火力发电厂热控保护及控制技术分析探究

摘要：随着技术进步和环境法规的日渐严格，热控技术在当前火力发电厂中有着广泛的应用，能够有效保护火力发电厂的电网系统以及各种机组设备，为确保供电系统运行提供坚实基础，因此采取合理的热控保护以及控制技术有着重要意义。基于此本文结合具体案例，对火力发电厂热控保护以及控制技术进行分析研究，旨在进一步提高火力发电厂的控制与保护效果，以期为相关人员提供参考。

关键词：火力发电厂热控保护控制技术电网系统

中图分类号：TM73

AnalysisofThermalControlProtectionandControlTechnologyinThermalPowerPlants

ZHUJiaying

ShanghaiElectricPowerConstructionStartAdjustmentTestingInstituteCo.，Ltd.，Shanghai，200092China

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

KeyWords：Thermalpowerplant;Thermalcontrolprotection;Controltechnology;Powergridsystem

火力发电厂通过燃烧化石燃料，如煤、天然气或石油，将化学能转换为热能，随后通过一系列精密的热控制系统将热能转换为机械能，并最终生成电能，这一过程不仅涉及复杂的物理化学变化，同时也对控制技术提出了高标准的需求，以确保发电效率的最大化和设备运行的安全性。随着技术进步和环境法规的日渐严格，火力发电厂面临着优化运行效率和降低排放的双重挑战，在这样的背景下，热控保护与控制技术成为了火力发电领域的关键研究课题，主要负责监视和调节锅炉、汽轮机等关键部件的温度、压力和流量等参数，保证发电过程的稳定性和安全性。

1案例分析

以某电厂为例，一家采用先进超临界技术的火力发电厂，装机容量为800MW，2023年11月，该电厂的主锅炉发生超温故障，故障发生时锅炉的实际出口蒸汽温度达到605℃，超过设计的最高允许温度595℃，经过调查分析此次超温事件是由于燃烧控制系统故障导致燃煤量突然增加，同时给水温度低于预期，导致蒸汽温度迅速上升。故障发生后热控保护系统迅速响应，控制系统立即启动喷水降温程序，通过喷水调节蒸汽温度，2min内将蒸汽温度控制在598℃，然后自动燃烧调节系统调低燃煤供给速率，优化燃烧效率，进一步稳定了蒸汽温度，而后系统又自动记录了所有关键参数和操作，为事后分析故障原因和优化热控策略提供数据支持，通过这一系列快速有效的响应措施，该电厂成功避免了设备的进一步损坏以及造成的停机损失，保障其经济效益。具体采用的热控系统结构如图1所示。

2火力发电厂热控保护技术

2.1控制保护逻辑优化

传统热控保护系统侧重于遵循固定的程序和参数设置来防止设备超载或故障，然而随着技术的进步，更多的优化控制策略被应用于提升系统的响应速度和适应性，具体的优化方法是采用自适应控制技术，通过实时监测锅炉、汽轮机和发电机的工作状态，自适应控制系统能够动态调整控制参数，以适应不同的运行条件和预防潜在的安全风险，如果传感器检测到汽轮机的温度快速上升，控制系统会自动调整燃烧速率或水的供给量，以避免过热，当前先进模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）也被用于优化火力发电厂的热控保护逻辑，MPC通过建立设备的数学模型，并预测未来的运行情况，来优化控制指令，例如：在MPC框架下，可以根据预测的电网需求和燃料价格，调整发电量和燃料消耗，以实现成本效益最大化同时保证设备安全，在本次案例中，使用自适应控制和MPC技术的火力发电厂，其设备故障率比传统控制策略低约15%，同时发电效率提高约5%，这种控制保护逻辑的优化不仅提升了火力发电厂的经济效益，同时也显著增强了系统的安全性和可靠性[1]。

2.2无忧切换逻辑

无扰切换是指在控制系统发生故障或需要进行维护时，能够在不影响整个系统运行的前提下，无缝地从一个控制策略转换到另一个控制策略，在该逻辑影响下，系统会持续监测运行状态和关键参数，如压力、温度和流量等，在切换前主控系统会根据当前运行条件自动计算目标控制策略的初始设定值，以确保这些关键参数在切换过程中保持稳定，当系统从手动控制模式切换到自动控制模式时，系统会先评估当前手动设置的有效性，并逐步调整至自动控制算法计算出的最优设定点，这一过程中控制系统会利用先进的PID控制算法，通过调整PID参数（比例、积分、微分）来最小化设定值和实际输出之间的偏差，具体计算公式如（1）。

式（1）中：表示比例系数；表示积分系数；表示设定值与实际输出之间的误差；表示积分系数。

此外无扰切换逻辑还包括使用软件逻辑和硬件冗余设计来增强系统的可靠性，在硬件层面，双系统冗余（如双PLC系统）确保主控制系统发生故障时，备份系统能立即接管控制，而无须人工干预，从而实现真正的无扰切换，同时在切换过程中，如果水位的波动范围控制在±5mm之内，远低于安全运行标准的±10mm，证明了无扰切换技术的有效性和可靠性，为火力发电厂的安全稳定运行提供有力保障[2]。

2.3增设保护投入和解除控制按钮

在火力发电厂中，对于重要的保护项目，如锅炉水位过低保护、汽轮机超速保护等，往往设计有手动增设保护投入和解除控制按钮，这些按钮允许操作人员根据系统状态手动介入保护系统的工作，对于锅炉水位过低保护系统，如果因为某些非正常原因造成误动作，可以通过按下解除保护按钮来暂时解除这一保护，避免锅炉由于保护动作而导致不必要的停炉，在增设保护投入按钮（ProtectioninputButton，PB）过程中，当系统处于维修或检修状态时，为防止意外启动，可以通过此按钮强制增加一个保护信号，进而使相关的保护逻辑被强制执行，而再解除控制按钮（ReleasecontrolButton。RB）过程中，当误动作发生，经评估认为系统可以安全运行时，操作人员可以按下此按钮，将保护逻辑置于解除状态，允许系统继续运行或进行复位处理，具体逻辑理论与影响内容如表1所示。

另外，在使用这些控制按钮时，必须遵守严格的程序和审批流程，确保只有在确认无风险的情况下才能操作，以防止误操作带来的安全风险，通常这些按钮都会有相应的指示灯或者状态显示，以反映当前保护状况是否被手动投入或解除，并且要求保证所有的操作行为都需要记录在案，并有相应的日志管理系统进行追踪分析[3]。

2.4热控系统电源优化

电源优化主要优化方法包括电源管理策略的改进、使用高效的变频器，以及通过智能监控系统实时调整能耗，电源管理策略的改进旨在通过先进的算法优化整个发电过程的能源分配。例如：可以采用负荷预测技术，根据历史数据和实时数据，预测短期内的能源需求变化，从而调整发电量，减少能源浪费，通过设定能源消耗的优化目标，最大限度地减少燃料消耗和降低运营成本，电源管理系统能自动调整设备运行状态，实现更高的能效[4]。

高效的变频器在电源优化中扮演着重要角色，变频器能够调节电动机的运行速度，按需提供动力，从而减少不必要的能耗，通过对锅炉鼓风机和引风机使用变频器控制，能够根据锅炉的实际运行情况调整风机速度，实现能源的精准分配和利用，研究显示，这种方法可以节约10%～30%的电能。由于变频器通过调整电机的运行频率来节省能源，具体变频器的能效计算公式如下。

式（2）中：表示变频器能效，单位为%；表示电机在标准运行条件下的功率，单位为kW；表示变频器使用后的功率，单位为kW。

最后智能监控系统的引入使得热控系统的电源优化更加精细化。这类系统通过传感器实时收集设备运行数据，如温度、压力和流量等，利用机器学习算法分析数据，及时发现能效低下的环节，自动调整控制策略，例如：通过分析锅炉的燃烧效率和排放数据，智能系统可以调整燃烧器的工作状态，优化燃料的燃烧率，提高热效率。

3火力发电厂热控系统控制技术

3.1PID控制应用

在火力发电厂的热控系统中，比例—积分—微分控制器是一种广泛使用的控制策略，其主要目的是维护系统参数（如温度、压力和水位）在设定点的稳定运行，PID控制器的工作原理基于3个主要元素，包括比例（P）、积分（I）和微分（D），比例部分负责减少设定点与过程变量之间的偏差，积分部分则用来消除持续的偏差，而微分部分则预测未来的偏差，以改善控制动作的响应速度和稳定性。以锅炉水位控制为例，PID控制器能够根据水位与目标水位的偏差进行实时调整，如果水位低于目标水位，PID控制器增加给水泵的送水量，如果水位过高，控制器则减少送水量，通过这种方式PID控制器确保锅炉的安全和有效运行，假设锅炉的目标水位为3m，当前水位检测为2.8m，PID控制器通过计算偏差（0.2m），并应用PID公式（调整参数设定为Kp=0.5，Ki=0.05，Kd=0.1），计算出控制信号的调整值，如果此时的比例输出为0.1m，积分输出为0.01m，微分输出为0.02m，控制器会相应增加给水量，直到水位回到目标水位附近。

3.2先进控制策略

在火力发电厂的热控系统中，传统的PID控制虽然广泛应用，但在处理复杂、非线性的动态系统时往往显得力不从心，因此为了提高控制系统的效率和响应速度，越来越多的先进控制策略被研究并投入使用，其中模糊控制和神经网络控制是两种非常有效的方法。

模糊控制基于模糊逻辑，能够处理系统内部的不确定性和模糊性，在火力发电厂的热控系统中，例如：锅炉的水位控制和汽轮机的速度控制，模糊控制器可以通过设定一系列的模糊规则，如“如果水位高，那么减少给水速率；如果水位低，那么增加给水速率”，来调整控制行为。这些规则是基于专家经验和操作员的直觉来设置的，使得控制系统即使在参数变化或是外部扰动的情况下，也能保持稳定运行，模糊控制器在锅炉水位控制中比传统PID控制更能抵抗系统的动态变化，可减少水位波动约30%。神经网络控制利用人工神经网络的学习能力对复杂系统的动态进行建模和预测，在热控系统中神经网络可以基于历史数据学习系统的行为，然后预测未来的系统响应，从而实现更精确的控制。例如：在汽轮机的温度控制中，神经网络能够预测和调整蒸汽流入的速度，以维持最优的输出温度，通过对过去操作数据的深入学习，神经网络控制器能够在遇到未知的操作条件时快速适应，提高系统的整体效率和安全性，使用神经网络控制的火力发电厂在能效上提高约5%，并且在异常情况下的响应时间比传统系统快约20%。

3.3控制系统优化

控制系统优化包括两种优化策略，分别为模型预测控制（Modelpredictivecontrol，MPC）和遗传算法，MPC是一种先进的控制策略，它使用动态模型来预测未来的系统行为，并解决受多重约束条件影响的优化问题，通过实时求解一个有限时间范围内的最优控制问题，MPC不仅能够处理多变量控制问题，也适用于非线性系统，例如：在锅炉的燃烧控制中，MPC可有效地协调燃料供给与空气流量，以稳定燃烧温度并减少污染物排放。遗传算法是一种仿生优化技术，它通过模拟自然选择和遗传机制来找到问题的最优解。在火力发电厂的热控系统中，遗传算法可以用来优化PID控制器参数，通过定义适应度函数来评价PID参数设置的性能，遗传算法不断迭代寻找最优的参数组合[5]。

4结语

综上所述，热控保护与控制技术对于火力发电厂运行有着至关重要的影响，能够进一步保障系统的安全性，直接关系到发电厂本身的社会效益和经济效益，因此，在具体生产的过程中，要求加强对员工安全意识以及安全技能的培养，并在此基础上进一步改善系统整体控制和设计，进一步提高发电厂技术和设备的适用性，重视对智能化和网络化的应用，考虑可再生能源趋势对火力发电热控保护技术未来的影响，最终促进火力发电厂在未来能源网络中的稳定和可持续发展。

参考文献

[1] 刘永强.发电厂PLC热控系统的干扰问题与对策分析[J].集成电路应用，2023，40（11）：332-334.

[2] 赵创.火力发电厂的热控保护技术及实施要点研究[J].应用能源技术，2022（11）：11-13，24.

[3] 马立辉，郑少恒.火力发电厂调试过程中热控常见问题研究[J].中国高新科技，2022（16）：36-38.

[4] 张亚杰.火力发电厂的热控保护技术及实施要点分析[J].中国高新科技，2021（14）：25-26.

[5]吴新鹏.既有火力发电厂综合品质提升策略研究[D].济南：山东建筑大学，2024.