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中国火电厂自动化发展趋势及对策

行业聚焦点中国仪表网2010年09月30日 10:05人气:4647

  【摘要】在研究国外自动化技术发展及其在火电厂工程中应用经验的基础上,从工程观点出发,对未来21世纪最初10年火电厂自动化化技术应用的发展趋势、管理体制的改革,以及发展我国民族自动化工业等提出了看法。

  【关键词】火电厂自动化信息网络化分散控制系统现场总线控制系统

  1火电厂自动化技术应用10年展望

  在本世纪最后10年左右的时间里,我国火电厂自动化技术应用的发展,尽管经历过挫折和重重困难,但仍以前所未有的速度发展。可以预见,进入21世纪,我国火电厂自动化技术应用很可能将以更快的速度发展,这个预测是基于:(1)世界高科技飞速发展,世界进入信息时代;(2)我国社会主义市场经济体制将日趋完善,经济实力进一步加强,我国电力市场将真正形成。作者在1997年10月中国电机工程学会第5届自动化学术讨论会上发表的论文《迈向2000年的火电厂自动化水平》,以及电规总院向原电力工业部上报的《关于建设2000年新一代燃煤示范(试点)电厂的请示》中的附件之一:《2000年电厂仪表和控制(I&C)系统设计原则》中,从工程观点出发,提出了21世纪初期火电厂自动化应用技术设想和2000年示范电厂自动化系统设计原则。在国家电力公司、电力规划设计总院的领导下,在各大区设计院以及各有关工程管理和技术人员的努力下,对2000年燃煤示范电厂自动化系统的设计原则逐步完善和落实,也使火电厂自动化未来10年展望更具现实性和指导性。

  1.1火电厂将进入信息网络化时代

  未来21世纪的最初10年,火电厂必将随着不可抗拒的潮流加速进入信息网络时代,火电厂乃至电力系统和电力企业集团将形成生产过程自动化和管理现代化的信息网络。特别要指出,在全厂信息网络结构优化过程中,在技术上百家争鸣,研讨优化方案时,还要注意克服头脑中由于专业分工造成的偏见、局部间利益的摩擦,以及管理体制造成的束缚。经过 2 a的研究和工程审查实践,初步形成了下图所示的全厂信息网络结构的方案,说明如下。

  1.1.1厂级生产过程自动化和管理现代化系统(简称厂级自动化系统)

  由厂级监控信息系统(Supervisory information system in plant level,简写SIS)和厂级管理信息系统(Management information system in plant level,简写MIS)组成。SIS主要处理全厂实时数据,完成厂级生产过程的监控和管理,厂级故障诊断和分析,厂级性能计算、分析和经济负荷调度等;MIS主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务,主要完成设备和维修管理、生产经营管理(包括电力市场报价子系统)、财务管理等。SIS和MIS可以是设置在一个网络中的2个功能,共用计算单元和数据服务器,也可以如图1所示,SIS网与MIS网用网关(G)或其它接口分隔成2个网,分别设置相应的计算单元和数据服务器,以提高SIS网的安全性。

  电力集团企业MIS和电网运营系统与火电厂的厂级MIS相连,而电网调度系统则通过发电端的远程发送单元(RTU)与网内火电厂的的厂级SIS相连,进行1级或2级调度,也可采用传统方法连接到网络站监控系统。随着光缆在各地区,乃至全国范围内的敷设,有可能不再需要RTU,而可以由专用Intranet网实现上述通信。

  厂级SIS MIS系统,对内是实现厂级生产过程自动化和管理现代化的系统,对外是电网运营和调度系统,以及电力企业集团MIS在发电厂侧的支持系统,因此,一般情况下无需独立于厂级MIS再另搞一套发电厂报价系统(GBS)。

  1.1.2辅助车间监控系统

  一个火电厂有10几个辅助车间,国外已有通过网络集中到1个控制室进行集中控制的做法。过去国内都是一个辅助车间内由PLC和上位机构成一个网络,在车间控制室内控制。目前趋向于采用适度集中控制的方案,例如全厂形成煤、灰、水3个网络、3个监控点,待今后条件成熟时再减少控制点。辅助车间网络通过网关连接到上层网——厂级SIS网,不推荐连接到单元机组DCS网,再将信息引到SIS网的做法,因为这样增加了DCS负荷,降低了单元机组监控可靠性,很难处理单元机组公用车间运行管理不同的矛盾,而且单元机组对大量辅助车间信息也没有需要。至于2个单元机组公用的厂用电系统和循环水泵房,则可设置公用DCS网,按如图1方式与单元机组DCS相连接,实现每台单元机组DCS对它的监控。

  1.1.3网络站监控系统

  网络站监控计算机系统本质上是厂级SIS网下一级的一个车间级监控系统,有人建议把网络站监控计算机系统和SIS合用一个信息网络,这是不妥的,因为它们是2个不同性质的网络,合用会降低网络站控制的可靠性和实时性,并使不同任务的值班人员(全厂总工和网络站值班员)在同一网络的终端上工作而带来一系列问题。必须说明,图示的网络结构还有待在今后的工程实践中进一步完善,或根据情况作必要的修正。

  中国火电厂自动化发展趋势及对策(2)

  1.2单元机组自动化将展现新的特点

  火电厂单元机组的自动化水平,无论国外和国内,都是比较高的,因此未来21世纪的最初10年期间,单元机组自动化水平要不要和会不会再提高,答案应该是肯定的。当前,国际上电力市场的竞争愈演愈烈,电网为了自身的安全和经济效益,对火电厂单元机组提出了一系列严格的调频和调峰的范围和速度的要求;竞价上网的市场原则迫使火电厂必须最大限度地挖掘机组潜力,提高效率,减少人员,降低成本;国家法律对环保日益严格的要求,并采取相应的经济调控手段,也将迫使电厂采取对策。在我国,随着改革的深入,电力市场正在逐步发展和完善,只要到全国走一走,就会看到火电厂内正蕴动着与国外类似的需求。

  未来10年左右时间里,可以断定,单元机组自动化必将在下列几个方面进一步向前发展:

  1.2.1控制系统全计算机化,控制室紧凑小型化

  单元机组实现全CRT监控,传统监控盘台将取消,控制室(2台单元机组)面积由目前的350~4 000 m2,降到150 m2以下。

  1.2.2监控系统的功能配置和物理配置原则将重新安排

  a.物理配置原则

  随着计算机技术的发展,监控系统将由以前的全部集中到一个控制楼里的配置方式,逐步趋向于采用适度物理分散配置的原则。庞大的控制楼将取消,变成若干个小型的电子设备间,分别布置在锅炉、汽轮机房或其它主设备附近。节省电缆,并为主厂房模块化设计、安装、缩短工期,以及主厂房合理布局创造条件。对现场来的信号,将大量采用远程I/O,其中驱动器控制用的I/O,经过实践,也将广泛采取现场配置,这种配置方式必将为大量节约监控电缆,降低基建费用,缩短工期作出贡献。

  b.功能配置原则

  分散控制系统问世时,当时开发者有2大派,一派以欧洲的公司为主,他们根据过去集中计算机控制故障集中的弊病,提出DCS应按控制功能彻底分散的原则开发,因此推出DCS中的控制器容量很小,往往控制1~2个回路,与传统单回路控制器类似;另一派以美国和日本的公司为主,他们走中间道路,采取适度分散原则。起初欧洲派由于符合原先人们的习惯,受到一定程度欢迎。但是随着时间推移,这种方案最终被淘汰了。现在连当时创导这种思想的DCS公司也纷纷抛弃原来那种型式的所谓控制功能彻底分散思想,而推出适度分散的DCS产品。

  纵观这一段DCS发展史,结合火电厂单元机组控制系统的特点,DCS功能配置将与物理配置走正好相反的方向,正在趋向再适度集中一点的方向发展。因为:首先,单元机组各个控制系统间有着千丝万缕的信号联系,一对控制器故障,往往会导致另一对控制器因没有正确的联系信号而不能正常工作,甚至误动;其次,由于目前大多没有常规后备监控制设备,因此,对于大部分重要控制器,只要其中一对控制器故障,可能就要被迫停机,而过多的控制器实际上反而增加了故障停机的概率;再次,目前控制器容量和速度均大大提高,多个相互联系密切的控制系统集中在一对控制器中,反而因内部信息交换方便而提高可靠性。目前有的公司推出的DCS,CPU采用2×2冗余(由于计算机技术发展,成本增加很小),可靠性进一步提高。

  综上所述,根据电厂特点,应当在提高每一组控制器的可靠性上下功夫,例如采用按照IEC61508功能安全原则设计的控制器;CPU采用2×2冗余或三重冗余;必要时甚至对部分I/O采取冗余等。而在控制器容量和速度允许情况下,可以合理地配置控制器(按工艺功能区配置;关系密切的控制系统纳入同一控制器等),适当提高功能配置的集中度。

  c.现场总线控制系统(FCS)若干问题的思考

  (1)“FCS将取代DCS,DCS将消亡”的论点。DCS的本质是监控集中,控制分散,故又称集散控制系统(TDCS),从来没有人声称DCS的“监控集中”原则也过时了;相反,FCS系统开发商也企图仿照DCS开发上层监控网络,不同在于,他们开始时想搞一个唯一的国际标准的上层通信网而已,实施的困难已迫使他们放弃这种想法而宣布拟采用现存的工业以太网。因此,至少从这一点上说,这种提法是很值得讨论的。

  (2)DCS和FCS如何对待“控制分散”。有人说,FCS将控制和处理功能彻底分散到智能现场仪表(智能变送器、智能执行机构、智能开关柜等)中,不再需要传统的放在控制室中的控制器了,这也是不全面的。从火电厂单元机组用DCS的经验看,在对待“控制分散”问题上必需因地制宜。

  对于单元机组的大部分非常复杂的控制功能,“彻底分散”同由于故障点增多,反而会降低系统的可靠性(即使将来开发出冗余的FF-HI或PROFIBUS-PA过程控制总线),并使一个控制系统功能必须以很高的处理周期,频繁在2层通信网络内交换信息,因此,至少在相当长时期内,技术上是不可行的。对于这部分系统的控制功能反而有趋向适度集中的趋势。

  控制和处理功能中的单个驱动器的逻辑控制功能正在靠近,甚至嵌入驱动器中倒是一个非常明显的发展趋势,这本质实际上是将DCS的驱动逻辑模件放在现场驱动器附近,或者开发内嵌驱动逻辑功能的智能驱动器,通过DCS的I/O总线或现场总线,与控制室内控制器相连,从而大大减少电缆和提高可靠性。因此,这不是FCS的独创。对于简单的功能相对集中的控制系统,采用FCS的控制和处理功能彻底分散到现场智能仪表中,而后纳入DCS的方案,预计经过一段时间发展后,将会受到欢迎。

  FCS的全数字化通信将引起真正的革命。传统DCS的一个致命弱点是,它可以控制和监视工艺过程,对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于其I/O信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在DCS的工程师站上对现场仪表(变送器、执行机构等)进行远方诊断、维护和组态。FCS的现场总线和全数字的现场总线智能化仪表熔入DCS后,将彻底解决这个问题。DCS公司也意识到了这点,目前已有一些DCS可以在控制器下层的现场总线上连接现场总线智能化仪表,实现全数字化通信。但是,在DCS工程师站上对现场仪表进行诊断、维护和组态的功能目前都只处于开发阶段。因此,不赞成FCS取代DCS的提法,更确切的提法是,未来现场总线智能化仪表和FCS概念将熔入DCS中,推动DCS功能进一步发展,使用户的配置方式更加灵活。

  1.2.3单元机组自动化系统进一步智能化

  单元机组DCS的应用使机组的监控面貌发生了质的飞跃,但是应当说,它的监控手法大多还是比较传统的,智能化程度不太高。当前情况开始有了变化。从国外看,许多智能化的监视和控制软件已日趋成熟和商品化,并在火电厂实践中取得明显的效益,单元机组自动化系统进一步智能的趋势十分明显。因此,应当精心研究和设计DCS应用软件,进一步提高显示、报警、事故记录等功能的智能化程度,实现数据存档和检索无纸化。要进一步提高模拟量控制系统的控制范围,研究实现根据机组负荷自动启停燃烧器(制粉系统)和机组自启停功能,使控制中心进一步智能化、自动化,使值班人员控制机组运行,好似人们照相使用“傻瓜机”那样,以提高机组运行安全性。同时,要积极采用已取得成功应用经验,安全、经济效益明显的优化控制软件、性能计算和分析软件、机组寿命管理软件、故障诊断以及状态维修软件等,进一步提高机组运行的安全性和经济效益,以较少投入,最大限度地挖掘机组潜力。

  1.3辅助车间高度集中控制


  一个电厂有10几个辅助车间,过去在每个车间都设一个控制室,采用PLC实现顺序控制,值班人员多达100~200人,不少电厂辅助车间实际达到的自动化水平不高。随着大中型国营企业改革逐步到位,许多企业已经意识到,1 a就可以减少近千万元的支出。目前新建工程已迅速向这个方向发展。对于老电厂,他们在自动化改造时,除少数电厂外,目前大多还只在提高单元机组自动化水平上下功夫,辅助车间自动化改造还没有提到议事日程上来,这主要是因为它将引起更大规模的下岗压力。相信我国大中型国营企业改革基本完成之日,必将是老厂辅助车间进行上述自动化改造之时。

  辅助车间实现高度集中控制要抓好2件事:(1)提高可控性,并集中解决好某些特殊检测问题,使设计的顺序控制得以可靠运行,实现在当地基本无人值班;(2)配置好辅助车间的计算机监控网络,实现若干辅助车间远方集中监控。
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