熱工控制系統(tǒng)概述

熱工控制系統(tǒng)和設備

第一章計算機控制技術

第一節(jié)熱工控制系統(tǒng)概述火力發(fā)電是一個經(jīng)化學能-熱能-勢能-動能-機械能-電能的多層次能量轉換的過程。其中涉及的熱力設備眾多，熱力系統(tǒng)龐大，生產(chǎn)過程復雜，并且多數(shù)生產(chǎn)設備長期處于高溫、高壓、高速、易燃、易爆等惡劣條件或某種極限狀態(tài)下運行，所以對其生產(chǎn)過程進行有效的控制是電力安全經(jīng)濟生產(chǎn)的一項基本任務。熱工控制系統(tǒng)主要由測量裝置、執(zhí)行機構(執(zhí)行裝置)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其中測量裝置和執(zhí)行機構在原理和結構上沒有新的變化，只是引入了智能化、網(wǎng)絡通信接口、微處理器等，已可以實現(xiàn)計算機遠程設定甚至控制，并逐步向現(xiàn)場總線控制方向發(fā)展，其核心已逐步由計算機控制系統(tǒng)所取代。電機

機械控制單元齒輪

閥門連接

手輪

接線端子

一、熱工測量1．溫度測量火電廠熱工測量控制系統(tǒng)中的溫度測量傳感器，采用熱電偶熱電阻，少數(shù)地方采用其他熱敏元件如金屬膜(雙金屬膜)水銀溫包等作為溫度測量的一次元件。300MW以上的機組一般是熱電偶熱電阻信號直接進入電子室，由分散控制系統(tǒng)(DCS)系統(tǒng)中專門的信號調(diào)整模件將其轉換成適用于控制系統(tǒng)的信號。熱電偶的冷端補償，依據(jù)控制系統(tǒng)的不同而采用各種不同的方法，現(xiàn)在通常采用的方法有：使用冷端補償器、使用恒溫箱，以及用熱電阻測量接線盒中的溫度然后在軟件中進行修正。2．壓力(真空)測量傳感器為應變原理的膜片、彈簧管，變送器為位移檢測原理或電阻電容檢測原理，4～20mA輸出，二次儀表多數(shù)為數(shù)字顯示儀表。3．流量測量流量測量以采用標準節(jié)流件，依據(jù)差壓原理測量為主，少數(shù)地方采用齒輪流量計或渦輪流量計，如燃油流量的測量。大機組中的主蒸汽流量測量許多地方不用節(jié)流件，利用汽輪機調(diào)節(jié)級的壓力通用公式計算得出。用節(jié)流件測量主蒸汽流量時一般都有壓力溫度補償。二次儀表數(shù)字化、智能化，在分散控制系統(tǒng)(DCS)中實現(xiàn)密度補償就更為方便。齒輪流量計，是容積式流量計的一種，用于精密的連續(xù)或間斷的測量管道中液體的流量或瞬時流量．它特別適合于重油、聚乙烯醇、樹脂等粘度較高介質(zhì)的流量測量。齒輪流量計流量信號的顯示，有就地顯示和遠傳顯示兩種。就地顯示將齒輪的轉動通過一系列的減速及調(diào)整轉速比機構之后，直接與儀表面板上的指示針相連，并經(jīng)過機械式計數(shù)器進行總量的顯示；遠傳顯示主要是通過減速后的齒輪帶動永久磁鐵旋轉，使得彈簧繼電器的觸點以與永久磁鐵相同的旋轉頻率同步地閉合或斷開，從而發(fā)出一個個電脈沖遠傳給另一顯示儀表。托克托電廠將原有的部分超聲波燃油流量計改造為高準的科氏力質(zhì)量流量計，實現(xiàn)燃油流量的準確測量，目前并連續(xù)幾年零缺陷，保證燃油計量的準確性。4．液位(料位)測量液位測量以差壓原理經(jīng)壓力補償測量為主，電接點、工業(yè)電視并用。云膜或輕液雙色水位計仍在使用，也有使用浮子及電磁原理的液位開關的。料位測量以稱重式或電容式傳感器配4～20mA變送器測量為主，也有使用浮子式或超聲波原理的。在2003年，托克托電廠#1機組投產(chǎn)后就進行了凝汽器水位計改造，將原電容差壓測量方式改變?yōu)槔走_液位計測量方式，徹底解決了凝汽器和低加的液位測量問題，提高凝汽器水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。目前全部8臺機組的大小機凝汽器液位測量全部采用雷達液位計。磁性翻板液位計結構原理：液位計根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用原理工作的。當被測容器中的液位升降時，液位計主導管中的浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到現(xiàn)場指示器，驅(qū)動紅、白翻柱翻轉180°，當液位上升時，翻柱由白色轉為紅色，當液位下降時，翻柱由紅色轉為白色，指示器的紅、白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實際高度，從而實現(xiàn)液位的指示.超聲波料位計工作原理：音波發(fā)射頭能發(fā)射一束強烈音波脈沖，當此音波到達物料表面時會有反射波傳回發(fā)射頭，此反射波經(jīng)由發(fā)射頭轉換成電氣信號，然后被送到超音波控制器，由控制器計算音波反射傳送時間，再轉換成料位或距離，其換算之公式為：D=（334.1*0.6t）*TD代表距離，t代表溫度，T代表傳送時間雷達液位計的測量原理雷達液位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達液位計的天線發(fā)射出電磁波，這些波經(jīng)被測對象表面反射后，再被天線接收，電磁波從發(fā)射到接收的時間與到液面的距離成正比，關系式如下：D=CT/2式中:D—雷達液位計到液面的距離;C—光速;T—電磁波運行時間雷達液位計記錄脈沖波經(jīng)歷的時間，而電磁波的傳輸速度為常數(shù)，則可算出液面到雷達天線的距離，從而知道液面的液位。5．其他熱工測量如氧化鋯煙氣含氧量測量、電導率測量、二相流的測量、火焰檢測等，除電導率測量比較簡單外，這些測量多數(shù)還處于研究開發(fā)階段，或者說還沒有完全定型和成熟。電廠送粉系統(tǒng)煤粉濃度和速度的在線測量技術研究鍋爐燃燒過程中,準確測量各風管中的煤粉濃度并指導調(diào)節(jié)對鍋爐的安全、經(jīng)濟運行非常重要。采用電容層析成像技術(ECT),對常溫下稀疏氣力輸送的固體濃度及速度進行了測試研究。為克服電容傳感器敏感場的不均勻性對成像造成的影響,實驗系統(tǒng)中裝置了一旋風分離裝置,通過旋風分離作用將固體顆粒主要集中在壁面區(qū)域,傳感器電極布置在分離器直管上。利用單層8電極電容傳感器通過預迭代的圖像重建算法獲得濃度分布。通過分析旋風分離裝置內(nèi)上下游流動的概率和頻譜特性,驗證了其流動滿足電容相關測試要求,通過測量上下兩層電極電容相關信號獲得軸向速度,切向速度由同一層傳感器相鄰電極對的電容相關信號獲得。通過對管道截面體積分數(shù)、軸向速度及切向速度的測量與比較分析,證明該方法可獲得可靠的測量結果。隨著科學技術的不斷發(fā)展，也由于生產(chǎn)實踐的需求以及原有技術的不足，進人新的一個世紀以后，熱工自動化專業(yè)技術以更快的速度發(fā)展。傳感器、變送器將更趨于小型化、數(shù)字化、智能化；總之，在測量技術方面，新原理、新材料、新工藝制成的各種新型傳感器、變送器將層出不窮，二次儀表將趨向于與傳感器、變送器一體化、小型化，并且全面智能化。變送器的分類方法很多:按工作能源分，有氣動變送器、液動變送器、電動變送器；按被測參數(shù)分，有差壓變送器、壓力變送器、流量變送器、溫度變送器、液位變送器；按通信協(xié)議分，有HART變送器、DE變送器、FF變送器和PROFIBUS變送器；按工作原理分，有力平衡式變送器、振弦式變送器、電容式變送器、電感式變送器、壓阻式（擴散硅式）變送器、硅諧振式變送器和壓電式變送器；按信號類型分，有模擬變送器和數(shù)字變送器；按有無微處理器分，有常規(guī)變送器和智能變送器。全焊接的密封設計316L不銹鋼外殼土星檢測技術共平面的過程隔離法蘭多總線輸出信號專用集成電路ASIC技術單一電路板圖中：1為永久磁鐵；2為諧振子；3為硅膜片；4為硅基底；5為引入壓力部分；6為放大器；A為激振線圈；B為拾振線圈；N為磁場；i為激振電流?？刂葡到y(tǒng)將從DCS系統(tǒng)向FCS或更新型的系統(tǒng)過渡。控制系統(tǒng)的功能也將進一步拓寬，更多地注重更高層次的生產(chǎn)管理方面的功能。傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)主要是監(jiān)視和操作以及控制功能，至于更高層次上的生產(chǎn)管理功能，直到有了DCS系統(tǒng)才開始涉及，以后的自動化控制系統(tǒng)將在這方面有更大的作為。二、控制系統(tǒng)火力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段。1．就地控制階段20世紀二三十年代，火電廠機組的容量很小，僅僅能對鍋爐蒸汽壓力、汽包水位、汽輪機轉速等實現(xiàn)簡單的自動控制。國外在40年代以前，我國在50年代建設的火電廠基本上采用這種控制方式。2．集中控制階段集中控制階段分為局部集中控制和機組集中控制兩個子階段。20世紀40年代初，由于出現(xiàn)了中間再熱式機組，鍋爐和汽輪機之間的聯(lián)系增加，為了協(xié)調(diào)機爐間的運行，出現(xiàn)了局部集中控制系統(tǒng)。這一階段控制系統(tǒng)的顯著特點是：鍋爐和汽輪機的控制系統(tǒng)表盤相對集中地安裝在一起；運行人員同時監(jiān)視和控制機爐的運行；控制設備主要是氣動或電動單元組合儀表。國外40～50年代，我國60～70年代初建設的火電廠基本上采用這種控制方式。20世紀50年代后，火電廠機組的容量進一步增大，機電爐之間的聯(lián)系更加密切，同時，儀表和控制設備的尺寸縮小，而且出現(xiàn)了新型的巡回檢測儀表和局部程控裝置，機組集中控制系統(tǒng)成形了。這一階段控制系統(tǒng)的顯著特點是：整個機組機電爐的監(jiān)視和控制表盤集中在一個控制室內(nèi)；運行人員同時監(jiān)視和控制機電爐的運行；控制設備主要是電動單元組合儀表、組件組裝式儀表、以微處理機為核心的數(shù)字式儀表。國外50～60年代，我國70～80年代建設的火電廠基本上采用這種控制方式。3．計算機控制階段隨著火電廠機組向高參數(shù)大容量方向發(fā)展，生產(chǎn)過程中需要監(jiān)視的內(nèi)容越來越多，過程控制的任務越來越重。另一方面，計算機的發(fā)展與普及、現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生與應用，以及二者相結合所形成的計算機控制系統(tǒng)向工業(yè)領域的滲透，使計算機控制系統(tǒng)應運而生了。計算機控制階段分為集中型計算機控制、分散型計算機控制和綜合自動化三個子階段。計算機控制系統(tǒng)最初在火電廠的應用，采用的是集中型計算機控制系統(tǒng)。它最顯著的特點是：用一臺計算機實現(xiàn)幾十甚至幾百個控制回路和許多被控量的控制、顯示、操作、管理等。但是，集中型計算機控制系統(tǒng)存在致命的缺點：由于當時計算機硬件可靠性不夠高，而用一臺計算機承擔所有的監(jiān)視和控制任務，使得危險高度集中，一旦計算機故障，將導致生產(chǎn)過程全面瞬間癱瘓；而且在計算機速度和容量有限的情況下，一臺計算機所承受的工作負荷過大，也影響了系統(tǒng)的實時性和正確性。

20世紀70年代初，大規(guī)模集成電路制造成功和微處理器的問世，使得計算機的可靠性和運算速度大大提高，而且價格大幅度下降。計算機技術的發(fā)展與日益成熟的分散型計算機控制思想相結合，促使火電廠自動化技術進入了分散型計算機控制的新時代。分散型計算機控制系統(tǒng)就是我們常說的分散控制系統(tǒng)，它的顯著特點是：由多個基本控制單元去控制復雜生產(chǎn)過程中的局部系統(tǒng)；通過CRT顯示技術與數(shù)據(jù)高速公路交換數(shù)據(jù)，使得運行人員能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)集中進行監(jiān)視、操作、管理等。分散控制也就是控制分散，危險分散，管理集中。我國于80年代中期開始在火電廠機組上應用分散控制系統(tǒng)，而且新建的300MW以上機組普遍采用分散控制系統(tǒng)。在分散控制系統(tǒng)的基礎上，火電廠控制系統(tǒng)正向更高層次的綜合自動化方向發(fā)展。綜合自動化是一種集控制、管理、決策為一體的全局自動化模式，它是在對各局部生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制的基礎上，從全局最優(yōu)的觀點出發(fā)，把火電廠的運作體系視為一個整體，在新的管理模式和工藝指導下，綜合運用現(xiàn)代科學技術與手段，將各自獨立的局部自動化子系統(tǒng)有機地綜合成一個完整的大系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全局自動化。三、控制子系統(tǒng)1．自動發(fā)電控制系統(tǒng)(AutomaticGenerationControl，簡稱AGC)AGC是現(xiàn)代電網(wǎng)控制中心的一項基本和重要的功能，是電網(wǎng)現(xiàn)代化管理和商業(yè)化運營的需要。自動發(fā)電控制系統(tǒng)主要由三部分組成：電網(wǎng)調(diào)度中心的能量管理系統(tǒng)(EMS)、電廠端的遠方終端(RTU)，以及分散控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、微波和分散通道。2．廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng)(SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，簡稱SIS)SIS是發(fā)電廠的生產(chǎn)過程自動化和電力市場交易信息網(wǎng)絡化的中間環(huán)節(jié)，是發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)發(fā)電生產(chǎn)到市場交易的中間控制層，是實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和生產(chǎn)信息管理一體化的核心，是承上啟下實現(xiàn)信息網(wǎng)絡的控制樞紐，是實現(xiàn)機組的安全經(jīng)濟運行的有效手段。SIS系統(tǒng)具有以下功能：(1)實現(xiàn)全廠生產(chǎn)過程監(jiān)控。(2)實時處理全廠經(jīng)濟信息和成本核算。(3)具有競價上網(wǎng)處理系統(tǒng)。(4)實現(xiàn)機組之間的經(jīng)濟負荷分配。(5)進行機組運行經(jīng)濟評估及運行操作指導。3．單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CoordinationControlSystem，簡稱CCS)所謂協(xié)調(diào)控制，是指通過控制回路協(xié)調(diào)汽輪機和鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應負荷變化的目的，盡最大可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常指機、爐閉環(huán)控制系統(tǒng)的總體，包括各子系統(tǒng)。原電力部熱工自動化標委會推薦采用模擬量控制系統(tǒng)(ModulatingControlSystem，MCS)來代替閉環(huán)控制系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)等名稱，但習慣上仍沿用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。4．旁路控制系統(tǒng)(BypassControlSystem，簡稱BCS)大型中間再熱式機組一般都設置旁路熱力系統(tǒng)，其目的是在機組啟停過程中協(xié)調(diào)機、爐的動作，回收工質(zhì)，保護再熱器等。該系統(tǒng)具有啟動、泄流和安全三項功能，從而較好地解決了機組啟動過程中機、爐之間的不協(xié)調(diào)問題，改善了啟動性能。見圖3-25．鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FurnaceSafeguardSupervisorySystem，簡稱FSSS)[或稱燃燒器管理系統(tǒng)(BurnerManagementSystem，簡稱BMS)]爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)包括爐膛火焰監(jiān)視、爐膛壓力監(jiān)視、爐膛吹掃、自動點火、燃燒器自動切換、緊急情況下的主燃料跳閘等。6．順序控制系統(tǒng)(SequenceControlSystem，簡稱SCS)按照生產(chǎn)過程工藝要求預先擬定的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產(chǎn)過程進行一系列的操作，稱為順序控制。順序控制也稱程序控制，在發(fā)電廠中主要用于主機或輔機的自動啟停程序控制，以及輔助系統(tǒng)的程序控制。如汽輪機、磨煤機的自動啟停程序控制，定期排污和定期吹灰的程序控制等。7．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem，簡稱DAS)又稱計算機監(jiān)控系統(tǒng)，其基本功能是對機組整個生產(chǎn)過程參數(shù)進行在線檢測，經(jīng)處理運算后以CRT畫面形式提供給運行人員。該系統(tǒng)可進行自動報警、制表打印、性能指標計算、事件順序記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲以及操作指導等。8．汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DigitalElectricHydraulicSystem，簡稱DEH)汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機組的重要組成部分，除完成汽輪機轉速、功率及機前壓力的控制外，還可實現(xiàn)機組啟停過程及故障時的控制和保護。DEH包括兩個控制功能：(1)BTC，BaseTurbineControl，即汽輪機基本控制。(2)ATC，AutoTurbineControl，即汽輪機自動程序控制。9．給水泵汽輪機電液控制系統(tǒng)(Machine-ElectricHydraulicSystem，簡稱MEH)給水泵汽輪機電液控制系統(tǒng)是鍋爐全程給水控制的重要組成部分，可完成給水泵汽輪機的控制等。10．RUNBACK、RUNUP、RUNDOWN、FCB(1)RUNB