3-热工自动控制系统在节能减排中的作用

热工自动控制系统在节能减排中的作用

吴科，朱能飞

中国华电集团公司-国电南京自动化股份有限公司，江苏南京，210003摘要：分析了目前我国火电厂在节能减排方面面临的严峻形势和责任，列举了电厂节能减排的

各种措施，着重介绍了热工自动控制系统在电厂节能减排中的作用，展望数字化电厂框架下信息决策层与实时控制层相结合的管控一体化模式下的电厂节能减排潜力。

关键词：数字化电厂，热工控制，自动控制，节能减排

1引言

随着我国经济社会的发展，资源匮乏、环境污染等问题日益突出，经济发展与资源环境的矛盾日益尖锐，依靠大量消耗资源支撑的粗放型经济增长模式使得资源约束矛盾更加突出，环境形势十分严峻，严重影响可持续发展。转变增长方式，做好节能减排，是实现经济社会全面、和谐、可持续发展的迫切要求[1]。

电力行业是能源消耗和污染物排放的主要来源，目前我国约有75%的电量是由燃煤电厂提供的，电煤的消耗约占到全国煤炭消耗总量的50%。电力生产需要持续发展必须解决两个问题，一是尽量节约能源，用有限的能源生产出尽可能多的电能；二是减少电力生产队环境的污染，做到三废处理资源化。节能减排是可持续发展的主题，更是电力行业的责任。

目前我国火电行业煤耗和厂用电率水平与发达国家相比仍有很大的差距。我国供电煤耗叫国外先进水平高60g/kWh左右，只相当于美国、英国20世纪70年代水平。我国火电机组厂用电率比发达国家要高2~3%。节能方面有巨大的潜力可以挖掘。供电煤耗受多种因素的影响，比如:机组负荷率、厂用电率、锅炉效率、主汽压力、主汽温度、再热器温度、真空度、给水温度、机组补水率、再热减温水量等，这些参数的变化对供电煤耗的影响效果大小各异，其中煤种的变化和机组发电负荷率的高低对供电煤耗产生的影响是最重要的[2]。所以，应采取合理的控制措施加以控制调整。但是，热控自动控制系统在节能减排中的重要作用却一直未得以重视。虽然,自动控制系统投入率已经纳入各种机组考核指标,可在各种参数的合理设定、各系统之间的相互协调、给煤量的精确计量等方面做得还很不够。

2传统热工自动控制系统下的电厂节能减排

目前大部分电厂都已经采用了分散控制系统（Distributed Control System，DCS）对电力生产过程进行控制，为各种自动化控制系统的投运提供了平台和基础，在这个平台上已经实施了许多自动控制回路，电厂的自动投入率是比较高的，然而控制系统品质则参差不齐。目前的热工自动控制系统一般是考虑某个被控参数本身（例如温度、压力和功率等）的控制，根据热力学定律，这些重要参数如果被控制在一个合理的范围内，可以起到节能减排的作用。

2.1锅炉与汽轮机能耗分析

对于锅炉而言，排烟热损失是影响锅炉效率的最大一项，排烟温度和烟气含氧量是其重要指标。化学不完全燃烧热损失也是影响锅炉效率的重要因素，其主要影响因素为燃料性质和氧量。影响锅炉效率的因素还有机械不完全燃烧热损失，主要表现为飞灰含碳量。对于汽轮机而言，影响热力系统效率的主要因素为主蒸汽与再热蒸汽的压力和温度，另外还有汽轮机调门的不同运行方式带来的节流损失、回热系统效率以及冷端损失等。

2.2热工自动控制系统在机组节能减排中的应用

（1）送风控制

送风量将直接影响风煤比，引起炉内过量空气系数的变化，影响燃烧效率。送风量存在一个最佳值，保证排烟热损失与机械不完全燃烧损失之和为最小。因此，在氧量自动控制系统中可以优化负荷与氧量的设定曲线，提高锅炉效率。

（2）磨煤机温度控制

为保证磨煤机运行安全，磨煤机出口温度必须有所限制，因此需要掺混一定比例的冷风，这样就减少了流经空预器的风量，引起排烟温度上升，因此，可以在保证安全性的前提下，尽量提高磨煤机出口温度，在控制系统品质提高的情况下，可以提高出口温度设定值，提高锅炉效率。

（3）DEH阀门控制方式

汽轮机运行时可以采用单阀和顺序阀运行两种方式，采用顺序阀运行可以减少节流损失，具有优良调节品质的顺序阀控制方案可以降低5~8g/kWh煤耗。

（4）主蒸汽压力控制

在机组滑压运行时，根据当前负荷以及燃用煤种的不同，需要对协调控制系统策略和参数进行调整，确定的合理滑压参数运行区域的阀门开度和方式，优化主汽压力与高压调节汽门开度，可以提高机组运行经济性。

（5）主蒸汽温度控制

主蒸汽温度提高，可以明显提升机组经济性，但是会造成爆管等后果，影响机组安全性，因此，需要根据当前负荷以及燃烧状况优化主汽温控制系统方案以及参数，维持汽温稳定，并适当提高设定值，在安全允许条件下，在较高的温度水平上运行，提交机组效率。

（6）再热蒸汽温度控制

再热器如果采用喷水减温，将严重影响机组经济性，优化的汽温控制系统从整个汽水流程考虑控制系统设计，不仅能维持汽温稳定，而且能减少减温水量，提高机组经济性。

（7）回热系统端差控制

回热系统运行状况对机组整体热经济性有很大影响。品质良好的回热系统水位调节系统，设置合理的水位定值，可以减小加热器端差，起到节能作用。

3数字化电厂模式下的节能减排

3.1数字化电厂的概念

数字化电厂是采用数字方式对物理电厂每个生产环节、管理环节的客观描述。通过一定的规律进行数据收集、存储、提取，用于发电厂前期、设计、基建、运营、维护的全过程。用数字表达企业的状态，用数字手段进行企业动态管理。数字化电厂具体包含两个层次：面向控制过程的实时控制层和面向管理的信息决策层。其关键技术包含发电厂管理信息技术、发电厂厂级实时监控技术、发电厂生产过程分散控制技术和生产设备的在线仿真、继电保护及控制技术等。

在传统的电厂控制系统模式中，主厂房区域热力生产过程通常采用DCS作为主要的控制系统，其他辅助系统则采用以PLC为核心控制系统。近几年现场总线技术（FCS）被大量的采用，DCS+PLC+FCS三种自动化系统混合搭配，或者DCS+FCS搭配方式，成为当今控制系统技术发展的趋势。发电厂I&C岛（仪表与控制）打包集成是国际工程项目中最为重要的组成部分，把发电厂自动化所有自动化子系统无缝集成在一起，电厂I&C岛智能化是现代电厂自动化发展趋势，也是智能电厂的重要的技术基础。

在数字化电厂的框架下，所有系统和资源将处于统一平台的管控下，没有信息孤岛，并且区分了实时控制层和信息决策层，可以在更高的层面进行多目标多约束的全局优化，这些目标包括经济性指标、稳定性指标等，约束包括环境约束、资源约束等，在信息决策层所做的优化决策形成各种指令下发到实时控制层最终执行，从而实现全厂范围内的全局最优。图1所示为数字化电厂层次结构。

3.2数字化电厂框架下的节能减排

节能减排可以作为数字化电厂的优化目标，在此框架下，可以实施的措施有：

（1）多种设备的无缝接入（如变频、除尘等）

各类变频器、电除尘器等在电厂中被广泛应用，以前由于控制平台不统一，通常采用独立的控制系统，给管理和维护带来很多不便。在数字化电厂框架下，所有系统都可以非常方便地接入，并进行统一的管控。

（2）各种性能计算

在数字化电厂框架下，由于所有系统采用统一平台，数据在各系统间完全共享，可以实时计算各系统性能，为节能减排优化决策提供依据。

（3）故障诊断与设备生命周期管理

由于设备故障导致的电厂非正常停运是电厂运行中出现的严重问题，不仅带来经济损失，且会对环境造成更多的危害。先进的故障诊断和设备生命周期管理系统能够对设备的整个生命周期进行诊断、预测和管理，在设备发生故障前报警或进行预置操作，减少非停风险。

图1数字化电厂层次结构图

（4）全厂负荷优化分配和协调控制

对于有多台机组的电厂，根据当前各台机组实际情况，合理分配负荷，可以达到节能减排的目的。采用先进控制策略实施优化的协调控制，可以很好地解决稳定性和经济性的平衡问题，提高效率和减少排放。

（5）燃烧优化

对整个锅炉的风烟和汽水系统进行全局考虑，匹配风-煤和燃-水比例，实施燃烧优化控制系统，可以从源头实施节能减排。

（6）冷端优化

系统整体经济性不仅受到初参数的影响，终参数也十分关键，因此采用冷端优化系统，综合考虑冷却塔、凝汽器、循环水泵和凝结水泵的调度，也可以达到节能减排的效果。

在数字化电厂框架下，在信息决策层进行的各种优化，最终要形成控制指令下发到实施控制层的基础控制回路执行，因此，提高热工控制系统基础回路的控制品质，是实施高级优化算法，实现电厂节能减排的基础。

4结语

随着节能减排低碳生活观念逐渐深入人心，作为能源消耗和污染排放大户的电厂，应该在这方面做出更大的努力。电厂机组节能减排、降低非停不仅是机炉电专业考虑的为题，与热工控制专业的测量、控制与连锁保护密不可分，虽然以往热控领域很少从节能减排的角度来考虑热工控制系统设计，但是从优化热工控制系统品质的角度实现电厂节能减排，有非常大得潜力可以挖掘。

数字化电厂框架下，可以从全局角度进行多目标多约束的优化，将节能减排作为目标对全厂进行优化，可以统筹兼顾实施各类优化控制策略和系统，这将提升电厂热工自动控制水平，更好地为节能减排服务。

参考文献

[1]王汝武.电厂节能减排技术[M],北京:化学工业出版社,2008.

[2]司铁明,姜仲明等.热工自动控制系统在火电机组节能降耗中的应用[J],黑龙江电力,2010,32(6):461-463.

[3]焦庆丰.我国火电厂能耗现状及节能分析[J].湖南电力,2008,28(01):20-23.

[4]李麟章.火电厂热工自动化设计中节能减排分析[J].江苏电机工程,2010,29(01):65-69.

[5]杨育红,刘金魁.大型火电厂热工自动化水平的探讨[J].华东电力,2007,35(11):93-96.

作者简介：

吴科（1981-），男，江苏常熟人，博士，主要从事复杂热工过程优化控制方面的研究，wu1394@https://www.360docs.net/doc/9e1867152.html,.