电厂DCS智能控制系统优化改造.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气239电厂 DCS 智能控制系统优化改造张 耘广西桂能科技发展有限公司，广西 南宁 533000摘要：某电厂机组调频采用调整机组有功出力、跟踪系统频率变化的方式，存在响应时滞长、机组爬坡速率慢、不能准确跟踪电网调度指令、调节时间延迟、调节偏差和调节反向等现象。随着电网规则不断变化，需要不断完善机组控制策略。文章对可选电厂 DCS 智能控制系统改造方案进行技术和经济分析，最终决定采用国产 INFIT 控制系统作为外挂控制系统，可以随时无扰切换回原 DCS 智能控制系统进行控制。关键词：燃煤发电；DCS 智能控制系统；外挂控制系统；INFIT 控制系统分类号：TQ056.8；TP2730 引言某电厂机组参与调频控制时，运行参数波动大，对锅炉受热面、管壁、机组寿命等有不利影响；锅炉燃烧变化激烈，对 NOx排放的控制难度增加，NOx控制效果欠佳。为此，对该电厂 DCS 智能控制系统进行改造。1 系统概况某电厂一期工程 1 号和 2 号 630 MW 超临界燃煤发电机组于 2007 年 9 月和 2008 年 1 月相继投产，三大主机分别由东方锅炉厂、东方汽轮机厂、东方电机厂提供，机组 DCS 智能控制系统采用 ABB Symphony系统。电厂二期工程 3 号和 4 号 660 MW 超超临界燃煤发电机组分别于 2016 年 11 月和 12 月投产，三大主机分别由东方锅炉厂、东方汽轮机厂、东方电机厂提供，机组 DCS 智能控制系统采用 ABB Symphony Plus 系统。目前，电厂 DCS 智能控制系统主要存在以下问题：（1）机组调频响应时滞长，存在调节时间延迟；（2）机组调频过程中爬坡速率低，不能准确跟踪电网调度指令；（3）机组调频存在调节偏差和调节反向问题；（4）机组调频脱硝控制需要优化1。2 可选改造方案2.1 方案一：优化 DCS 智能控制系统的控制逻辑和控制参数若采用直接修改 DCS 智能控制系统的方式进行优化改造，可能存在修改不当、无法满足要求的问题，而再次修改需要等到停机，并且无法直接返回原来的DCS 智能控制系统。采用这种改造方式的主要优势是投资费用比较低，每台机组的投资费用约为 80 万元。DCS 智能控制系统的主要功能是实现基本控制、保证机组安全运行，系统运算不应该使用占用大量资源和 CPU 负荷率的高级控制算法2。因此，很难通过对 DCS 智能控制系统算法的优化提高控制品质，机组参与调频的优势不大3。2.2 方案二：采用外挂控制系统实现优化控制采用外挂控制系统不需要修改原 DCS 智能控制系统，仅需增加通信接口和控制指令的切换功能，可以随时无扰切换回原 DCS 智能控制系统进行控制。外挂控制系统和原 DCS 智能控制系统在功能上互为备用，在接口逻辑设计完善的情况下，外挂控制系统的异常和故障不会对机组安全产生影响4。外挂控制系统发生故障时，仅仅失去外挂的优化控制功能，并不会影响机组的安全运行。另外，外挂控制系统的控制策略和逻辑随时可以修改，不影响机组的正常运行5。因此，采用外挂控制系统比直接修改 DCS 智能控制系统更加安全和方便。在外挂控制系统中使用的是高性能、高可靠性的专用控制硬件和系统（PLC 或适用现场控制的专用计算机系统），以及各种高级控制算法，可以优化机组控制效果，从而提高机组的控制品质6。因此，电厂改造决定采用外挂控制系统，在外挂控制系统中采用模型预测控制（MPC）、广义预测控制（GPC）、自抗扰先进控制（ADRC）、大延迟大惯性作者简介：张耘，男，本科，研究方向为电力生产、试验检测与调试。文章编号：2096-9317（2023）03-0239-03 照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明240专用控制（APC-PID）和常规 DCS 智能控制算法（外挂控制系统中也有常规 DCS 智能控制系统算法模块），实现机炉协调控制和温度控制。采用外挂控制系统实现优化控制可保证调节参数的稳定，提高机组的智能运行水平。目前应用比较广泛的外挂控制系统厂家有三家，系统性能指标如表 1所示。根据表 1，三种外挂控制系统都能取得比较好的控制效果。其中，南网科技公司外挂控制系统的控制指标相对差一些，主要原因是该系统指标在机组参与调频并且调频综合值较高的条件下采集，而另外两个系统的指标在常规 AGC 变负荷条件下采集。西门子PROFI 控制系统的控制性能最好，但是系统为进口产品，投资成本较高，单台机组的投资需要 500 万元左右，暂不考虑使用。并且西门子 PROFI 控制系统需要配合西门子 DCS 智能控制系统使用，目前还没有与ABB DCS 智能控制系统配合使用的例子，可能导致建设周期比较长，系统优化控制效果可能随着时间的推移慢慢变差。综上，本次改造采用国产的南京英纳维特 INFIT 控制系统。3 改造方案改造的主要目标是提高参与电网调频附加服务发电机组的性能。需要增设调频优化控制扩展软件包INFIT V3.0、基于大滞后控制技术的过热蒸汽和再热蒸汽温度控制系统、基于预测的脱硝优化控制系统。INFIT 实时控制装置现场实物图如图 1 所示，控制装置可以方便地安装在 DCS 智能控制系统机柜的空旷空间。3.1 INFIT 系统的控制策略为了从根本上解决 AGC 机组运行控制中的各种问题，需要采用先进可靠的控制技术，如前馈控制、自适应控制、最优控制和模糊控制等对机组进行优化控制。INFIT 控制系统融合了多项世界最先进的控制技术，是专门为解决 AGC 机组运行控制中存在的问题而开发的先进控制系统。3.2 INFIT 控制系统的配置3.2.1 系统软硬件配置（1）硬件配置。INFIT 控制系统采用西门子 S7 系列 PLC 作为硬件平台，使用“双回路电源+中央处理器模块+工业通信系统通信模块”的硬件配置。（2）软件配置。在西门子 S7 编程环境中，高级算法的所有模块均使用结构化控制语言 Structured Control Language（SCL）和 STRUCT TEXT LANGUAGE（STL）开发，开发人员使用基于对象的封装技术创建类似于普通 DCS 智能控制系统的系统配置函数库（但更高效），为特定机组设置 AGC 优化项目。3.2.2 INFIT 控制系统与 DCS 智能控制系统的连接INFIT 控制系统与 DCS 智能控制系统的连接如图 2所示，可见优化控制装置可通过工业通信系统通信集表 1 不同厂家外挂控制系统性能指标性能指标西门子 PROFI 控制系统南京英纳维特 INFIT 控制系统南网科技公司外挂控制系统稳态偏差动态偏差稳态偏差动态偏差稳态偏差动态偏差连续 8 h AGC 调频指标均值 0.8AGC 实际负荷速率/min-1 1.5%Pe 2.0%Pe 2.0%Pe负荷延时/s600 550 55负荷调节偏差 1.5%Pe 0.3%Pe 0.3%Pe主蒸汽压力/MPa 0.15 0.350.1 0.4 0.3 0.6主蒸汽温度/4.0 8.0 5 8 3.0 8.0再热蒸汽温度/5.0 10.05.010.0 4.0 10.0脱硝排放浓度/（mgNm-3）5 10 5 10注：Pe为负载功率总和。图 1 INFIT 控制装置现场实物图光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气241图 2 INFIT 控制系统与 DCS 智能控制系统的连接成到 DCS 智能控制系统中，对应 AGC 系列的扩展。火电机组原有的 DCS 智能控制系统控制优化系统替代了原有系统的 AGC 控制功能，提高了控制质量。为保证 INFIT 控制系统与 DCS 智能控制系统的正常通信和正常协同运行，采用了多种技术：（1）INFIT 控制系统会向 DCS 智能控制系统连续发送脉冲波来表征系统的运行状态，当 DCS 智能控制系统没有检测到脉冲波时，立即切换回原来的 AGC 控制系统；（2）INFIT 控制系统会不断检查阀门指令（包括上下限、变化率）等实时数据的正确性，并可以立即切换回原来的 AGC 控制系统；（3）当 DCS 智能控制系统从 INFIT 控制系统接收到新的控制指令（燃料指令、供水指令、汽轮机阀门调节指令等）时，会根据当前负荷进行上下限限制，如设置最大燃油量变化速度为 25 t/h，确保 INFIT 控制系统故障不会引起控制指令的较大突变。采用上述技术，即使在使用过程中 INFIT 控制系统失电，也不会影响机组的安全运行。4 结论综上所述，采用 INFIT 控制系统对电厂 DCS 智能控制系统进行优化改造，具有以下优点：（1）INFIT 控制系统可以预先设定调节量（主蒸汽压力、蒸汽温度等），然后根据未来的变化控制调整量，提前调整过程，大大提高了闭式单元 AGC 控制系统的回路稳定性和抗干扰能力；（2）INFIT 控制系统采用竞争性神经网络学习算法，可以在机组运行过程中实时修正所有与控制系统密切相关的特性参数；（3）INFIT 控制系统在 AGC 工作模式中加入了专门的优化模块，对 AGC 工作模式进行了专门优化；（4）INFIT 控制系统采用高延时控制技术优化蒸汽再热温度控制系统；（5）INFIT 控制系统引入了独立的硬件平台，调试效率、安全性、可升级性得到显著提升。参考文献1 李强.300 MW火电机组DCS改造及应用研究D.南京:东南大学,2020.2 李先超,周国燚,常航,等.火电机组功率快速调节及深度调峰技术研究J.光源与照明,2022(11):137-139.3 陈立岩.350 MW超临界机组协调控制策略的研究与应用D.沈阳:沈阳工程学院,2021.4 高龙.660 MW火力发电机组控制系统的设计与应用研究D.西安:长安大学,2020.5 张秋生,刘磊,吴志刚.闭环优化控制系统在火电厂中的应用及前景J.中国电力,2019,52(1):174-178.6 戴宝鑫.超临界循环流化床锅炉机组协调控制系统的设计与优化D.南京:东南大学,2018.基于预测控制的超临界新型AGC控制系统投入/切除DCS中的传统AGC控制系统互相跟踪给水流量指令给煤量指令汽机阀门开度指令给水流量指令给煤量指令汽机阀门开度指令汽机阀门开度指令给煤量指令给水流量指令Modbus通信INFITDCS基于预测控制的超临界新型 AGC 控制系统DCS 中的传统AGC 控制系统互相跟踪投入/切除DCS INFIT