火电厂智能DCS的功能设计与应用研究_段晓宇.pdf

火火电电厂厂智智能能 的的功功能能设设计计与与应应用用研研究究收稿日期：作者简介：段晓宇（），工程师，研究方向为火力发电厂集控运行、技术创新、市场营销等。段段晓晓宇宇，（华电忻州广宇煤电有限公司，山西 忻州；中南财经政法大学 信息与安全工程学院，湖北 武汉）摘摘 要要：智能分散控制系统（）吸纳诸多新兴技术，是火电厂朝着电力系统“双高”目标行进的发展方向。首先就传统 与智能 进行对比分析，明晰技术革新必要性。其次勾勒了火电厂建设智能 的技术架构及升级路线，解决可操作性问题。再次进行智能 的功能设计，表达该项工程的着力点。最后以某电厂为例，详细阐述了智能 的功能应用，并给出部分应用成效的统计数据。结果表明，火电厂采用智能，在效率、经济、环保等方面有明显提升，同时能缩减故障概率、规避误操作等，具有一定推广应用价值。关关键键词词：智能分散控制系统；智能控制；超前感知；能效分析中中图图分分类类号号：文文献献标标识识码码：文文章章编编号号：（）在火电厂运行操控中，分散控制系统（）起着中枢神经的作用。传统的，为当前大部分燃煤电厂所采用，其主要特征是面向数字化营造相关物理硬件，而新一代智能，伴随大数据、云计算、物联网、可视化、移动互联等新兴技术的诞生而发展起来，能使火电厂在清洁、高效、可靠、智能化等层面上获得跃迁。很显然，随着时代的进步，火电厂智能化是势所必然。相关权威部门也于 年提出了智能电厂技术发展纲要，勾勒了智能电厂的 层体系架构。本文以某智慧发电示范工程为案例背景，就火电厂建设智能 的相关内容进行探究，以期推进智能 的点面深化和成熟应用。关于 发展沿革的研究 传统 在火电厂层面应用 可追溯到 年。该类传统 以直接数字控制为手段，以常规工控机和控制器为硬件抓手，以封闭型平台为软件运行环境，专职保障机组运控安全。另外，传统 的数据存储不超 年，仅具备基础报警、以往操作及历史数据查看等简单功能。可以说，传统 为火电厂发展作出了较大贡献，但时至今日已暴露出诸多需改进之处，如图 所示。智能 在信息化时代，信息集成和管理智能是一众企业的合理追求，火电厂亦不例外。而当下，虽然少量发电企业已采用厂级范围的智能控制应用，以及基于先进算法的核心决策，但就全球范围来说，尚未有成熟的、定型的、完备的智能 被推广应用，这说明火电厂的运、控智能化有很大的拓展空间。图 传统 在新一代火电厂遭遇的发展瓶颈伴随人工智能（）的不断发展，与生产控制的结合日益紧密，给智能 的发展带来新方向：即由以往智能算法仅作为 的外挂附属，变化为综合智能（智能算法内嵌入 平台，达成生产运行过程中各类预警、诊断、优化等行为的一体化），并且平台开放，可升级。综合智能 优势列举：）依托智能报警，可第一时间获取机组设备的运行缺陷表征（包括类型、位置及成因等），这样可避免不必要的停运，缩减运行成本；）基于先进算法，控制机组始终高品质运行，使生产要素处于最优消耗状态，能够提振整体经济效益。大众火电厂的计算机系统状况分析主要有两点：）。现有 的核心算法过于守旧，未吸纳各种发展成熟的先进算法，不利于生产一线的各项提升，进行基础算法库的改进很迫切。）。该系统处于 与 之间，在数据挖掘、数据处理第 卷 第 期重庆电力高等专科学校学报 年 月 等与数据有关的层面表现优异，但受安全区划分的约束，其作用难以发挥。若能将 中与生产过程有关的数据分析部分结合进智能，必能使机组各类闭环控制在各个指标上得到大幅提升。火电厂建设智能 的技术架构根据火电厂智能 的发展思路，可勾勒出如图 所示的三层次的技术架构。其中，数据层基于可靠的交互接口达成对生产数据的全景式收集、梳理和存储；计算层达成对生产数据做有效信息（包括模式、知识等）的提取；应用层为专职人员利用计算层提炼的有效信息提供交互环境。图 智能 的技术架构火电厂智能 的整体功能目标设计如图 所示。图 火电厂智能 的整体功能目标设计有了技术架构指引和功能目标定位，就可进行传统 的升级工作。大致来说按先“单元机组”后“全厂综合”的顺序。单元机组升级分两步：）在机组传统 中部署系列智能组件（智能控制器 智能计算服务器 智能报警服务器 数据分析服务器 大型实时历史数据库 高级应用服务网）。）吸纳面向预测控制、自抗扰控制、能效分析等方面的先进算法，以达到全程自趋优运行。图 所示为单元机组 的升级路线。图 火电厂单元机组智能 的升级路线 在单元机组完善智能 后，为达成对全厂全局性数据的价值挖掘和综合分析，可经由域间隔离器，将单元机组和各系统（灰煤系统、化水系统、主机公用系统等）进行连接，并配置系列厂级智能组件，使得各类环境（应用 分析 开发 控制）成为高度开放型，一方面规避信息孤岛，另一方面达成全厂全景式数据的高度融合与交互。图 为案例电厂进行智能 改造的网络拓扑图。火电厂智能 的功能设计虽然不同火电厂规制不一，但生产工艺特点均类似，因此在智能 建设上是大同小异的。现以某火电厂为例，勾勒如图 所示的智能 功能期冀，以期起抛砖引玉之效。下面就图 中的重要部分略作阐述。）与全程自动系统。能实现机组启停自动化，可防止人为误操作，整体提升机组运行安全性。再以 功能为根基，通过完善多项控制要素，可实现全程自动控制。）智能监测系统。该系统以大数据及 技术为基础，主要监测控制回路品质、执行机构的性能、辅机和主机的全景运行信息等。第 卷第 期 重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报）早期预警及智能诊断系统。该系统以大数据、可视化及 技术为基础，在特定计算模型下，通过对大量历史及实时数据的计算，达成参数预警、报警，以及对报警事件的“问诊”与根源分析。图 案例电厂智能 的网络拓扑图 火电厂智能 的功能期冀）能效剖决及基于此的运行优化辅助决策。发电机组运行一个较长时间段后所产生的数据必然隐含诸多有价值信息，对这些数据进行深度挖掘和自寻优，再结合热力学机理，就能找出最优的过程控制目标值，从而给运行人员在参数调整、方式调整等方面提供合理的辅助决策。）智能控制优化。火电机组变工况时，大多数机炉控制对象呈较强的时变性和非线性的特征，若采用常规 控制应对，将收效一般。而智能 能借助高级算法达成多指标在线智控和优化（不是单项优化，而是协同优化）。火电厂智能 功能应用实例前文已就火电厂智能 建设的功能设计、升级路线等进行了研究，下面将以某火电厂为背景，阐述火电厂智能 的功能应用情况，以增强该项技术革新的说服力。与全程自动系统的应用某火电厂 机组 年 月实现 一键启停，达成系列复杂操作的全过程自动控制，详情如图 所示。图 关于 与全程自动系统的应用实例 关于智能监测系统的应用）控制回路的品质监测。该模块对控制回路的控制品质进行实时摄取，并出具量化分值和评价结论，作为热控人员后续操作的辅助决策。例如：因品质较差出现报警后，热控人员无需人工计算，只要一键确认即可转入“参数自整定”。某火电厂所采用的 参数自整定方法包括以下内容：建模原理为快速傅里叶变换；依托面积法作出模型辨识；让控制对象在具备死区的滞环继电器作用下出现临界振荡；获取振荡周期和幅值后借助遗传算法寻优得到最佳参数。）执行机构性能监测。该模块实时采集执行重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报 第 卷第 期机构的运行数据，并经后台配备的专家知识库生成辅助诊断，使运检人员能及时明晰执行机构卡涩、连杆脱落等异常。另外，智能 是厂级平台，覆盖生产各环节，能消除信息孤岛，使数据增值。早期预警及智能诊断系统的应用）智能预警。利用两类神经网络（和），基于系统各变量之间相互影响的具体机理，对海量历史数据展开深度学习，实现对机组重要设备重要参数的幅值预估。某火电厂的应用成绩预估值非常接近实际值（相对误差小于），各项异常预警完全符合实际状况。）智能报警。电厂运行过程中的报警是非常多的，但大部分为参数振荡所引发的滋扰报警（运况调整过程中出现参数往复波动是正常的），不能表征真实态势。采用智能报警后，可经由对相关参数的协同判断来达成报警抑制，大幅缩减了运行人员的工作量。）报警诊断与根源分析。从长时间来看，机组发生故障不能百分百避免，但可以依托智能 来快速定位并辨识故障成因，这样就能迅捷开展故障处理。本层面的实现流程如图 所示（以某火电厂为例）。图 基于智能 的报警处置辅助决策）大型转机装置的实时“问诊”。应用概要如图 所示。图 大型转机装置的实时“问诊”实例 能效分析与运行优化操作指导的应用该模块的应用如图 所示，应用成效如表 所示（限于篇幅，仅以氧量优化为例）。图 能效分析与运行优化操作指导的应用表 氧量闭环优化控制投入前后的参数比对（统计背景为 负荷状态下）名目投入前投入后氧量 送风量（）锅炉排烟热损失 锅炉效率 智能控制优化的应用）依托能量的精细、准确平衡对机 炉两个系统的行为进行协调运控。实践表明，该运控方式是非常稳定的，在很大程度上规避了各类干扰的侵袭。系统架构如图 所示，应用成效如表 所示。表 机组协调控制投入前后的参数比对（表中各项均指最大偏差）名目投入前投入后主蒸汽压力 二级前蒸汽温度 主蒸汽温度 再热蒸汽温度 注：上述统计背景为机组快速降负荷过程）依托神经网络建模对主 再热汽温展开精准调控。在主 再热汽温控制中，一般采用广义预测算法来应对控制对象的惯性和迟延特性。不过，锅炉装置构造复杂，燃烧情形亦不简单，各类汽温受纷繁芜杂的变量干扰，使得前述算法可能达不到对扰动第 卷第 期 重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报通道的完全抑制。故而考虑以提前喷水来抑制扰动，再借助神经网络对蒸汽温度进行预估（约提前），这样就能提前感知汽温的变化方向并输出超前调节指令，达成对主 再热汽温的高精管控（避免大幅波动）。实现原理如图 所示，取得的成效如表 所示。图 机炉协调控制系统的构建图 基于智能 的汽温原理图表 基于神经网络的主 再热汽温控制成效（表中各项均指温度波动偏差的 值）名目投入前投入后二次减温水 主蒸汽 一次再热蒸汽 ）依托多个输入但仅单项输出的基于预测机理的控制方式进行脱硝工艺管控。脱硝系统呈大惯性、大迟延特性，复杂程度甚于汽温系统（许多方式的改变或参数的波动都会导致 质量浓度的变化），且一些动作频繁的设备（如磨煤机、仪表）的工况变化也会带来不可忽略的扰动。故而，吸纳 神经网络对相关数据进行训练，可得到 反应器出口 质量浓度的预测数值，再结合该系统入口处的氧量实数，以这二者作为控制输入，最终给出“提前喷氨”的控制指令。取得的成效如表 所示。表 反应器出口 质量浓度最大偏差 名目投入前投入后情形 情形 情形 注：情形 为 锯齿波负荷波动，情形 为机组快速降负荷工况，情形 为变负荷结束。结语随着信息化、大数据等新兴技术的快速发展，火电厂 建设引来智能化契机。智能 将一革传统 的诸多弊端，实现数据共享、控制协调、平台开放等功效，不断提升火电厂在发电技术核心领域的竞争水平，并增进火电厂的“上网电价 发电成本”的电差价赚取能力。具体来说，可概括如下：）主体操作一键式，监测、预警、诊断、分析、指导、优化等环节全部自动化、智能化，使电厂的生产效率大幅提升、生产数据不断增值。）应用智能 后，基本不再需要专职人员通过手动方式进行各类调控，这样既节省了人力，又规避了误操作，还实现了超前控制（即不再是出了不良状况后的“救火式”控制）。）智能 可通过输出最佳运行参数，使发电过程所产生的能耗降至该类发电形式的下限，助力“双碳”目标的实现。同时因技术层次跃升，智能 也为电力系统“双高”期冀做出了贡献。重 庆 电 力 高 等 专 科 学 校 学 报 第 卷第 期参考文献：王新平，伏军军 厂级一体化 技术在大型火电厂的应用 重庆电力高等专科学校学报，（）：，罗玮，平博宇，崔青汝，等 基于精准能量平衡与预测控制的协调控制系统优化 电力科技与环保，（）：曹通 一种基于 平台的 系统自动控制技术 重庆电力高等专科学校学报，（）：，於晓博 大型火电机组一键启停方案设计研究 保定：华北电力大学，杨延超，张勇军 火电厂 主辅一体化及辅控集中控制模式的应用效益 自动化博览，（）：刘吉臻，