计算机 在电厂的应用,计算机自动控制系统在火电厂中的应用

电力是现代人类文明社会的必需品,而火力发电是电力生产的主要组成部分,火力发电是指使用化石燃料(即煤炭、石油、天然气)通过燃烧释放出热能加热工质,再通过热力原动机驱动发电机的发电方式，原动机主要是锅炉和汽轮机,燃汽轮机或内燃机。

中国电力行业截止到2000年底，全国发电装机总容量达31600万千瓦，其中火电装机容量23680万千瓦，占74.94；水电装机容量7680万千瓦，占24.3；核电及其它装机容量240万千瓦，占0.76，火电仍为电力行业的首要组成部分。

目前，中国的电力生产能力已居世界第二，但人均占有发电量却排位靠后。随着中国经济的高速发展，中国电力工业发展仍有相当大的潜力和市场，但面对越来越竞争激烈的市场，越来越严格的环境保护的要求，电力生产自动化水平的提高和管理水平的不断进步将越来越重要。

一、火电厂主控系统

火电厂主控系统是保证火电厂安全、稳定生产的关键，随着控制技术、网络技术、计算机技术和Web技术的飞跃发展，火电厂主控系统的控制水平和工程方案也在不断进步，火电厂的管理信息系统和主控系统的一体化无缝连接必将成为未来火电厂管控系统的发展趋势，传统火电厂的DCS系统也必将向这一趋势靠拢。火电厂主控系统以控制方式分类可分为：DAS、MCS、SCS、BMS及DEH等系统。

下面分别加以阐述：

※数据采集系统-DAS：

火电厂的主控系统中的DAS(数据采集系统)主要是连续采集和处理机组工艺模拟量信号和设备状态的开关量信号，并实时监视,保证机组安全可靠地运行。

■数据采集：对现场的模拟量、开关量的实时数据采集、扫描、处理。

■信息显示：包括工艺系统的模拟图和设备状态显示、实时数据显示、棒图显示、历史趋势显示、报警显示等。

■事件记录和报表制作/打印：包括SOE顺序事件记录、工艺数据信息记录、设备运行记录、报警记录与查询等。

■历史数据存储和检索

■设备故障诊断

※模拟量调节系统-MCS系统：

■机、炉协调控制系统(CCS)

●送风控制，引风控制

●主汽温度控制

●给水控制

●主蒸汽母管压力控制

●除氧器水位控制，除氧器压力控制

●磨煤机入口负压自动调节，磨煤机出口温度自动调节

■高加水位控制，低加水位控制

■轴封压力控制

■凝汽器水位控制

■消防水泵出口母管压力控制

■快减压力调节，快减温度调节

■汽包水位自动调节

※炉膛安全保护监控系统-BMS系统：

BMS(炉膛安全保护监控系统)保证锅炉燃烧系统中各设备按规定的操作顺序和条件安全起停、切投，并能在危急情况下迅速切断进入锅炉炉膛的全部燃料，保证锅炉安全。包括BCS(燃烧器控制系统)和FSSS(炉膛安全系统)。

■锅炉点火前和MFT后的炉膛吹扫

■油系统和油层的启停控制

■制粉系统和煤层的启停控制

■炉膛火焰监测

■辅机(一次风机、密封风机、冷却风机、循环泵等)启、停和联锁保护

■主燃料跳闸(MFT)

■油燃料跳闸(OFT)

■机组快速甩负荷(FCB)

■辅机故障减负荷(RB)

■机组运行监视和自动报警

※顺序控制系统—SCS：

■制粉系统顺控

■锅炉二次风门顺控

■锅炉定排顺控

■射水泵顺控

■给水程控

■励磁开关

■整流装置开关

■发电机灭磁开关

■发电机感应调压器

■备用励磁机手动调节励磁

■发电机组断路器同期回路

■其他设备起停顺控

※电液调节系统—DEH：

该系统完成对汽机的转速调节、功率调节和机炉协调控制。包括：转速和功率控制；阀门试验和阀门管理；运行参数监视；超速保护；手动控制等功能。

■转速和负荷的自动控制

■汽轮机自启动(ATC)

■主汽压力控制(TPC)

■自动减负荷(RB)

■超速保护(OPC)

■阀门测试

下图为火电厂生产过程示意图:

二、火电厂公用辅助系统：

火电厂公用辅助系统是火电厂正常稳定运行的关键组成环节，它包括输煤系统、化学水处理系统、除灰/除渣系统、锅炉的吹灰/定排和电除尘系统等。随着环保日益严格的要求，诸如脱硫系统等也开始在中国日益引起火电厂的重视。下面就火电厂公用辅助系统分类加以阐述：

■输煤系统

煤是火力发电厂的一次能源，火电厂内的输煤系统主要完成卸煤、贮存、分配、筛选、破碎等工作，同时进行燃料计量、计算出正品和煤耗、取样分析和去除杂物等。主要控制对象有斗轮堆取料机、皮带机、碎煤机、除铁器、取样装置、犁煤器、滚轴筛、电子皮带秤等设备。

输煤系统存在控制设备多、工艺流程复杂、现场环境恶劣(粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰严重)、系统设备分散、分布面宽、距离远等特点。一般在煤控室设模拟屏或CRT/TFT，同时采用工业电视监视现场运行情况，而且要求与电厂管理信息系统连结。

该系统的主要功能如下：

■分炉、分时计量，煤场入场、出场计量

■煤源给煤、上煤、配煤程控

●煤位、设备电流等模拟量动态显示

●历史数据采集、事故记录、趋势图显示

●运行报表自动生成，实时、定时打印

■故障诊断

■工业电视跟踪、报警

■与厂级MIS联网

■化学水处理系统

1、锅炉补给水处理

其主要目的是将天然水在进入汽水系统之前除去水中的杂质,一般流程为:

天然水→混凝沉淀→过滤→离子交换→补给水。主要的控制过程如下：

混凝沉淀：除去水中的小颗粒悬浮物和胶质体物质，有化学混凝和电混凝两种方式。

过滤处理：除去混凝处理后的水中残留的少量悬浮物，常采用石英砂或无烟煤或直接过滤。

化学除盐：脱除清水含盐(金属离子和酸根)，使之成为可供锅炉使用的无盐水。包括阳离子交换，去CO2，阴离子交换，混合离子交换等。

主要控制：滤池、澄清池、加药设备、过滤器、阳床、阴床、混床、水箱、泵、风机、酸碱储存和计量设备等。

2、凝结水处理

凝结水处理系统包括凝结水精处理系统和体外再生系统。一般由高速混床、阳树脂再生罐、阴树脂再生罐、再循环泵、树脂存储罐、混脂罐、酸碱设备、冲洗水泵、风机等组成。凝结水处理系统中的设备大都是周期性工作的，要求定时进行还原和再生

■除灰/除渣/电除尘系统

燃煤电厂产生的大量灰、渣，除少量灰分排入大气外,余者都以灰、渣形式由除灰系统送至灰场。除灰系统分机械除灰(适于小电厂的链条炉),气力除灰和水力除灰三种，又可分为灰、渣混除和灰、渣分除两种。

除灰系统包括除尘器下的灰斗、输送风机、液态化风机、灰库及灰库附属设备、输送设备、管道、泵、阀门等。

除渣系统包括底渣、碎渣机、捞渣机、公用水设备(高，低压水泵)、缓冲池、蓄水池等。

■吹灰/定排系统

锅炉吹灰器主要用来定期吹扫锅炉各部分受热面上的积灰，当其不工作时退出炉外，大型锅炉一般配备多台吹灰器，采用PLC可实现依据锅炉具体运行经验、燃烧煤种和锅炉状况编制和调整各个吹灰器的操作时间和顺序。

大型锅炉的定期排污系统阀门多，手动操作费力费事,采用程序控制后可以大大减轻劳动强度、提高效率，目前已广泛采用。

三、火电厂集成控制系统：

随着计算机技术的高速发展、成本的大幅降低以及可靠性的不断提高，使计算机及相关技术在工业及民用控制领域获得了极为广泛的应用，分散控制系统—DCS(DistributedControlSystem)亦随之诞生。DCS系统集计算机技术、测量控制技术、网络通讯技术和CRT/TFT图像显示技术为一体，在结构上将管理监控、实时控制、数据采集等功能分散到不同的计算机中，每台计算机均采用高性能的专业工业控制计算机，必要时采用冗余技术，从而保证了系统的可靠性。利用计算机组态和图形化技术可以方便地实现整个系统功能的模块化组态，以适应不同工业过程的控制要求和算法，便于实现系统的调试和投运。DCS系统又可以记载过程数据并通过网络将数据自动传输到生产管理计算机系统实现计算机集成化的管理和控制。

现代火电厂是大约有数千个开关量、数百个模拟量测点和数十个PID调节回路的控制对象。也就是说是需要一个以开关量为主，模拟量为辅并伴有调节回路的控制系统。由于电力生产的连续性高，现代电力生产企业要求设备运转率达到90以上，对自动化设备的可靠性提出了很高的要求。

随着计算机及网络技术不断发展和广泛应用，管理信息系统—MIS(ManageInformationSystem)也在火电厂中被广泛推广应用。生产子系统也被纳入全厂MIS网络的一个部分，相互间进行通讯及信息交换。

DCS系统一般由控制站、操作员站、工程师站、通讯/控制网、现场过程控制单元和控制软件组成，下图为火电厂DCS系统及MIS系统原理拓扑示意图：

四、DCS系统在火电厂主控系统中的应用：

※DAS部分：

模入处理：对模拟输入信号进行数据质量检验、单位标变、数字滤波、线性修正和热电偶的冷端温度补偿，并可设置两个上限和两个下限报警；对流量信号和水位信号进行温度、压力校正及线性处理。

开入处理：对开关量输入信号进行开入跳变记录并同时存盘，以备事故分析查阅。具有经济指标计算与性能分析计算功能；历史数据存储、机组数据可存储1个月。实现一次风粉浓度在线检测，二次风速测量。

打印功能：提供定时制表、报警打印、开关量跳变打印、事故追忆打印、屏幕拷贝等各种打印功能。

※MCS部分：

模拟量部分主要包括：协调控制系统、给水自动调节系统、过热汽温自动调节系统、再热汽温自动调节系统、送风量自动调节系统(含氧量控制)、引风自动调节系统、凝结器水位调节系统、轴封汽压调节系统、高加水位调节系统等。各调节系统的运行操作均在操作员站上完成，自动调节系统的参数整定在工程师站上或在授权的操作员站上完成。

※SCS部分：

热工部分：汽轮机主保护、高加水位保护、抽汽逆止门保护、安全门保护、燃油速断保护、25甩负荷保护、汽包水位保护、给水泵保护；给水程控、射水程控、制粉程控、定排程控；给水泵再循环门联锁、高排疏水灌联锁、排补油联锁、补水联锁、热工辅助联锁等。

电气部分：给水泵联锁、循环水泵联锁、凝结水泵联锁、射水泵联锁、内冷水泵联锁、氢冷水泵联锁、中继水泵联锁、低加疏水泵联锁、交直流润滑油泵联锁、空侧交直流润滑油泵联锁、氢侧交直流润滑油泵联锁、轴抽风机联锁、给粉机电源联锁、锅炉大联锁、给水泵辅助油泵联锁等。

※FSSS部分：

该部分主要功能有：火燃监测、炉膛正压、负压保护逻辑、炉内无火MFT停炉逻辑和停炉后吹扫逻辑。

※DEH部分：

该部分基本功能有：自校及自诊断功能、摩擦检查、转速控制、自动/手动升速、同期控制、超速试验、负荷控制、CCS控制方式；快速返回、并网自动带初始负荷、功率控制及限制、主汽压力控制及限制、阀位控制、电液跟踪及切换。该系统留有寿命管理接口。

※CRT/TFT屏幕功能：

该功能是保证机组安全和经济运行所必须的。应具备简洁的运行操作画面和事故处理画面，各相关图、棒状图、历史趋势、实时趋势、启停曲线、模入报警、开入跳变、当前最新报警信息显示和报警历史信息记录文件、各种一览画面以及控制回路配备的调节趋势操作画面等。任意CRT/TFT操作画面和事故处理画面的调出不超过两次鼠标操作。在任意CRT/TFT操作画面上均可实现对检修设备挂牌操作，以确保检修时人身和设备的安全。屏幕响应时间小于0.5秒。

※与MIS管理网的接口：

为了加强生产管理力度和提高生产效率，将机组各个转机的运行状态、机组运行的实时参数送入全厂的生产管理网，进行生产管理，为各生产管理部门及时作出生产管理决策，确保机组的安全、经济运行和提高经济效益提供基础实时信息。

五、DCS系统在火电厂公用辅助系统中的应用：

※输煤系统：

该系统配有堵煤、跑偏、打滑、煤仓煤位等多种保护信号，这些信号一旦动作可通过语音、报警窗口及实时打印输出等方式及时通知操作员发生故障的设备、故障类型、程度、事发时间等重要信息。上位机还可通过曲线图来记忆设备电机的电流变化量，从而有利于事故的分析、判断和及时处理。

输煤引入程控后，除了用于生产外，在不增加任何辅助设备的情况下，给系统内设备的管理和每个仓的加仓量统计都带来了极大的方便，系统在运行中便同时自动完成设备运行时间的统计，只需调出相应报表，便能得知所有设备累计运行的时间，由此得出设备状态好与坏的结论，这对输煤设备的大小修安排提供了可靠的依据。同样的，在配煤过程中，便自动完成了每个仓的加仓量计量，并自动打印出每个班的加仓量及分仓计量的报表。

系统可根据现场卸煤、上煤等情况，在煤源不停的情况下自动进行动态流程切换，减少了设备的启停次数和启停设备所需的时间，整体提高了设备的利用率，节约了能源。

流程的启停时间都是根据每条皮带的具体参数计算的。流程启动时，按逆煤流方向，一台设备启动稳定后，立即启动前一级设备，减少了流程的启动时间，节约了厂用电能，又保证在设备重载启动时，不会出现堆煤、堵煤、漏煤等情况。流程停车时，按顺煤流方向，每一台设备都在其卸净煤时立即自动停机。

系统具有自动配煤功能，可根据煤仓的实际情况及犁煤器的状况设置该犁是否参加配煤及该煤仓是否可加煤。经过设置后，配煤便可按人的意愿根据煤位的指示，按轻、重、缓、急等情况自动加仓；而且可根据上煤的煤质好坏，通过上位机设定顺序配煤高煤位出现后加仓时间及余煤配煤加仓时间。

除铁器实现完全程控，当输煤系统启动上煤时，相应皮带头部除铁器自动行至运行皮带上部并自动励磁，皮带停运后，自动行至卸铁处并自动弃铁。系统保护及测量信号有皮带拉绳、跑偏、打滑、落煤管堵煤、犁煤器位置信号、煤仓煤位等。系统应用监测皮带电机电流突变量用以判断是否皮带被撕裂，对于防止钝器划伤皮带行之有效。

系统应考虑到管理人员的需要，制作班报、月报以及年报等多种报表，并可以及时查询，为考核运行人员的工作情况提供了可靠的依据。检修挂牌摘牌不仅可以准确记录，还可记忆留存便于查询。各种报警还可以历史查询。

上位机的电流表可以根据每次上煤流程的不同做相应的变化，自动地按设备标号顺序排列，免除了由于设备多电流表多运行人员监盘困难的烦恼。

下图为输煤自动控制系统原理示意图：

※凝结水精处理系统：

■前置过滤器

前置过滤器的工作状态有“备用”、“运行”、“冲洗”三种状态。“备用”状态是过滤器处于静止状态，要经投运程序后才具备运行条件。“运行”状态是过滤器正常制水。“冲洗”状态是过滤器运行失效后进行反洗等一系列程序。各种状态之间的转换逻辑关系如下图所示：

备用状态下经投运程序进入运行状态，也能在备用状态下强制进入冲洗程序。运行状态下在没有到达运行终点时，经解列程序能返回备用状态，达到运行终点，经解列程序可进入冲洗状态，达到运行终点，经解列程序可进入冲洗状态。冲洗结束自动处于备用状态。冲洗状态结束不能直接进入运行状态，要经投运程序后才能进入运行状态。操作方式分为全自动、步进/退、点操三种方式。全自动控制按备用—运行—冲洗—备用的顺序循环进行。步进/退可以任意启动某一具体步序，该步结束后自动停止。程序至终点或运行至终点且未经解列程序，或冲洗程序未全部结束不得进入备用状态。未经投运程序或冲洗未全部结束不得进入运行状态。运行状态下只有在成组操作方式下才能进入冲洗状态。当一台过滤器处于冲洗状态时将屏蔽另一台过滤器的冲洗要求。两台反洗水泵在反洗时一台工作、一台备用。当第一台水泵启动失效时自动启动备用泵并报警，程序不中断，当备用泵也失效时，系统报警，程序中断。一次门是带定位器的调节阀，其开度大小受4～20mA信号控制。该阀开度大小的调节在CRT/TFT画面上以手操方式实现。调节原则是不论A过滤器是处于运行状态还是非运行状态，使流过A过滤器回路的流量与流过B过滤器的流量相等。

■混床和再生设备

混床和再生设备的工作状态有“备用”、“运行”、“树脂输送”、“再

生”。备用状态表示混床处于静止状态，床内为有效树脂。运行状态表示混床经升压、投运等一系列程序后进入稳定制水状态。树脂输送表示混床失效树脂送入阳再生塔，再生好的树脂送回混床。再生表示再生设备内的树脂进行一系列的再生处理。为防止树脂输送时混淆两份树脂，以及保证在充分的条件下开始再生，建立以下辅助标志：“允许树脂输送”和“允许再生”。

“允许树脂输送”应满足以下条件：

●混床运行至终点；

●有“再生结束”标志；

●其它混床无树脂输送要求。

“允许再生”应满足以下条件：

●前次再生已结束；

●阳再生塔有‘满罐’标志，贮存塔有‘空罐’标志；

●酸碱计量箱液位，碱稀释水温度等条件具备。

各状态之间的逻辑关系如下：

备用状态下经投运程序进入运行状态，也能在备用状态下强制进入树脂输送状态。运行状态下在制水没有到达终点时，经解列程序能返回备用状态；达到终点且允许树脂输送时，经解列程序能进入树脂输送状态。输送时，经解列程序能进入树脂输送状态。树脂输送程序结束，混床启动处于备用状态。树脂输送结束，混床不能直接进入运行状态，要经投运程序才能进入运行状态。再生状态不允许与树脂输送状态同时存在。只要满足再生启动条件，当混床处于备用状态或运行状态时都可启动再生程序。

再生系统的控制方式与前置过滤器系统的控制方式基本相同。

为便于管理，查找误操作的时间，在控制系统中设有操作记录画面，可以随时反映操作员的工作记录。在参数设置画面中具有工程师级别的人员可以根据情况修改每个步序的时间长度。在打印生产报表画面中操作员可以根据需要随时打印生产报表。由excel在制表方面的特长，所以报表的格式可以随心所欲。

※除渣控制系统：

除渣系统主要由以下五部分组成：

1、底渣系统

每台炉设一个底渣斗，每个渣斗分为两个仓。炉底渣经碎渣机破碎后，由水力喷射泵输送到渣浆泵前池，再由渣浆泵送至脱水仓。渣浆泵系统为两台机组公用，共有三台渣浆泵，一台运行，一台备用，一台检修。

底渣斗水位由基地式水位调节器控制，另外在底渣斗溢流水箱中装有温度变送器，以监视底渣斗中的水温。前池补水阀的开、关由液位来控制，以此保证渣浆泵安全、可靠地运行。底渣斗水力喷射泵出口及渣浆泵出口管道上装有压力变送器，监视并控制输渣管道压力，防止堵管。

2、石子煤系统：

每台机组有若干个石子煤斗。石子煤经水力喷射泵输送至两台石子煤刮板机料仓，然后由石子煤刮板机将石子煤送上汽车运走。石子煤输送管道上装有压力变送器，监视并控制输送管道的压力，防止堵管。

3、再循环水系统：

再循环水系统由沉淀池、贮水池、沉淀池泥降泵、贮水池泥浆泵、高压水泵、低压水泵、PH值监控系统等组成，它为整个除渣系统提供合格的冲渣用水。高压水泵共有二台，一台运行，一台备用。低压水泵共有三台，平时只运行一台，底渣斗出渣时，二台运行，一台备用。高、低压水泵出口母管上均装有压力变送器，防止水泵出口压力过高。贮水池补水阀的开、关由液位来控制，以保证高、低压水泵安全可靠地运行。

4、溢流池系统：

底渣斗、前池、石子煤斗和刮板机料仓的溢流水进入溢流池，由溢流水泵送往脱水仓。溢流水泵共有三台，当溢流池液位达到高液位时，一台溢流泵运行，当液位达到高水位时，二台溢流水泵运行。泵的起停由液位来控制。

5、脱水仓系统

渣浆泵送来的底渣在脱水仓进行脱水处理，然后由脱水仓的排渣门排出，用汽车运走。脱水仓共有二台，轮换进行进渣和脱水。

系统采用PLC和上位机的两级控制结构方式，利用PLC对整个除渣系统中的设备进行数据采集和控制，并通过上位机的人机接口对系统发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在上位机CRT或TFT上直观、动态地显示出来。上位机和PLC之间通过数据通讯接口进行通讯。

整套控制系统由以下设备组成：

●上位机系统●PLC柜●远程I/O柜●就地操作箱●一次仪表

■控制系统的主要功能及技术特点：

●整套系统设置自动、远方手操两种操作方式，操作方式可方便地在上位机上进行选择。

●为提高控制系统工作的可靠性，本系统采用上位机及可编程控制器的双机冗余方案。

●系统的输入/输出模块均采用220VAC等级，使PLC和现场之间有良好的电气隔离。

●对控制盘、柜都采用两路独立的220VAC电源，当一路电源失去时，自动切换至另一路电源，以确保控制系统可靠工作。

●系统能实现完善的联锁及保护功能，使整个除渣系统运行合理、可靠。如渣斗排放压力或渣泵出口压力超过某一高限时，渣斗排渣门自动关闭，管路进行清水冲洗；如在限定时间内压力降至某一设定值则排渣门再自动开启，否则系统停运。对溢流水池、前池、贮水池、渣水池液位和对应的泵联锁动作进行联锁保护。高压泵、渣浆泵的停运信号以及来自上位机的紧急停信号将使渣系统或石子煤系统停运。碎渣机过载后，自动正、反转三次，若此时过载信号消失，则渣系统继续运行，否则渣系统停运。

下图为除渣控制系统原理示意图：

系统中的上位机监控系统操作灵活、功能齐全，主要特点及功能有：

●系统及设备的分级操作。

●系统中有关参数的设置。

●设备的运行状态、过程参数实时显示。

●参数历史趋势记录及打印。

●声光报警及报警打印。

●操作事件记录及打印。

●各种报表生成及打印。

●操作权限的设置及授予。

下图为控制系统上位机显示界面示意图：