浅析电厂的技术改造要点及展望

摘要：市场环境的变化以及设备和技术的更新换代对电厂的运行和发展提出了新的要求。为满足这些新要求，适应社会的发展规律，电厂需要对现有的工作方式和设备状态进行升级改造。本文分析了火电厂的技术改造现状和相关的技术改造评价指标，确定了应用分散控制系统对电厂设备和运行状态进行自动化监控改造的方案，进而具体讨论了热工系统、集中控制系统、辅助车间监控系统、系统整体改造要求。

关键词：火电厂；技术改造；分散控制系统；自动化

受限于电厂建设年代所处的环境限制，多数电厂尤其是我们南方某些城星罗棋布热电联产企业的工作方式和设备状态已经无法满足当前的社会需求。这些面临改造或者淘汰的火电厂的共同特性是，技术水平不高，设计思想和设备配置更注重当时的需求，没有注重后续的持久发展，在电厂热工自动化水平方面相对较为落后，对于重点设备和重点流程的监控功能覆盖不全面，系统维护量大，部分设备已经临近淘汰，发电机组面临改造更新。

随着电网商业化运行的深入，电能上网竞价环境日趋激励，应用高新技术对电厂进行技术改造势在必行。为适应电网自动发电控制的发展趋势，对火电厂的技术改造的重点之一就是应用热工自动化技术改造以及基于网络的集中监控技术改造。

1 热工自动化技术改造评价指标

进行技术改造首先需要确定和分析改造技术能够为电厂发展带来的竞争优势，评判改造方案是否有必要和是否可行。对电厂的热工系统进行自动化改造具有以下几方面的竞争优势

(1)机组稳定运行所带来的经济效益。对热工系统进行自动化改造主要使用分散控制系统对机组运行时的状态和参数进行实时监控，可以维持系统中各参数维持在额定参数附近运转。若同时配合更新具有自动调节功能的现场设备，可以有效提升机组运行的品质和调整精度，改善电厂的经济效益

(2)安全生产所带来的经济效益。分散控制系统的优势在于提高所控制设备的运行可靠性，降低错误操作发生概率，应用计算机进行故障分析，避免出现故障停机或者及时从故障中回复。通常，200MW机组一次启动需要耗费几万元甚至十几万元，停机时间为电厂带来的经济损失则更大，因此进行热工自动化改造所带来的经济效益还是非常明显的。

(3)人力资源优化所来带来的经济效益。由于热工自动化技术中的分散控制系统和数字电液控制系统能够将机械设备、火炉、电气设备等集中管理和控制，减少了人力资源的投入，降低了工作人员的工作强度，故障确定更加准确和快捷，减少了检修方面的人力投入成本，可以帮助企业实现资源配置优化，降低检修和维护成本。

2 热工系统的自动化改造现状及其功能

对于热工系统的改造主要是铺设分散控制系统，利用该系统实现电厂各资源的整合。具体实现功能为：实现设备在远程监控端的监控以及人机交互；将人工操作热力系统的腹肌和相关设备变为系统按照预设顺序和时间进行自动操作，提升了操作的速度和精度，避免了可能出现的误操作；机炉协调控制系统可以控制机组主要参数维持在额定参数附近，自动发电控制系统增强了机组对电网的适应能力，系统的品质得到了提升。下面就分散控制系统中的主要系统和技术具体分析。

2.1 炉机辅机顺序控制系统(SCS)

该系统利用计算机的逻辑控制功能对热力系统和辅机的工作顺序和步骤、工作动作等进行设定和规范，系统启动后，炉机即可自动进行工作，远程监控端只需要对炉机的工作状态进行监视即可，这种方式大大降低了操作人员的工作强度。此外，SCS系统还引入了安全防护技术，该技术对设备工作时的工作状态进行监控，一旦出现安全联锁条件不满足的情况，则设备被闭锁，停止工作，保证设备运行的安全。

通常，单元机组的SCS由三级组成，分别为机组级、功能组级和驱动级。其中机组级主要用于进行顺序控制，但是该控制过程的实现步骤和条件非常多，尤其是旧机组，故很难实现新技术的应用，综合各因素，重点在功能组级和驱动级进行顺序控制。如设定控制程序控制投/切磨煤机组或给粉机进行自动调节，以适应电网自动发电控制系统的运行负荷就是该系统的一个应用实例，实践经验表明，该技术的具有很强的实用性，经济效益明显。

2.2 炉膛安全监控系统(FSSS)

为保障火电机组的运行安全，实现火电机组的自动控制，可以引入FSSS系统进行技术改造。该系统主要对锅炉炉膛的安全性能进行监控，除此之外该系统还能够实现对燃烧器的控制和管理。FSSS系统可实现以下几部分的功能：炉膛火焰的检测；油枪的远程电子控制；煤燃烧器和脂粉系统的工作方式配置以及安全防护等。

鉴于FSSS系统是电厂的核心设备之一，故当前的电厂均具有FSSS装置。为实现电厂自动化，该部分设备也需要加装离散控制系统，将FSSS的功能纳入到离散控制系统中，提升电厂的自动化程度，尤其是火焰检测装置、油枪装置等都可以根据改造需求重新进行改造。即便不进行改造的部分，也应该在离散控制系统设计时预留出扩展空间，以便于后期系统功能完善。

2.3 汽轮机电液控制系统(DEH)

该系统相对较为独立，硬件实现较为灵活，鉴于当前电厂一体化程度较高，系统不断在向集中控制方向发展，故也应该将该系统纳入到离散控制系统中。这种改造方式可以将DEH与离散控制系统的软硬件进行统一，实现人员和设备的共用，无需独立配备的DEH操作员即在统一系统中完成DEH的控制。此外，越来越多的离散控制系统制造商向DEH和离散控制系统的一体化设备方向进行研发和设计，这种情况也推动了DEH与自动离散控制系统的融合。

2.4 电气监控系统

传统的电气监控系统通过运行人员在工作现场对电气设备的仪表进行监控。但是这种方式具有多种不便，且工作效率低下。采用离散控制系统和具有并网能力的仪表和控制设备将电气监控系统集成到离散控制系统中可以实现设备的远程监控，提高机组监控的可靠性，对监控数据进行记录和存储，若系统运行发生故障，可以对所存储的监控数据进行分析，确定解决方案。

电气监控系统主要部分有：发电机-变压器组和厂用的电源系统部分；发电机励磁系统中的电压调整器部分；继电保护装置部分等。这三部分中，部分在实际应用中已经完成了与DCS的集成，对于第二部分和第三部分则需要考虑电厂当前的经济情况，但是更低改造标准为确保这两部分都具有监控或者通信接口，以便于升级、并网或者其他功能变化。

3 集中控制室的改造

应用离散控制系统对电厂进行自动化改造需要同时对集中控制室进行改造，将纳入监控范围的设备功能进行集成。

3.1 操作台的改造

上述电厂自动化技术改造中将多个设备纳入到离散控制系统中，为实现对上述改造设备的控制应该按照监控标准对现有的操作台进行改造。特别是进行离散控制系统和DEH的统一后，可以将操作员工作站设为监控中心，对原有的控制台进行布置结构的调整。经过技术改造，可以在更短的BTG盘内实现电厂各设备的监控。

3.2 显示器的改造

显示器是集中监控系统的主要显示设备，利用显示器可以在集中控制室实现人机之间的交互。由于电厂中被纳入监控的设备和部件繁多，且多数可以实现现场视频信号的采集和显示，故在集中监控室中使用大屏幕显示器改造是一种必然趋势。大屏幕显示器可以进行画面分割，实现多设备的同一屏幕显示，便于操作员观察和控制。此外，大屏幕的应用还可以将多媒体技术应用到电厂日常工作中，使用该技术可以将重点设备的工作画面以视频的方式进行采集和呈现，若电厂设备出现故障，在传统发出报警信号的基础上，观察各个监控点的画面可以帮助操作人员迅速确定故障位置，对故障进行处理，减小电厂经济损失。

4 辅助车间监控改造

为提高企业运行效率和经济收入，应用网络技术和集中监控技术对辅助车间进行监控改造势在必行。

4.1 监控范围改造

应用网络技术可以将化学水处理车间、除灰车间、煤处理车间等联网集中监控可管理。这种管理方式首先扩大了监控的范围，实现了监控功能的统一，从而减少了人员的配备。再次，对于这些车间中所进行的操作和所涉及的工艺相对复杂，要求系统运行可靠性较高，但是具体工艺过程相近，故为统一监控提供了便利的改造环境。

4.2 辅助系统的集中控制改造

对辅助系统进行集中控制在保留监控点上位机作为备用监控设备的基础上能够实现与离散控制系统中的各子系统进行信息共享或者传递等功能，可以达到信息实时沟通的目的。应用集中控制技术对辅助系统进行技术改造可以从两个方面着手：单元控制和辅助车间控制。

其中，单元控制是按照不同系统的系统功能进行单元分类，然后对各单元进行控制。这种控制可以进行离散控制系统集成也可以不进行离散控制系统集成，但是相对而言，更适合当前电厂自动化系统方案的是不与离散控制系统进行集成，而是采用单独设立监控工作站的方式进行单元监控。这种方式对于一些具有庞大信息量的监控单元可以快速进行信号接入和处理，提高系统的实时性。

而辅助车间控制则是按照不同车间进行集中控制。这种改造方式是将辅助车间组成监控网络，通过统一控制室进行监控。这种监控方式可以避免资源的浪费，减少人力成本。

4.3 网络结构改造

由上述控制方案确定辅助车间的监控网络结构如下：

(1)控制层与I/O层由PLC网络组网实现；控制层与监控层除了由PLC网络组网实现外还可以采用以太网结构；监控层与管理层由以太网结构进行连接。(2)各网络层的数据采集量和传输量大，大多会超过2000点，故各层次的通信方式采用全双工交换式工业控制用以太网。(3)网络拓扑结构的确定由网络覆盖范围、PLC选型、网络设备工作等综合确定。通常每个辅助车间单独使用一个控制点，但是各控制系统使用同型号PLC，为方便进行网络铺设和维护，可以采用总线型拓扑结构。(4)为保证网络传输信息的准确性，对网络信息的编码采用冗余编码方式。

4.4 操作平台和监控软件改造

电厂自动控制系统的系统结构和设备属性决定了操作平台对多硬件的兼容性要好，具有多任务多线程工作方式，兼具可靠性和安全性，综合考虑各因素可以选取Window NT核心的操作平台。对于监控软件的选取要综合考虑监控方式、网络支撑、数据管理、对第三方应用的集成或支持度等，iFIX软件或者Intouch软件均可以满足上述需求。

4.5 改造时所需注意问题分析

考虑到后续的升级或者并网需要，进行辅助车间监控网络设计时应该预留出一定的通信接口，以方便满足与电厂总监控网络进行对接或者添加新辅助车间时的通信需求。在进行网络建设时要同时考虑安全性能方面的要求，设置适当的防护措施。在网络硬件选取方面，由于电厂的维护成本较高，重启或者停机都会为电厂带来严重的经济损失，因而应尽量选用优质的硬件设备，以减少因硬件引起的故障。

5 系统整体改造原则及要求

对于更高层次的监控系统应该采用分层分布式网络结构，设置多个网络接口，便于将各子离散控制系统的数据进行传输或者共享，为电厂后续发展可能出现的系统集成提供端口支持，增强系统的可扩展性。

系统应该具有完善的断网隔离功能和自我诊断功能，以确保单一故障出现时不会影响整个系统的工作。

系统整体运行中会产生庞大的数据信息，为保障监控的实时性，各部分应该使用光纤作为通信媒介。而在数据存储方面则应该使用大容量存储设备进行数据存储，系统利用这些数据可以对电厂各设备的工作状态进行分析和判断，保证全场各设备运行的鲁棒性。

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