火電廠自動化設計

火力發電歷來已久。可追述到18世紀，在當今社會，西方等已開發國家已經用上風，潮水等節能資源發的電，在國內，意識還未達到一定的高度，依然大肆用煤等不節能的資源發電，政府不得不在政策上加以嚴厲，以促進技術的革新，火電的緩慢自動化發展。政府與企業需切實合作，探索，革新，任重而道遠。

基本介紹

• 中文名：火電廠自動化設計
• 起源：18世紀
• 第一階段：九十年代初期
• 第二階段：九十年代中期
• 第三階段：九十年後期
• 現狀：緩慢自動化發展

發展回顧

近十多年，是我國火電廠自動化技術發展最快的十年，由於電力市場運行機制尚未完全形成，因此，它的發展還離不開行政和技術方面的指令性規定的發展，回顧十年的技術發展，也必須與圍繞著制定行政指令的爭論結合起來。

第一階段

九十年代初期，分散控制系統（DCS）從試點到推廣套用。八十年代末，作為先進國家一項成熟技術，在華能國際電力開發公司引進的火電機組上廣泛套用了DCS，在國內機組上也著手選擇幾個電廠試點。當時，在一些引進機組的工程中暴露出的一些問題，引發一場激烈的"要不要在我國火電廠推廣套用DCS"的爭論。對此,成立不久的以陸延昌總工程師為首的能源部熱工自動化領導小組對爭論作了結論,明確指出，DCS是當代國際上取代傳統控制系統的新技術，已趨成熟，也適合中國國情，之所以在某些工程中出現一些問題，不是DCS本身問題，而是我國工程建設管理中應循守舊，把自動化系統放在不恰當位置的結果，因此，領導小組當機立斷作出決定，要在大型火電機組工程中積極穩妥推廣套用DCS。從此，我國火電廠自動化發展的歷史翻開了新的一頁，火電廠自動化開始被擺到了一個適當的位置。

第二階段

九十年代中期，火電廠自動化技術逐步成熟。九十年代前五、六年，在各級領導和從事自動化工作廣大工程技術人員努力下，火電廠自動化技術在我國迅速發展，套用技術逐步成熟，自動化程度逐步提高，主要標誌有下列幾個方面：

1）數據採集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）和爐膛安全監控系統（FSSS）全面納入DCS，各項功能可用率達到較高水平，單元機組監控實現了以DCS的人一機界面為中心，傳統的後備監控已基本取消。新機組投產時自動化系統可用率達到較高水平。

2）一批工程汽機控制系統（DEH）採用DCS設備，實現了一體化。

3）打破了單元機組中機爐和發電機控制設計不協調的局面，提出並加快將發變組和廠用電控制（SCSG/A）納入單元機組DCS。

4）火電機組全面套用DCS對原先落後的自動化技術進行改造。

自2010年以後，我國火電廠熱工自動化裝備水平已經達到國際上先進水平，總體套用水平也正在逐步接近國際先進水平。

第三階段

九十年後期，2000年火電廠自動化設計新思路提出和套用。我國火電廠自動化技術經歷了一段時期的發展、鞏固，取得了一些成績，也存在一些問題，根據國外發展趨勢，進入2000年我國火電廠自動化向何處去，又提到議事日程上來了。

1997年10月電力規劃設計總院向國家電力公司上報"關於建設2000年新一代示範（試點）電廠"一文的附屬檔案中提出了"2000年電廠儀表和控制（I&C）系統設計原則"，主要原則包括下列四個方面：

1）單元機組控制進一步智慧型化、自動化、控制中心小型化

2）監控系統物理分段設計原則的套用

3）全廠輔助系統（車間）進一步集中監控

4）發展廠級監控信息系統(SupervisoryInformationSystim,簡稱SIS)和管理信息系統（ManagementInformationSystem,簡稱MIS），形成全廠計算機監控和信息網路。

這些新思路，迅速在全國得到回響，有的已納入規程、規範，有的在推廣套用，有的在示範電廠中試點，發展速度之快超出意料，不久，一批按新思路設計的電廠將投入運行，我們期望火電廠自動化水平能再上一個新台階，能不能在21世紀前十年中，火電廠自動化套用水平也能達到國際先進水平。

經驗和教訓

自二十世紀九十年代開始發展火電廠自動化技術以來，有經驗，也有教訓，最值得總結的是從事自動化工作的指導思想，分為五點。

1）要有預見性

從事電廠自動化領導工作和技術工作的人，特別要具有預見性這個素質。預見性包括對社會需求的預見性和自動化技術發展的預見性。社會需求是近十年火電廠自動化技術發展的根本原動力，當前，我國電力市場化機制改革提到了議事日程，這對火電廠自動化技術提出了一系列要求，例如，自動化配置中如何減少值班人員和維護人員問題。自我國電力市場化機制改革逐步推進後，出現了不少電廠人員多、下崗分流困難很大的問題。但應當看到電力市場機制改革是大勢所趨，人員肯定很快要求減下來，因此，我們搞技改時就要力求減少值班點，本來一機一控的可以根據實際情況改造為二機一控（也有三機一控），輔助車間高度集中監控或無人值班，減少控制點等。當前，有一些領導日益認識到搞自動化是投入/產出比最合算的事（例如，提出信息化促進產業發展等口號），日益重視抓自動化技術套用工作，因此，社會需求也會更快的轉化為對自動化技術套用的需求了。

自動化技術發展快，更新快是我們這個專業的一大顯著特點，因此，從事自動化規劃、設計時更要注意預見性，規劃設計的方案要有較長的壽命，選擇的產品也要注意它的生命周期，這方面教訓很深刻，例如，九十年代初期，仍只許配置DAS系統，未能及時跟上迅推廣套用的DCS；又如，九十年代中期一些老廠自動化技術改造缺乏預見性而導致不久又進行二次改造，還有的採用了一些不穩定的生產廠的不穩定產品等。

2）始終保持"開放"思想，堅持實事求是

"貪大求洋，照搬外國"一直是被有些人認為火電廠自動化工作的主要錯誤傾向，人們對我們的一個極壞的印象是"老想搞點新玩意兒"，是的，我們有些人確在有些問題上犯過這一類的盲目性錯誤，但是，我認為，這不是主要錯誤傾向。你睜開眼睛看一看，這十年多為什麼火電廠自動化技術發展這么快，並為電廠安全經濟運行帶來了質的改變，就是因為"開放"，我們幾乎把先進國家普遍套用於火電廠的自動化技術的大部分都"搬"了進來，實踐證明，沒有什麼不適合中國國情的，是"適用"的，因此，當前不是"開放"過了頭，面是要晚努力的吸取國外先進經驗，對於國外走過的彎路要儘量避免，不同國家的方案要認真進行分析，儘量擇其最優，為我所用。我們在"搬"外國經驗時，決不可以"照抄照搬"而是要堅持"實事求是"，從實際出發，特別老廠改造中更要注意這一點，以求實效。也不要受外國自動化技術發展的束縛，在進入20世紀後我國已經完全有能力進行創新，中國火電廠自動化技術中不少是由我國首創的。

3）思想不僵化，規程不限制發展

在計畫經濟時代，包括從火電廠自動化技術發展的這十年來，規程規範無論是建設標準，還是技術標準，大多具有一定的強制性；規程規範制定和執行往往是一家，即所謂的立"法"執"法"合一；規程制訂的一個目的，特別是建設標準部分，往往是國家管理企業的一種手段。

當前，電力市場機制改革正加速進行，規程制定將由國家、行會（例如，中國電力企業聯合會及其下屬的標準化技術委員會）及企業三級進行，國家不再直接管理企業經濟活動，只管理資源規劃、環保和安全等巨觀問題，國家將承擔這方面的立"法"執"法"任務。行會將受企業委託制訂全國性的或行業性的規程規範，原則上只頒發推薦性標準，無權頒發強制性的標準，除非經由國家授權或以行政指令頒發，同時，他也沒有承擔執"法"的使命。行會標準被企業和用戶接受，並成為大企業制訂本企業標準的依據，主要依靠其權威性，或企業聯合投票等活動。企業（例如：發電投資公司）為了加強和規範化企業管理很可能根據行會標準結合具體情況制訂本企業標準，並根據自己的企業標準審查擬建設的發電工程設計。

但是，不管今後規程規範制定和執行如何進行，規程規範中規定某一條款時應儘量要說明這樣規定的原因和前提，不要變成僵死的條文，這樣做思想就不會僵化，規程也不會限制技術的發展，例如，關於DEH是否套用DCS硬體一體化問題，當時，沒有規定死可以或不可以，而是說明了採用各方案的條件，這樣既避免為了一體化而不顧技術成熟性，同時又為了發展一體化技術開了口子；又如，九十年代推動電氣控制納入DCS時，由於當時國內經驗少,為了穩妥起見AVR、ASS等不許納入DCS，如果我們知道當時僅僅出於這種考慮，那么，發展到今天，有些公司已具有用DCS設備實現ASS的成功套用經驗時是否可以改變以前的規定了呢？又例如，關於大螢幕顯示器問題，從人機界面看有一定優越性，但價格，可用率當時還很高，國內也無實踐經驗，對於這樣的問題，我認為一是可以搞試點，體會一下，不一定立即在集團內全推廣或全不上；另外，要跟蹤大螢幕顯示器技術發展、可用率、價格等變化的新情況調整自己的觀念。

總之，規程規範條文要力求做到防止"一規定就死，一放開就亂"。

4）要堅持積極穩妥的方針逐步推廣套用新技術

火電廠自動化技術發展很快，但是，一項新技術初期往往不太成熟或者缺乏套用經驗，因此，推廣套用的過程既要積極又要穩妥，我們在DCS推廣套用，後備監控設備取消，大螢幕顯示器套用以及電氣納入DCS等方面全是採取了這個方針，一步一步的向前推進，一旦取得經驗立即加速推廣，這樣即使初期套用經驗少也不至造成大損失，實踐證明，這個方針應當堅持。當前在推廣廠級監控和信息系統時，我建議也應採取這個方針，可以把網路框架和資料庫伺服器先搞起來，套用軟體可以根據成熟程度再一個一個開發完善。

5）加強火電廠自動化全過程的管理，提高對自動化技術套用的管理水平。

九十年代初前後，從平圩、石橫開始，自動化水平大幅度提高，DCS也開始在中國火電廠套用，當時曾經出現過一些問題。於是有一些領導不加分析就批評從事自動化工作的人"盲目照搬外國東西""自動化水平不高，不適合中國國情"，後來發現問題不是出在DCS本身，自動化水平提高也是適應大機組運行需要的，而問題正是出在有些領導還是認為自動化系統是可有可無的，他們的管理思想落後於自動化技術發展的需要，在基建里程碑進度中竟然沒有自動化系統恰當的位置，沒有合理安排綜合進程，給自動化系統必要的最起碼調試時間，這樣，在投產時當然問題就很多了，後來，各地紛紛提拔了一批熟悉自動化的技術人員到各級領導崗位上來，把控制樓建立作為自動化系統可以開始全面調試的標誌,列入里程碑進度中，局面迅速發生變化，類似的問題在電氣納入DCS以及推廣套用廠級監控信息系統和管理信息系統總是上也同樣存在。

由於自動化技術發展特別快，是非常活躍的一種先進生產力，自動化管理落後於技術發展的現象仍將會不斷出現，因此，各級領導中除了要提高拔一些熟悉自動化技術的人之外，主要領導還要認真研究隨著自動化發展引起的管理改革。

單元機組自動化設計若干問題

單元機組自動化設計技術，從引進美國EBASCO技術以來已有很大提高，這裡僅就設計中若干新問題發表一些看法。

控制室及控制方式發展趨向

1） 控制點日益集中，控制室位置日益多樣化

隨著自動化技術發展、自動化水平提高，值班人員的職責理念也正在發生變化，機組的運行日益依賴自動化系統。為了便於管理，減少值班人員，控制點可以適當減少，過去有的電廠搞了一機一控方式，那么在技改中就應當改為二機一控，或三機一控方式（全廠三台機組時），甚至四機一控方式，實現全廠高度集中控制，法國人設計的來賓B廠二機一控，但控制室在固定端，控制室與機組距離跟四機一控類似。

控制室位置也日益多樣化，有象來賓B電廠那樣布置在固定端，在國外還有布置在生產辦公樓里或專門的一個小建築物里，他們認為適當有一點距離不會造成問題，因為控制室值班人員很少，必須堅守值班，而巡視及輔助操作應讓給就地巡視人員來進行。這為全廠布置綜合最佳化提供了新思路。

2）控制室設計

a)從人機工程學角度，應降低CRT高度，因此，放CRT的桌面宜低下去一塊，特別是當採用特大螢幕顯示器時更需要注意這個問題。

b)控制室小型化 這是取消大量後備監控盤台的必然結果。

c)電纜夾層問題，由於採用全CRT監控，後備監控設備很少，因此，控制室主環下面無需設很高的電纜夾層，下面這一塊空間可加以利用

d)關於CRT雙層布置問題，美國老廠改造工程中，CRT雙層布置的情況很多，這主要是因為控制室比較小，值班人員又只有一個人，從縮小監視面角度需要出發形成這種設計方案，這在某些特定情況下，也不失為一種可以借鑑的方案。

DCS一體化問題

DCS一體化實現多種功能，有許多好處，例如，維護方便，備品備件減少，信息共享快速、可靠，人機界面統一等等，DCS功能最早包括DAS、MCS、SCS和FSSS，發展到今天，DCS一體化範圍可以進一步擴大。

1） DEH採用DCS系統實現問題，規程中提出二個前提，一是由汽輪機廠負總責，即提

出和審定功能框圖和性能要求，並落實與汽機的接口，二是DCS公司有成功套用DCS實現DEH的經驗。目前大部分DCS公司已經能滿足上述要求了，當然我們仍然不排斥汽輪機廠或DEH專業廠供應專門DEH系統的方案，一般說來，他們經驗更豐富一些，當前已經可以方便的解決DCS與DEH間雙向冗餘通訊，實現用DCS操作員站作為單一人機界面（個別情況下，對於控制信號可以採用硬接線實現）。

2） ETS納入DCS問題。經歷這一段實踐DCS可信度大大提高，已有一些工程成功的

將ETS納入DCS，但必須注意ETS的控制器處理周期不應大於50ms，最好在20-30ms間。另外應採用獨立的冗餘控制器，以儘可能提高可靠性。最近國家電力公司組織審查《老廠自動化技術改造導則》時，決定宜採用獨立控制器改為應採用獨立控制器。

3） 自動同期裝置（ASS）納入DCS問題。早期電氣控制納入DCS時，由於缺乏經驗，

僅把發變組和廠用電的順控系統（SCS G/A）納入DCS，規定自動同期裝置（ASS）、自動勵磁調節裝置（AVR）和發電機保護系統不納入DCS，經過四、五年實踐SCS G/A 納入DCS無論從管理上和技術上均已成熟，取得成功套用經驗。關於ASS裝置，目前已有DCS公司有將其納入DCS的技術，因此，在審查老廠技改導則時，將相關條文改為，當DCS的公司有將其納入DCS的成功套用經驗時，也可將ASS納入DCS，這充分體現了技術發展時規程也要跟著變化的思想，防止規程成了束縛技術發展的框框。

單元機組保護設計若干問題

1、快速切負荷（FCB）保護

FCB指的是當發電機解列或主汽門關閉時，保護立即採取措施，快速打開旁路泄壓，同時，鍋爐也迅速將負荷降低到接近旁路最大允許負荷，維持短時運行，即人們常說的停機不停爐。FCB的目的是一旦汽輪機或發電機排除故障後，恢復單元機組負荷可以快些，在某些情況下還可由本機維持廠用電。

從系統角度出發，什麼情況下機組必須設定FCB功能？這取決於系統對機組要求，它是否肩負責著電網崩潰時，堅持帶廠用電運行，以儘快恢復電力系統運行。從這個角度出發，一個電網中應有若干電廠具有這種功能，遺憾的是，目前電網管理部門對此尚未引起注意和適當的規劃。

2、 逆功率解列發電機問題

國家電力公司頒發的《防止電力生產重大事故二十五項重點要求》9.1.6條規定"正常停機時，在打閘後，應先檢查有功功率是否到零，千瓦時錶停轉或逆轉以後，再將發電機與系統解列，或採用逆功率保護動作解列。嚴禁帶負荷解列。"但二十五條對汽機故障情況的單元機組聯鎖保護未作說明。

目前的設計技術規程對如何配合3.1.6條要求也尚無明確規定，大都仍按汽機停機（主汽門關閉終端開關閉合）立即解列發電機。按此設計的聯鎖條件與3.1.6條要求有牴觸，因為，正常停機時，關閉主汽門後，只要終端開關閉合，不管主汽門或調速汽門是否關嚴，也不管是否出現逆功率，早已把發電機解列了。當然在不改變原先規定的聯鎖條件下，稍加修改也是可以滿足3.1.6條要求的，例如，增加一個"正常停機"按鈕，當操作該按鈕停機時，不立即聯鎖解列發電機。但是，這容易產生誤操作，所以，我認為最好還是根據制訂3.1.6條的精神，修改單元機組的保護聯鎖條件。

監控系統最佳化問題

我在一次會議上曾經指出，進入21世紀，DCS應當和將要出現質的變化，這時除了DCS結構變化外，主要指的是整個自動化系統的套用軟體方面，特別是監控系統最佳化問題。經過十幾年，DCS技術基本成熟，監控系統設計和套用技術儘管還有一些不盡人意之處需要解決，但重心應當轉向進一步最佳化方面，最佳化出安全、出效益。國外，也正在迅速向這方面發展。希望這一次不要拉開太大差距，甚至在有些方面可以超過它們。

監控系統最佳化可以有以下幾個方面：

1、加強操作指導功能

2、提高自動化水平

3、進一步實現最佳化控制

監控系統功能分散和物理分散技術的套用

計算機及其網路技術的發展推動著DCS技術的發展，同時，也為監控系統功能分散和物理分散技術套用的多樣性創造了條件，但監控系統最終合理的分散度卻還決定於工藝系統的特點。

監控系統功能分散問題

分散控制系統問世時，當時開發者有兩大派，一派以歐洲的公司為主，他們根據過去集中計算機控制故障集中的弊病，提出DCS應按控制功能徹底分散的原則開發。因此，他們推出的DCS中的控制容量很小，往往控制1~2個迴路，與傳統單迴路控制器類似；另一派以美國和日本的公司為主，他們走中間道路，採取適度分散的原則。起初歐洲派由於符合原先的習慣，受到一定程度的歡迎。但是，隨著時間推移，這種方案最終被淘汰了。現在連當時創導這種思想的DCS公司也紛紛拋棄原來那種型式的所謂控制功能徹底分散的思想，而推出適度分散的DCS產品。 縱觀這一段DCS發展史，結合火電廠單元機組控制系統的特點，我認為，DCS功能配置將與物理配置走正好相反的方向，正在趨向再適度集中一點的方向發展。究其原因，這是因為，首先，單元機組各個控制系統間有著千絲萬縷的信號聯繫，一對控制器故障，往往會導致另一對控制器因沒有正確的聯繫信號而不能正常工作，甚至誤動；其次，由於目前大多沒有常規後備監控設備，因此，對於大部分重要控制器來說，只要其中一對控制器故障，可能就要被迫停機。而過多的控制器實際上反而增加了故障停機的機率。再次，目前控制器容量和速度均大大提高，多個相互聯繫密切的控制系統集中在一對控制器中，反而因內部信息交換方便而提高可靠性。目前有的分司推出的DCS，CPU採用2×2冗餘（由於計算機技術發展，成本增加很小），可靠性進一步提高。 綜上所述，根據電廠特點，應當在提高每一組控制器的可靠性上下功夫，例如，採用按照IEC61508功能安全原則設計的控制器；CPU採用2×2冗餘或三重冗餘；必要時甚至對部分I/O採取冗餘等。而在控制器容量和速度允許情況下，可以合理的配置控制器（按工藝功能區配置；關係密切的控制系統納入同一控制器等），適當提高功能配置的集中度。

監控系統物理分散問題

計算機及其網路技術發展，調試和維護愈來愈方便，模件對環境的要求也逐步降低，監控系統物理配置正由過去的全部集中到一個控制樓里的單一配置方式，逐步呈現從實際出發的多樣化方式，即適度物理分散配置的方式，以取得最佳投資效益。

全廠輔助系統（車間）自動化

大型火電廠全廠輔助系統有輸煤系統、除灰系統、除渣系統、補給水系統、反滲透系統、凝結水系統、廢水處理系統、淨化站、加藥採樣系統、制氫系統、燃油泵房、循環水泵房、空壓機房、綜合泵房、電除塵系統、煙氣脫硫系統等十幾個，據對28個省市自治區168個裝備125MW及以上容量機組的火電廠調查，除輸煤系統實現自動化的電廠已占74%，鍋爐補充水處理已占61%外，其它輔助系統實現自動化的電廠分別在10~40%之間，而且由於分散值班，運行值班人員高達100~200人。隨著大中型國營企業改革逐步到位，有些企業已經意識到，輔助車間高度集中控制減少監控點，可以大大提高勞動生產率，一年就可以減少千萬元的支出，因此，已有一些先進企業開始著手對輔助係數統進行技術改造。根據這個形勢，1997年10月《2000年電廠儀表和控制（I&C）系統設計原則》報告中明確提出，輔助系統（車間）應統一設計、統一設備選型、統一設計標準，提高自動化水平，減少監控點，實現減人增效。2000年頒發的《火力發電廠設計規程》也將這種設計思想正式納入規程，要求"火電廠相鄰的輔助生產車間或性質相近的輔助工藝系統宜合併控制系統及控制點，輔助車間的控制點不宜超過三個（輸煤除灰、化水）其餘車間按無人值班設計。"

監控點的設定數量和組織要適合工藝系統設計以及當前運行和管理水平，同時又留有進一步減少監控點的可能。經過充分討論，普遍認為當前按煤、灰、水三個控制點比較適當，但是，實際電廠的系統、運行管理方式是多種多樣的，因此，決不可把上述原則變成教條，到處死搬。

例如，上海某電廠技術改造時，除灰除渣系統不設專門控制點，而是放在單元控制室內，這為將來進一步減少值班人員創造了條件。

又如，四川某電廠有一台循環流化床鍋爐，輸煤系統採用單皮帶，因此，輸煤系統直接納入單元控制室控制。

再如，海南某電廠，燃氣發電機組改造為聯合循環機組，由於增加的輔助系統比較簡單，工程審查時，大家一致同意採用全廠所有系統均集中到機組控制室中，全廠只有一個控制點。

廠級監控和信息系統

20世紀九十年代，單元機組自動化水平有了很大的發展，但廠級監控和管理水平相當落後，因此，1997年10月《2000年電廠儀表和控制（I&C）系統設計原則》明確提出要提高全廠綜合自動化和管理現代化水平，實現全廠監控和管理信息系統網路化。

廠級監控和信息系統包括廠級監控信息系統（Supervisory Information System,簡稱SIS）、管理信息系統（Management Information System，簡稱MIS）和發電側報價輔助決策系統（Plant Bidding-System簡稱PBS），總體結構如圖所示。

現在就當前發展廠級監控和信息系統需要解決的幾個問題進行討論：

1）廠級監控信息系統概念

2）廠級監控和信息系統的網路

3）廠級監控和信息系統的功能模組合理配置

4）PBS建設問題