高级控制系统优化软件PROFI在电厂DCS中的应用

1、引言 电力市场饱和的情况，导致许多机组都不能满负荷运行发电。电力市场的自由化使得竞价上网已经成为电力发展的必然趋势，唯有采取有效的竞价手段才能保证自己的电力输出被电力市场接受。 电力市场发展的另一个趋势是电网中大容量机组（300MW及以上）越来越多，电力市场的峰谷差日益加大，单纯依靠中小型机组实现调峰已经不能有效地满足要求，大型机组参与电网调峰已迫在眉睫。而目前国内的大型机组一般按照基本负荷设计，其调峰能力并不理想，因此为了有效解决这个矛盾，必须采用一些先进成熟的优化控制解决方案。 目前，国内类似的优化控制解决方案的确不少，但效果都不太理想。而德国西门子公司的先进控制方案PROFI成功地解决了以上问题，它对于提高机组控制性能，保证良好的经济效益和市场生存能力，提高电厂燃用廉价燃料的能力，减少生产成本等都具有重要的理论和实践意义。 2、系统介绍 PROFI系统是西门子公司各方面专家对很多运行中的火力发电厂存在的问题进行深入分析后，将先进的理论和实践经验相结合后所研究出的具有革命性变革的一种全新的控制思路，该方案先进、可靠，已成功的应用于各种类型的火力发电厂中。 系统与DCS控制系统可直接相连，可将模件直接插到DCS机柜中。在正常运行过程中，SICOPM处理器模件和已经安装在其中的PROFI模块不需要操作员任何干预，系统加电以后，它能够自动引导并开始运行其中的内部程序。 当与SICOPM处理器中的用户程序进行连接后，可以在过程控制系统中形成新的运行方式，通过这种方式，可以在控制系统中进行手动设定，如在机组启动期间设置目标值，从而对高级过程控制系统进行优化。 2.1 PROFI系统的优越性 随着改革的深入，电厂和电网分开，竞价上网已成必然，电厂能否发出稳定而质高价低的电，是其在竞争激烈的电力市场中生存下去的前提，PROFI就是为了适应这一需求而研制开发的。PROFI通过保持机组长期稳定的运行，提高机组的效率，使机组能够迅速有效的满足电网调度要求的指令，提高对调度员的吸引力。保持在市场竞争中的优势。 PROFI解决了现代电力系统中电网调度和火力发电厂中机组反应迟缓的尖锐矛盾，使得机组既能快速响应电网调度的指令，又能保证机组平滑稳定的运行，提高机组在电网中的竞争力。同时PROFI解决了机组起停速度过慢，机械寿命受损的缺陷，大大提高机组的起停速度，减少燃料的损耗，提高经济效益。通过PROFI还能够解决频繁发生的超温和振荡现象，提供准确而迅速的控制。 PROFI是基于模块化的设计，主要由四大功能块组成:新机组协调模块，凝结水节流模块，带预测的负荷裕度模块和自学习的温度控制模块。各个功能模块之间既相互独立，又可灵活搭配，可以根据电厂实际情况使用其中一个或几个模块。各个模块都具有较好的可操作性和可控性，可以大大减少运行人员干预和设备变化次数。 PROFI不仅有较高的经济性而且还有极高的安全性。所有上述模块都可以随时无扰的投入和切除，即使发生硬件故障时也只是无扰切换到机组原有的运行方式，不会产生任何危及机组安全的不良影响。另外，PROFI具有很好的适应性。无论是燃煤，燃气，燃油火力发电厂，不论采用何种DCS系统，无需对原系统做太大的改变，没有任何风险，PROFI就能方便的加入到原有系统中去。加上各个模块之间搭配的灵活性，使得电厂不用投入太多就能取得较高的回报。 2.2 主要功能模块 PROFI各个模块是针对不同问题而开发设计的，电厂可以根据各自的实际情况选用不同模块。 (1) 新机组协调模块 新机组协调模块是一种全新的机组协调动作思路，通过充分利用机组的蓄能，达到机组迅速响应负荷需求变化，解决了现在电厂对电网负荷要求变化响应过慢的缺点，还能减少锅炉燃烧部分的过调，保持稳定燃烧，提高机组的燃尽率，同时还能降低设备的磨损，降低维护费用。 (2) 凝结水节流模块 该模块是对热力系统特性充分了解的体现，是一种独创的控制方式。通过改变凝结水流量，使得机组在燃烧工况不变的情况下，能够瞬时提高机组出力达4～6% MCR，快速响应现代电网调峰调频的要求，加强了电厂机组在电网中的竞争能力，并且不会产生热应力变化，不会对机组寿命造成损伤。 (3) 带预测的负荷裕度模块 负荷裕度模块主要用于解决机组起停速度过慢的问题。利用先进的预测算法实时计算机组所受的热应力，以此控制机组的起停速度，使得机组能够快速起停而又不超过机械部分所能承受的热应力。节省了起停燃料的消耗，取消了传统的昂贵的温差测量设备，节约了电厂的成本。 (4) 自学习温度控制模块 温度控制模块利用了状态控制器和自学习回路等高级控制算法，成功解决了温度这种大滞后对象的控制，即使变负荷时也能将温度迅速稳定地控制在设定点。大大消除了电厂普遍存在的超温现象，给用户带来长久的利益。 2.3 PROFI提高电厂效益的途径 PROFI控制就是用来提高机组稳定性和负荷动态响应能力的，从而提高电厂效益。 (1) 机组稳定性 在机组稳定性方面。提高电厂效益主要是通过减少生成扰动（避免电力销售损失）、提高机组效率（减少每MW小时的燃料）、延长电厂昂贵设备的寿命和减少维护费用来实现的。 (2) 负荷动态响应性能 稳定的机组可以更早、更长时间地维持目标负荷。从负荷调度的观点来看，这种电厂比其他电厂能够提供更快更可靠的产品。如果该电厂在为电网提供调频服务的情况下还有足够的稳定性，这种电厂更有吸引力。电网是需要调节负荷的。这种调节型的机组将具有很长的、比计划中更多的年发电小时。从统计上来说，它的每MW小时的生产成本更低。高的负荷动态响应能力是产生效益的首要点。 2.4 机组优化控制方案的目标 (1) 机组优化控制主要考虑的因素 负荷分配和电网需求需要通过机组控制系统来满足，尤其在当前的市场。当前主要考虑的因素有： 最低价格购买电力； 操作性，包括负荷变化率，负荷阶跃能力和负荷变化范围； 一个电厂或者整个发电行业的精确发电量控制； 一次调频控制。 (2) 机组优化控制系统必须实现的目标 快的负荷变化率； 大的负荷阶跃能力； 宽的可调负荷范围。 (3) 机组优化控制系统的隐含目标 除了必须达到上述目标外，机组优化控制方案还应达到的隐含目标为： 燃料、主蒸汽压力和主蒸汽温度振动以及过程参数超限必须得到克服。 在有些电厂的负荷变化期间，整个电厂的控制系统不稳定现象也必须得到克服。 在燃烧较差的电厂，燃料过度燃烧现象应该得到最大程度的限制，从而电厂机械设备的寿命消耗可以减少。 3、PROFI系统在电厂中的应用 以某电厂为例，在使用PROFI后，电厂的过程控制特性得到了显著的提高，机组运行更加平滑，负荷响应更迅速，同时，大大减少了机组运行中运行人员的干预和设备的动作频率。在当前的情况下，机组能够较好地运行在定/滑压模式下，以4％MCR的负荷升降速率进行自动升降负荷，同时该过程中各种参数都比较稳定，下面仅以优化前后主汽温和再热汽温在稳定负荷时的对比曲线为例说明PROFI系统对高级控制系统的优化作用。 从图中可以看出：优化前，主汽温的变化范围在528℃～544℃之间，再热汽温的变化范围在514℃～541℃之间；优化后，主汽温的变化范围在539℃～543℃之间，再热汽温的变化范围在539℃～544℃之间，达到很好的控制效果。 4、结束语 通过使用先进控制策略后，电厂能快速响应电网调度的调峰和调频的要求，发出质高价低的电力，在充满竞争的电力市场中占据优势。通过降低机组的过调，可以大大减少设备的磨损，降低运行和维护成本。通过对机组的各工况平稳控制，减少运行人员干预和设备状态变化次数，延长机组使用寿命，提高电厂的使用效率。根据使用的不同情况，可以提高机组效率。