自动控制在火电厂热工自动化中的应用

国能锦界能源有限责任公司 郑 磊

为满足日益增长的社会电力需求，我国的供电方式也在不断的进行创新，由原来单一的火力发电形式逐步的向风力发电、水力发电、太阳能发电等多元形式发展。新能源发电在提高发电量的同时，也减少了对资源的消耗和对环境的污染程度。但是从目前来看，无论是风力、水力还是太阳能发电，都受外界环境因素的影响很大，而且在技术层面还有很多亟待解决的问题，发电量不高、电力供应不是很稳定。

我国的主要发电形式仍以火力发电为主，火力发电过程中，装机容量的不断增大，设备的复杂程度也越来越高，设备运行监控的难度也越来越大。其中，热工控制系统是对热力设备进行监控的重要系统，对于机组的运行有重要的作用。自动化控制理论的应用，可让火电厂热工自动化水平得以提升，提高系统的可靠性和自我平衡能力，确保火电厂机组能够安全稳定运行。

1 火电厂热工自动化控制系统

在工业领域中，火力发电是应用自动控制技术比较早的行业。在早期的控制理论中，由于没有计算机这样的计算工具，主要是通过一些图表和曲线来进行系统的分析、设计。系统是单一的输入、输出关系，而这种关系的描述主要是通过传递函数来实现的，这些属于经典控制理论。后来随着计算机技术的快速发展，控制系统也越来越复杂，单一的传递函数已经不能进行复杂的系统描述，状态空间法应运而生[1]。该方法代替了传递函数单一的系统描述，问题处理的范围更加的广泛，可以较好地描述复杂系统，并且经过不断的发展逐步形成了现代控制理论。

近年来，随着人工智能技术、网络通信技术等多种现代技术的发展，基于计算机技术的自动控制系统越来复杂，由于神经网络控制理论、模糊控制理论的广泛应用，从而让控制理论也越来越智能化。智能控制理论为自动控制提供了整体控制的理论基础和技术支持，让控制系统由原来单一的小系统控制发展成为多个小系统关联的大系统控制，可以更好的满足复杂的控制要求，进而更好的对设备参数进行监控。

火力发电是利用煤炭资源进行多层次能量转化的过程，整个生产过程复杂，涉及到的设备众多，而且设备长期运行，运行的环境也比较复杂，需要对热工设备进行实时的监控。通过对热力设备运行参数的监控，对一些重要的热力参数（温度、液位、压力、流量等）进行实时调整和优化，使其能够随着机组的负荷变化而不断调整，让机组运行更加的稳定，经济效益更高，实现这些就需要热工自动控制系统[2]。

火力发电厂热工自动控制系统主要包括热工检测、自动控制和自我保护几个重要的方面。热工检测是利用相关的检测仪表对热工设备的运行参数进行实时检测，通过显示、记录以及调整等方式来确保运行参数在正常的范围内运行；自动控制就是通过自动控制装置来实现对机组设备的控制，是按控制顺序来进行机组的启动及停运过程的，包括故障处理中都要用到自动控制。

自动保护是当机组的设备运行出现异常时、或热工参数超出正常范围时，系统为防止发生更大事故，会自动执行联缩执令，停止设备运行，保护设备。在实际运行中，常见的主要有汽轮机自我保护（超速保护、振动保护等）和锅炉自我保护（超温保护、超压保护以及主蒸汽压力保护和辅机的启停保护等）。

2 自动控制在火电厂热工自动化中的作用

2.1 优化热工系统

在热工自动化控制系统中汽轮机是重要的运行设备，主要负责将蒸汽热能转化为机械能，带动发电机工作进行发电。无论是冲动式汽轮机还是反动式汽轮机，运行都离不开高温高压的蒸汽，而蒸汽量大小需要根据机组的负荷进行调整。调整的依据之一就是流量监控仪表系统的反馈数据，因此，监视仪表系统的稳定性对于蒸汽量的调整具有重要的作用。通过自动控制可优化监视仪表系统，降低其故障发生率，而且结合实际的运行工况，优化监视仪表系统的性能，减少机组误动概率，确保机组稳定运行[3]。

另外，自动控制技术可以提高接地的可靠性以及抗干扰能力。在实际运行中，外界环境因素对机组的影响除了高温、潮湿、粉尘等易损坏零部件以外，还有就是对系统本身的干扰。由于外界环境的干扰，导致热工控制系统出现数据监测不准确、系统运行不稳定的情况。由此导致控制系统发出一些错误的指令，让本来运行正常的参数在错误指令下进行调整，与机组的实际运行情况不符。这样的话，可能会导致运行设备出现故障，或者是出现机组误动跳闸等。

比如，由于磁场干扰导致的热工控制系统运行异常会引发系统的误动。通过自动控制可提高热工控制系统接地可靠性，如在信号测量中采用单点信号测量的方式提高信号的准确度，减少系统的故障发生率。

2.2 优化安全生产指标

安全是任何企业生产的重中之重，火电厂生产中热工控制系统的优化首要考虑的就是安全指标，确保机组能够安全稳定运行，再通过相关的技术引进、参数优化等来达到减少能源消耗、降低排放目的。在日常的运行中，如果设备运行出现问题导致热工系统出现故障，就会影响机组的运行。有的故障需要进行停机后才能排除，零部件的更换以及大量的整修，会消耗一些资源，导致库存备件减少，同时机组的重新启动也需要消耗大量的燃料。在机组非正常停机检修的过程中，资源的消耗让火电厂的节能减排工作受到严重影响[4]。

因此，必须要优化火电厂的热工自动化系统，减少设备的故障发生率，减少非正常停机次数，缩短停机时长，加强对不同运行设备的检查，及时更换磨损的零部件，对于一些易发故障部分重点检查，做到防患于未然。而且自动控制技术的应用、尤其是智能自动监控系统的优化，让传统的依靠人工为主要方式的巡查工作变得更加的便捷。监控系统可代替大部分人工巡查的工作，减少了人力资源投入，而且监控系统可做到全天候的监控，更易发现设备运行中存在的问题，及时报警反馈，减少了因为巡查不及时导致的设备故障。

2.3 系统的经济运行优化

火电厂机组的运行既保保证发电量，又要提高对资源的利用率、减少能源消耗。因此，热工控制的软件试用要合理，控制算法的选择也要结合实际情况灵活掌握，提高热工控制效率。在燃煤控制方面，要根据机组的负荷灵活调整燃煤的供给量，尽量减少燃烧损耗，提高燃烧效率。在给水量控制方面也要进行优化，根据实际的运行情况，结合给煤量自动的控制给水量，实现水煤比的动态平衡，让主再汽温在一个相对稳定的范围内，避免发生剧烈的波动。

还要提高电煤脱硫的速度及脱硫率。当前在火电厂的脱硫处理中，湿法脱硫技术应用较多，但脱硫与燃炉相互独立，欠缺一定安全性，脱硫效率也有待进一步提高。利用自动控制技术将脱硫系统进行联动改造，并综合考虑机组的控制性能，在DCS系统中纳入脱硫部分，相应减少脱硫设备，让脱硫系统控制不再单独进行而是实现了与锅炉控制的联动，两个控制系统的联动利于从全局出发，可做到统一控制、一同调整优化参数，确保机组运行处于最优状态，更好的平稳运行。

3 自动控制在火电厂热工自动化中的应用

3.1 对锅炉燃烧过程的自动控制

火电厂锅炉运行中，面临着电网负荷需求变动大、热惯性大以及燃煤种类多等情况，对于其燃烧过程有很大的影响，为保证锅炉运行平稳，需要采取相应的控制方式。通常的控制方式主要是利用实时监控系统，利用机械方式来采集和分析锅炉燃烧的参数，并为锅炉的燃烧过程优化提供数据。随着热工设备的增多，对锅炉的燃烧过程控制提出了更高的要求。利用自动控制可让锅炉燃烧过程更加安全平稳，符合机组的运行要求。

自动控制是利用一些智能算法对锅炉的燃烧参数进行智能分析，结合机组的实际运行来智能的调整燃烧参数。控制的原理是利用智能控制系统在传统控制方法中的应用，将传统的PID 控制与专家系统结合起来，来构建一个专家知识自适应PID 控制器。利用专家系统直接的来作用于锅炉燃烧控制过程中去，这不仅大大降低了人工成本，还让控制系统更加的完善，减少了故障发生率，提高了锅炉的运行效率以及经济效益。

3.2 主蒸汽压力调节中的应用

主蒸汽压力是机组负荷调整的主要依据，也是锅炉汽机能量平衡的标志，常用的调节策略是压力串级模糊调节，该调节策略主要是对燃煤量进行调节来达到蒸汽压力调节的目的，改调节策略主要是以导前信号和偏差为主控制信号，具有扰动克服能力好、控制相应速度快的特点。应用自动控制的串级调节，以锅炉的辐射信号为中间被调量，将热量信号纳入到到调节系统中，对于系统的特性改善明显优于单回路的PID 调节。

在实际应用中，锅炉辐射信号不能直接的纳入到串级调节系统中去，因为中间被调量是由随机分量和主分量组成的，随机分量会增加调节器的误动几率，导致调节量产生震荡，调节系统产生的动态偏差较大，降低调节过程的动态特性。因此，需要加装模糊滤波器来判断中间被调量，根据被调量的变化来对调节器进行动作指令[5]。

3.3 锅炉给水过程中的应用

当前火电厂火电机组基本采用的是一段式或两段式给水控制系统，这样即做提高了系统的安全可靠性，同时也满足了锅炉运行时的生产要求。但是在实际运行中，尤其是大型锅炉的启停过程中水位经常出现较大的非线性，难以通过精准的模型建立来获取更好的控制性能。而且锅炉的汽包水位对于给水量扰动有较大的时滞性，相关的热工人员依据工作经验，难以确保控制器参数在最佳的运行范围内。而利用自动控制可构建一种自适应PID 控制器，利用神经网络算法在线优化控制器隶属度函数，通过模糊控制来实现PID 参数的自我整定，让锅炉给水系统的可靠性大大提高，给水量也得到了精准的控制。

3.4 主蒸汽温度自动控制

主蒸汽温度对于机组的安全稳定运行具有重要的作用。主蒸汽的温度过高会损坏主蒸汽管道、汽轮机等设备中的金属材料，温度过低又会降低热效率。而且影响主蒸汽温度的影因素较多，锅炉的负荷、燃烧的工况以及过热器的交换特性等都会导致主蒸汽的温度大范围波动。

对于主蒸汽温度的控制也存在着非线性和时变性等特点，导致其控制难度比较大。利用自动控制技术建立前馈-反馈复合系统，将减温器出口温度进行处理后叠加到主蒸汽温度上，经调节器运算后发出指令控制减温水调节阀，以此来更好的控制减温水的流量，调节主蒸汽温度。该自动控制系统中，测量信号有主蒸汽出口温度和喷水减温器出口蒸汽温度，可让调节精度更高，而且采用的双回路控制系统也提高了系统的控制速度。

4 结语

随着自动控制理论的不断成熟和完善，在火电厂的热工控制中应用也越来越广泛，为热工控制提供了必要的理论基础。在火力发电厂中，热工自动控制系统是对热力设备进行监控的重要系统，根据机组的负荷灵活调整热工参数，确保机组的运行在安全稳定的基础上，能达到经济运行最优化。自动控制在热工自动化中的应用，对于热工系统、机组负荷分配等实现了较好的优化。而且随着科学技术的发展，一些新技术的应用让热工自动化程度越来越高，系统控制的性能越来越完善，能更好的满足复杂的控制要求。