环境友好”型行业，既为社会发展对能源的需求作出贡献，又促进了自身的发展。
热工自动化的现状
热工自动化技术是一种运用控制理论、热能工程技术、智能仪器仪表、计算机技术和其他信息技术，对热力学相关参数进行检测、控制，从而对生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理、决策，达到确保安全、增加产量、提高质量、降低消耗、减员增效等目的的综合性高新技术。它主要是指对锅炉、汽机及其辅助设备运行的自动控制，使机组自动适应工况的变化，且保持在安全、经济的条件下运行。
一般来说，热工控制系统是由测量装置、执行机构和控制系统三大部分组成。其中，测量装置和执行机构在原理和结构上没有新的变化，只是引入了智能化、网络通信接口、微处理器等，可以实现计算机远程设定、控制，逐步向现场总线方向发展，其核心已逐步由计算机控制系统取代。
由于火电厂的特殊性，涉及的势力设备众多、热力系统庞大，生产过程复杂，多数设备长期处于高温、高压、高速、易燃等恶劣的条件下，现代热工控制系统往往还包括自动保护、自动检测、自动报警、顺序控制等内容。
在“十一五”期间，SIS应用技术走向成熟、DCS进一步发展以及现场总线的快速应用，火电厂掀起了信息化建设的浪潮，纷纷向数字化电厂转型。虽不断提高，但差距仍在，主要表现在机炉电整体控制程度不高；热工测量及仪表工艺有待提高；安全监视和保护装置覆盖面窄，功能不全；机组自动调节自动投入率低；程序控制投入使用少以及开环应用多。
目前单元机组实现了集中控制、电气控制纳入了DCS，实际上热工自动化和电气自动化仍然没有达到真正的一体化。今后，一台单元机组仅设1位主值班员，电气控制必须与汽轮机、锅炉控制形成一个整体，只有做到这一点，才能使我国火电厂自动化水平跻身于先进水平行列。
热工自动化的新进展
伴随着自动化技术的发展，热工自动化技术也发展非常快。新原理、新材料、新工艺生产的各种传感器、变送器不断地被开发出来，控制系统、控制装置也是日新月异。新的控制理论和控制策略不断涌现，并且在生产实践中得到应用。
先进理念、算法打造APS
“交叉引用、条件自举”理念认为模拟量自动调节回路把开关量顺序控制的设备启停进程状态引作转换工作方式的条件，开关量顺序控制系统把模拟量自动调节回路的工作方式用作启动的条件，相互交叉引用。一俟对方条件满足，顺序控制或自动调节回路便自行推升控制层次，完成条件自举，进而自主执行后续任务。该理念使得在复变控制系统中实现全工况、全过程、全自动运行成为可能。
针对复变系统而采用“交叉引用、条件自举”的新理念彻底改变了传统控制方法，优化了系统划分、启停顺序和操作方式，基础逻辑着落在智能控制、本质安全。相对于机组正常运行，机组启停固然时间短暂，但机组适应各种工况的自动控制能力和可靠性却因APS而极大提升，安全、经济运行长远受益。
因此，机组自动程序启停系统（APS）具有一键顺序控启停、二套调节贯全程、三种状态两切换、四级控制分工明、五项功能归一统，六个断点续自动等特点，自1999年在珠海发电厂开始应用到现在，几乎不存在误操作的可能，实践证明：设计科学、久经实战，功能成熟、使用方便，运行可靠、经济安全，为机组长期稳定运行发挥了重要作用。
电厂三维、协同设计工作
随着计算机技术不断发展，21世纪开始的三维技术在电厂设计中逐步应用。三维设计给电厂设计带来革命，也给数字化电厂提供强有力的技术手段，贯穿于电厂的整个生命周期。同时，由于协同制造理念的引入，广东电力设计研究院开始了将三维技术与协同设计相结合的应用研究。
由于采用了各专业设计元素同一数据库以及三维模型全部参数化，并以数据的方式存放在同一数据库内，可以以三维模型的方式去显示，在三维模型中可以浏览、漫游模型中的所有含属性的参数，三维和二维可以互相关联，从而三维与协同技术给数字化电厂管理实现提供了很好的基础平台，有了所需同一、强大的基础数据库平台，进行二次开发工作，利用现有的功能软件包可以实现数字化电厂管理工作。
通过电厂三维模型，既可可视化观看，又可进行数字化管理，如厂区、厂房内的漫游设备、管道的参数、定位坐标，特别是与MIS相结合，实现的、可视化的电厂数字化管理系统。目前，协同设计工作已在阳江核电一期工程中开展P&ID图的专业间协同设计工作，已经完成机务专业各工艺系统的P&ID协同设计，达到了预期的效果。
FDCS：电气热工控制一体化
现场总线作为一个完整的现场总线控制系统，目前还难以迅速应用到整个电厂中，而DCS虽然是电厂目前在线运行机组的主流控制系统，但由于其检测和执行等现场仪表信号仍采用模拟量信号，无法满足工程师站上对现场仪表进行诊断、维护和管理的要求，限制了控制过程视野。
未来一段时间里，现场总线将与DCS、PLC相互依存发展，现场总线借助于DCS和PLC平台发展自身的应用空间，DCS和PLC则借助于现场总线完善自身的功能。
如，基于控制器实现FCS和DCS的融合的FDCS兼容传统DCS和FCS，实现热工电气控制一体化。相比各自独立的DCS和FCS，FDCS就具有无比的优越性。它采用现场总线实现智能装置的就地化，接入智能传感器、执行器，节省电缆、信息丰富，方便安装调试；采用仿真控制一体化技术，对于全厂运行指导、性能分析提供了应用平台。同时电气保护测控单元通过FCS进入FDCS系统，实现电气热工一体化。
节能环保高压变频技术应用
节能能源、降低消耗，构建资源节约型、环境友好型社会已是当今社会发展的一个永恒的话题。发电厂要生存，必须要顺应节能环保的趋势，利用变频器技术改造成为当前火电厂的重要工作。
通过研究和分析，液力耦合、内反馈调速逐步被变频器所替代，为此现阶段实施变速驱动的主要手段是变频器。鉴于功率模块串联多电平变频器输出接近正弦波，输入采用30脉冲及以上的整流，输入、输出谐波都很小，对电网和电动机没有什么影响，技术成熟，国内有大量生产厂家，造价也较低，因此5000KW以下的设备优先采用功率模块串联多电平变频器。高于5000KW以上电动机变频改造应选用三电平技术的变频器，近年来大容量串联多电平变频器也广泛使用。
高压变频器经过十多年的发展，从设计技术、制造技术和电力电子元件的质量有了质的飞跃，可靠性得到很大的提高，基本做到两年无故障纪录。通过调研，高压变频设备质量完全满足电厂驱动的要求，在其它电力公司应用较为广泛。
总之，随着国家法律对环保日益严格的要求和计算机网络技术的进步，未来热工系统将围绕“节能增效，可持续发展”的主题，向无线化、智能化、网络化、透明化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展，新的测量控制原理和方法不断得以应用，将使机组的运行操作和故障处理，象操作普通计算机一样方便。
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