电厂热控自动化改造技术探索

郑州裕中能源有限责任公司 杨 杨

1 电厂热控自动化的改造背景

1.1 电厂热控运行情况

本电厂有2台300MW进口机组，以中储式直流锅炉为主，原有的DCS分布式控制系统主要作为热控系统发挥作用，在实际运行中发现机组存在较多问题，且应用的监控设备和方式较为单一，难以满足当前自动调度系统以及自动发电的运行要求，容易给后期的维护改造带来难度。该电厂应用锅炉为母管制供热机组，锅炉的控制主要分散在三个控制室，以“一对一”的人工操作方式，对各个锅炉的运行进行操作和控制[1]。且现场用于监测锅炉运行情况的设备以常规仪表为主，存在检测精度低、故障率高的问题。

1.2 电厂热控自动化的改造思路

基于电厂热控自动化的发展趋势和方向，该电厂在充分考虑自身实际运行情况和存在问题的前提下，考虑从DCS系统的角度出发，以系统改造的方式来提升电厂热控自动化的实际效果。基于此，在电厂热控自动化改造中，将分散控制系统作为第一选择，在应用DCS系统进行控制的基础上，借助全程监控系统来对电厂的生产运行过程进行实时监控，明确实际运行中的各类数据。同时，对当前应用的DCS系统进行改造，重点从模拟量调节、炉膛安全监控、脱硫除尘等角度对系统的功能模块进行优化。

从电厂具体的生产设备角度来看，以电厂生产运行依赖的锅炉设备为例，该电厂的每台锅炉依靠一套连锁保护系统进行保护控制，控制回路由常规继电器构成，一套DAS系统用于显示相关设备的主要运行参数。用于锅炉的自动调节系统套数只有汽包水位、炉膛负压、主汽温度三套[2]。为满足电厂热控自动化的运行发展需求，需要对锅炉控制系统进行改造，让其能够与优化后的锅炉设备协同应用，发挥作用。

2 DCS系统在电厂热控自动化改造中的应用分析

DCS系统组件在现场热控自动化改造中具有明显的优势，能够通过对系统控制方案与控制逻辑的不断优化，提升实际的控制水平。结合电厂实际运行的经验和情况，从具体的热控自动化涉及的相关设备出发，应用DCS系统来实现对于设备的改造，注重提升设备运行的稳定性，能够为电厂的经营发展获得良好的经济效益。基于此，对DCS系统在本电厂热控自动化改造中的应用主要从以下方面入手。

2.1 DCS系统设计要求

DCS系统是一种主要依托计算机信息技术，实现对整个生产过程集中式的监控、管理和分散控制，该系统通常由监测和通讯两个部分构成。在电厂热控自动化中发挥DCS系统的作用，应能够结合电厂的实际运行情况来确定系统设计的总体方案和思路。在锅炉控制部分，考虑保障设备电源的稳定性和安全性，对DCS系统中控制器的选择划分应参考锅炉应用的工艺或相关的控制系统，各个控制器应能够涵盖所属系统的所有I/O点数。其中，对I/O模块的设计，应注重优化冗余配置，并考虑充足的余量，以便能够为后续技改增加所需的点数。对数据采集系统的设计，应能够与实时监控系统结合起来，涵盖现有的I/O点数，方便相关人员对锅炉的运行情况进行监测。

在通讯系统部分，重点强调避免因多条单线路用于配置引起的通讯瘫痪问题，同时也应考虑配置多台位机，减少电脑故障问题发生的概率。在脱硫除尘系统部分，应能够以贯彻节能减排理念为主对其进行改造。将脱硫除尘的超低排放标准作为系统改造和优化的主要依据，引入更先进的脱硫装置和脱硫工艺技术，将实际的脱硫除尘工艺系统与监控系统结合起来。这一过程中应注重保留好脱硫除尘系统与DCS系统的接口连接。

2.2 汽包水位控制系统

基于DCS系统的应用特点，对电厂热控自动化的改造，应提高对锅炉汽包水位控制系统的重视。电厂应用的锅炉本身是一个动态特性较为复杂，且对锅炉自身运行情况要求较高的设备，对锅炉微机控制系统的设计，应在了解实际的生产过程控制需求基础上，发挥算机先进技术的作用。

基于此，考虑引起锅炉汽包水位变化的主要因素包括：空气流量和给水流量的变化两种情况，在受到主动扰动干扰的情况下，基于汽包物质平衡关系的原理，可以应用以下公式来代表汽包水位的动态特性：F（t）=QW（t）-QD（t），式中：QW（t）代表给水流量的蒸汽流量，QD（t）代表进出汽包的蒸汽流量，F（t）代表汽包水位的变化。依据这一原理，在电厂热控自动化的运行中，可以直接应用给水流量变送器，蒸汽流量变送器等检测仪器检测到蒸汽流量、汽包水位等参数的变化情况。

汽包水位本身是一个无自平衡能力的控制对象，汽包水位的变化既不能影响给水量，也不会影响蒸发量。结合案例电厂应用300MW机组的运行需要，主要借助DCS系统来对锅炉给水控制系统进行改造，结合以上原理，可为300MW机组配置3台给水泵，其中包括两台汽动给水泵和1台电动给水泵，电动给水泵主要作为备用泵使用。运行机组主要能够通过汽包水位控制系统和给水泵最小流量控制系统，来实现针对汽包锅炉的给水控制。

具体而言，基于DCS控制系统的汽包水位控制系统，是一个以维持锅炉进出水平衡为主要目的的系统。系统运行中，需要将汽包水位作为进出水量是否达到平衡状态的主要控制指标，以调节给水流量大小的方式，保障和提升锅炉设备的蒸发效率。在这一前提下，考虑电厂锅炉实际运行中会受到机组负荷突然增加而产生的“逆响应特性”影响，出现虚假水位的情况，在实际改造中，应能够结合锅炉的运行情况，从单冲量、双冲量以及三冲量中选择更合适的控制方式。

设置给水控制系统的控制目标为：汽包水位均匀量在±230mm左右，水位控制在中间值附近，水位的偏差应≤±10mm。本厂选择应用串级三冲量的给水控制方式（如图1所示），该控制系统由主调节器、副调节器和汽包水位、给水流量、蒸汽流量在内的三个冲量构成。其中，主调节器是PI调节器，能够依据水位的偏差产生给水流量的给定值，副调节器是一个给水流量调节器，能够依据给水流量的偏差来控制给水流量。整个系统为一个前馈-反馈的双回路控制系统。

图1 串级三冲量给水控制系统结构

2.3 母管协调控制系统

母管协调控制系统主要是考虑机组为母管制抽汽供热机组的情况，电厂原有锅炉为75t/h次的高压自然循环炉，以控制器来发挥控制功能。考虑外热网本身的变化较大，单台锅炉出力的情况下难以调节母管压力，因而需要通过人工负荷的方式来设置运行，这就导致难以满足压力自动控制的需求。基于此，考虑以实现压力自动控制为主要目的，发挥DCS系统作用来减少压力波动，进而降低燃料消耗量，从而满足电厂的节能消耗需求。

具体而言，考虑单个锅炉在燃烧煤粉、加热蒸汽、压力产生的整个过程通常存在较大的时间延迟，可基于以下公式来对其延迟时间进行计算：，式中：Pn代表锅炉n的输出压力；Fn代表锅炉n的燃料输入；An、Bn代表数学模型系数；Tn代表锅炉n的延迟时间常数。

对这些存在大延时现象的锅炉，应用简单的PID控制方法，很容易受到控制操作方式不规范的影响，导致原本处于稳定运行状态的对象大幅震荡，难以满足压力自动控制的要求。在考虑这一问题的基础上，结合母管制供热机组的运行特点，要求在改造中依据锅炉和各个用汽设备来决定母管内的压力。这一过程应基于以下公式：，式中：P代表母管压力；S代表母管截面积；Pn代表锅炉n的输出压力；Sn代表锅炉n的出汽管截面积；Pm代表用汽设备m的输入压力；Sm代表用汽设备m的入汽管截面积。

在明确这一原理的前提下，设计以一台计算机来作为实际的锅炉运行压力控制装置，借助TCP/IP网络读写控制器中的数据，满足对锅炉燃料输入量进行操控的要求。控制系统的改造结构如图2所示。在应用该系统结构的情况下，即便计算机本身出现故障，也能够及时回到现有的控制结构，以此来保障整个锅炉控制系统的稳定运行。

表1 控制系统改造结构组成

2.4 锅炉炉膛安全系统

对锅炉炉膛安全系统的优化改造，以保障锅炉燃料燃烧操作的安全为主，其应包括炉膛吹扫、主燃料跳闸等能够实现安全控制的功能。基于此，对应用DCS系统原理的锅炉炉膛安全系统进行优化设计，应包括主控单元、压力监测系统以及火检三个主要的部分。其中，主控单元以可编程序控制器为核心，能够发挥采集现场数据、逻辑判断和逻辑运算的功能，并能够依据运算的结果来对锅炉进行实时控制；压力系统由压力平衡柜、压力取样器构成，该系统主要负责完成锅炉炉膛内的压力取样，进而将取样结果传给主控单元进行逻辑判断和显示；火检主要安装在炉体的相应部位，依据火检探头送出的模拟信号，为系统提供炉膛内的燃烧工况作为判断依据。

对锅炉炉膛安全系统的设计，应能够考虑系统实际运行中炉膛压力、汽包水位变化等需要停炉检查和维护的情况，要求系统能够在检测到以上参数变化超过标准时，向驱动锅炉运行的相关设备发出动作信号，避免故障或事故的进一步扩大。同时，为保障系统线路的运行安全，避免出现PLC逻辑回路重复跳闸的情况，还可以增加保持继电器来实现动作保持设计，保障锅炉保护动作后的安全。

2.5 脱硫除尘系统

对电厂热控自动化中脱硫除尘系统的改造，也可以发挥DCS控制系统的作用。电厂可以基于脱硫超低排放的相关标准，对电厂燃煤机组脱硫除尘涉及的吸收塔进行设计和改造，以增加高效均流装置和增加喷淋层的方式，对新增喷淋层和配套的浆液循环泵来进行优化设计，以高效除尘喷雾装置代替原有的除雾装置。同时也能够对现有的喷淋层管道进行维修。

基于此，在电厂现有DCS控制系统框架的前提下，可以增设一台DCS端子机柜，并对现有的DCS模件柜多功能处理模块进行升级和更换，升级脱硫DCS历史站。在现有浆液循环泵的出口管道处，也可通过增加压力测点的方式，新增与浆液循环泵进出口管道配套的压力测点，以硬接线方式接入脱硫DCS。而针对该系统中应用的高低压直流供电装置，也可以通过可编程控制来达到自动控制的目的。在这一过程中，也应设置一套与之相联系的计算机监控系统，用于对系统整体的运行情况进行实时监控，以便能够及时对系统运行情况进行维护和管理控制，进而保障电厂相关系统的运行安全。

综上所述，DCS系统的设计应用能有效推动电厂朝着热控自动化的方向发展，满足现阶段电厂供应电力资源的需求。结合当前电厂热控运行的实际情况，以系统改造为主要目的，发挥DCS系统在热控自动化中的作用，围绕电厂锅炉、脱硫除尘等方面的设备和要求，规划DCS系统的具体应用模块和功能，不仅能够有效保障电厂热控自动化运行的安全，也能够通过对电厂的控制来提升运行效率。