火电厂自动化与仪器仪表发展综述

【摘 要】：本文综述了50年来火电厂自动化发展的进程，概括了各时期的国情与为实现自动化所作的努力，状和人们关心的问题SIS及现场总线作了阐述，并对一些主要名词提出明确。 关键词：火电厂自动化 发展 建议 自1953年我国开始第一个五年计划建设至今已有50余年，目前，“十一”五计划正在执行中。五十年来，我国火电技术的发展和进步非常快。以火电厂主机组来说，20世纪50年代初，从我国制造出第一台中温中压（4MPa、450℃）的6MW汽轮发电机组开始，在原苏联技术的支持下，不断创新生产出高温高压（10~14MPa、550℃）的50MW、100MW、200MW汽轮发电机组；80年代又在美国技术的支持下，生产出亚临界（17MPa、550℃）的300MW、600MW汽轮发电机组；进入21世纪以来，在与国外厂商技术合作的前提下，生产出超临界（24MPa、550~570℃）的600MW汽轮发电机组。同时还成套进口了900~1000MW的汽轮发电机组的电厂。随着主机组技术的发展，带动了配套专业技术的前进，火电厂自动化技术是最为明显的技术之一。本文重点简述50年来火电厂自动化技术的发展和提高。 1 从热工自动化到“电厂自动化” 自动化对火力发电厂而言，是热力生产过程与电力发电过程控制的总称，某些国家称为“仪表与控制”（Instrument& Control简称I&C）。 1953年，依据前苏联的经验，在电力设计院机务设计室内设“仪表组”，主要负责火电厂热力生产过程的检测与控制设计。 20世纪60年代，随着机组容量的增大和中间再热机组的出现，其热力系统普遍改为单元制，即一炉对一机的系统，热力生产过程中驱动风机、水泵等辅机的电动机已是热力生产过程控制中不可分割的部分。热工自动化系统设计包括电动机在内的具有整体性的设计。 20世纪70年代，进口机组已将发电机变压器组纳入单元机组自动化系统设计中；80年代在学习美国依巴斯Co．设计中，华东、西北电力设计院也将电动机二次线并入热工控制专业；90年代在我国应用分散控制系统（DCS）成功之后，开始试点将电气部分的检测控制纳入DCS中，因此原来仅限于热力生产过程的热工自动化逐步转变到包括发电机变压器组在内的全发电过程的检测与控制，改称“电厂自动化”。其范围除单元机组外，还包括输煤、除灰除渣、补给水处理、循环水供水系统等辅助车间的自动化。 2 火电厂自动化技术的发展过程与现状 2．1 电厂自动化水平 自动化水平（Automatic level）是指对一个电厂生产过程实现自动控制所达到的程度。其中包括参数检测与数据处理（DAS）、自动控制（MCS）、顺序控制（SCS）、报警和联锁保护等系统，最终体现在机组效率、值班员的数量和所能完成的功能上。火电厂自动化水平是主辅机可控性；仪表及控制设备质量；自动化系统设计的完善程度；施工安装质量；电厂运行维护水平及人员素质的综合体现。 电厂自动化系统是为机组运行服务的，主要目的是保证电厂的安全、经济运行、减少事故、提高设备（系统）效率、降低煤耗和厂用电率并减少人员的数量。 决定自动化水平的条件，首先应研究机组在电网中的运行地位及对机组提出的运行要求，但这只是客观需要，能否实现关键在于机炉本身适应负荷变化的能力和它具有的可控性；其次就是仪表和控制设备的性能和质量，能否达到预期的效果又取决于电厂设计方案的正确、电厂的运行、维护技术水平和管理制度。 自动化水平是随着机组容量、参数的变化和当时所能供应的仪表和控制设备品种、质量而变化的。80年代，根据当时国情，我国火电厂自动化只能是“中档水平”。 我国火电厂200MW及以上机组的自动化水平的发展，概括起来可分为3类： （1）以常规仪表组成监视控制系统，但主辅机可控性差，自动保护投入率低，20世纪70年代前后设计建设的电站多属此类。 （2）80年代中，后期建设的电站，除常规仪表外，采用计算机完成DAS功能和组件组装仪表完成MCS功能，保护功能较为完善，但主辅机的可控性没有明显改进； （3）80年代成套进口的电站，采用计算机进行监测，部分自动调节采用了以微机为基础的DCS，大量的常规仪表和操作设备仍保留，但主辅机的可控性好，自动保护投入率高。 进入90年代，DCS在火电站试用中证明可靠性高，取得运行人员的信赖。因此，在新建机组中普遍采用DCS，并逐步减少常规仪表及硬手操设备，只保留个别极重要的按钮和仪表。90年代末期，对前述（1）、（2）类水平的电站进行技术改造，大量运用DCS实现检测与控制，主辅机可控性也有明显提高，自动保护投入率可达到100％；电厂电气部分（发电机～变压器组）也在试用DCS的基础上，纳入全厂的DCS功能中（简称ECS）；部分火电厂的自动化水平已跻身到世界先进水平的行列。 进入21世纪后，在完善单元机组自动化的基础上，逐步应用厂级监视信息系统（SIS），提高电厂的经济运行水平，以适应“厂网分开、竞价卜网”的要求，使电厂自动化水平得以进一步提高，为实现其综合自动化打下厂基础。 2．2 控制模式 20世纪50年代初，电厂的机组容量小，因此在锅炉与汽轮机附近设置仪表盘或控制盘，称为就地控制，以满足锅炉、汽轮机起停、正常运行的要求。热力、电气系统为母管制，发电机主变压器等控制则在“主控制室”内进行。 1958年，北京高井电站，安装当时单机容量最大的100MW汽轮机，热力系统按单元制设计，考虑到炉、机、电已成为一个整体的特点，自动化系统设计中提出两台机组在一个控制室进行集中控制的方案，按机电值班员、锅炉值班员方式配置控制盘，运行、检修分场分别负责机组的运行与检修。高井电站的实践证明，集中控制方式有利于炉机电之间的联系，便于机组起停、事故处理和正常负荷的调节。同时全国的单元制机组也采用了集中控制设计。1992年1月，能源部颁发了“关于新型电厂实行新管理办法的若干意见”，重申两台单元机组在一个集控室实现炉机电集中控制，明确了管理体制并提出了新的定员标准和人员的素质要求，同时给与相关的政策支持。 进入21世纪以来，国华浙江宁海电厂一期工程建设4X600MW机组，经过充分的技术经济比较后，采用了“四机一控”（即4台机组的控制盘布置在一个控制室）的模式，第一台机组已于2005年12月投产发电“四机一控” 与“两机一控”相比，运行人员的配备可减少20人以上，且便于值长的运行管理和统一指挥，同时日又利于公用系统如燃油、消防、暖通、电气网络监控系统的统一管理。这种模式值得同时建设相同型式容量的多台机组借鉴，但要认真解决建设期内运行与安装的矛盾；运行期内，运行与检修的矛盾等。 2．3 自动调节与控制对象 2．３．1 自动调节设备 在20世纪50年代初期，锅炉、汽轮机容量都很小，系统简单，只有少量的简单直接作用式自动调节，如锅炉汽包的水位调节。随着机组容量的增大，参数的提高和采用煤粉燃烧后，对自动调节的要求也就提高了，自动调节项目增多，除汽包水位调节外，还有燃料、风量、炉膛负压、汽温等。但实际投入自动的多为汽包水位和炉膛负压调节，其他项目很难投入，自动投入率在40％~60％。 长期造成自动调节投入率低的原因有两个：其一为自动调节设备落后，质量差；其二是控制对象的可控性差。 50年代中，主要应用的调节设备是从前苏联进口的机械式调节器IIKTH，后来改为电子式调节器BTH，仪表部门参考BTH研制采用统一信号制的DDZ-I（0～10mA）和DDZ-II、DDZ-III（4~20mA）型电动单元组合仪表，气动单元组合仪表QDZ（0.2~1MPa气压信号）。DDZ型仪表虽比BTH有所进步，但仍只能执行PID调节规律，很难适应复杂调节对象的要求。 70年代末，仪表部门研制了组件组装仪表TF-900（上海）和MZ-I0049I（西安）。组装仪表的特点是功能组件化，选择功能组件可以组成较复杂的控制系统。但是由于电子元器件质量不好，容易损坏，造成自动调节系统失灵，使许多自动凋节不能投入自动。1982年上海福克斯波罗有限公司生产的SPEC-200组装仪表，由于元器件来自美国，且生产过程中有严格的质量管理，经过在陡河电厂200MW机组中试用证明，可以满足大机组（300MW及以上）的控制要求。 80年代中期，以微机为基础的分散控制系统（DCS）进入国内电站，很快解决了长期存在的自动调节设备问题。由于DCS采用大规模集成电路，提高了可靠性；并且用软件编程的方式，可以实现复杂对象的各种调节规律，还可与保护、连锁条件互连，大大提高了控制系统的功能，经试点后很快得以推广，成为今天的主要控制设备。 2．3．2 控制对象 控制对象系指主机和辅机。它能在什么范围内承受和适应各个主要参数的控制作用量及其控制的能力，一般称为可控性，如锅炉的过热器受热面的大小，回转空 予 器的漏风情况，给粉（煤）机、给水泵的调速特性，调节阀门、挡板的调节性能，摆动火嘴的灵活程度，轻重油枪、吹灰器的伸缩自如性和电磁阀开闭的可靠性等，都直接影响自动控制系统正常运行与事故处理。 过去国内生产的主辅机，由于供不应求，对产品质量特别是可控性问题，几乎无人过问，造成机组投产后，许多自动控制项目长期不能投用，影响大型火电机组热工自动化中档水平的实现，近年来在引进国外主机制造技术的帮助下，国内生产的主辅机的可控性有了明显的改进，为提高电厂自动化水平打下了好的基础。 目前，主机已从亚临界提高到超临界参数，从汽包炉发展到直流炉；为适应环保和燃用劣质煤的要求，已生产出1000t／h循环流化床锅炉，正在白马电厂进行试用，这些是今后推广应用的主力机组。 2．4 汽轮机控制系统 汽轮机是高速（3000rpm）旋转机械，必须有灵敏可靠的调节系统，保证带负荷时在额定转速下运行；并有可靠保安系统。20世纪50年代中小容量机组采用的是机械液压调速系统，同时配有危急保安器，在转速超过危险值时，自动停止汽轮机的运行。60年代 开始研发200MW汽轮机时，提出了电调控制系统，为确保汽轮机运<