浅析火电厂热工自动化DCS 控制系统的运用

吴尔夫

（国能汉川发电有限公司，湖北 汉川 431614）

随着电力需求的不断增长，火电厂作为我国主要的电力发电方式之一，其运行效率和安全性成为关注的重点。而热工自动化DCS 控制系统作为一种先进的控制技术，计算机为终端，通过互联网技术进行连接，采用过程监控模式对火电厂的各种设备进行有效控制，实现生产全过程的智能化、自动化控制，因此，在火电厂热工过程中发挥着重要作用，还能提高热能利用效率、降低运行成本，并提升运行安全性。

1 火电厂热工自动化概念

火电厂热工自动化是指利用现代自动化技术和控制系统对火电厂的热工过程进行监测、控制和优化调节的一种管理方式。通过引入自动化设备和系统，可以实现对火电厂热工系统的实时监控、精确控制和智能化管理，提高燃烧效率、能源利用率和发电效率，降低运行成本和环境污染。通过传感器和仪表采集热工过程中的各种参数和信号，如温度、压力、流量等，实时监测热工设备和系统的运行状态。同时，通过分析和处理采集到的数据，制定合理的控制策略和优化调节方案，实现对燃烧、供水、蒸汽、发电等关键环节的自动控制和调节，并设定安全保护措施和故障诊断算法，及时发现和处理热工系统中的异常情况和故障，保障系统的安全稳定运行。

2 火电厂热工自动化DCS 控制系统构成

DCS 系统（Distributed Control System）是分布式控制系统的简称，也被称为集散控制系统，在火电厂热工系统中应用较为广泛，能够实现热工自动化控制。通常而言，火电厂热工自动化DCS 控制系统包含五个子系统，如图1 所示，分别为DAS、MCS、SCS、DEH、FESS系统，这5 个子系统承担着不同的功能和任务，实现对热工过程的全面监控和自动控制。

图1 热工DCS 控制系统

2.1 DAS 系统

DAS 系统（Data Acquisition and Analysis System）也就是数据采集系统，在整个热工DCS 控制系统中起着重要的作用，主要收集和传输生产过程中的各种数据，以供其他子系统进行分析和控制。DAS 系统通过接口与各种传感器连接，例如，温度传感器、压力传感器、流量传感器、电流传感器等，这些传感器能够实时监测工业过程中的各种物理量，并将其转化为电信号，DAS 系统进而通过接口将这些电信号再转化为数字信号，以图表、曲线、报告等形式展示给用户，反映火电厂工作过程的温度、流量、电力、压力等参数，对其进行数据与处理，如滤波、平滑等，并对数据进行存储、备份，便于查询，然后再将收集的数据通过以太网、无线网络或其他通过协议传输到其他子系统中。同时，DAS 系统还具有自动报警的效果，能够监测和记录火电机组的热效率、发电效率、煤耗等性能指标，假如系统操作出现异常或超过设定参数范围，系统会自动发出报警，并采取相应的控制措施，确保系统的安全和稳定运行，并帮助运维人员评估机组运行情况与效益，及时发现问题并进行优化调整。

2.2 MCS 系统

MCS 系统（Monitoring and Control System）也就是模拟量控制系统，主要负责对火电厂的监测和控制进行集中管理和实时监控，用于火电厂的锅炉和汽轮机组中，能够对相关变量进行自动化控制。在锅炉中，MCS 系统可以通过控制锅炉的燃烧、给水和排烟等参数，实现锅炉的稳定运行和效率优化；根据负荷变化和蒸汽需求，控制锅炉的燃烧和给水量，以保持蒸汽温度在设定范围内；控制给水泵的运行和补水系统的操作，保持锅炉水箱的水位在安全范围内；根据锅炉负荷和燃烧情况，调节引风机的转速和风量，以保证燃烧过程的稳定和燃烧效果的优化。在汽轮机组中，MCS 系统根据汽轮机负荷变化和蒸汽需求，控制给水泵的运行和给水阀门的开度，以保持给水量和蒸汽压力稳定；通过控制除氧器的补水和排水，保持除氧器水位在正常范围内，防止氧腐蚀和蒸汽质量下降。

2.3 SCS 系统

SCS 系统（Supervisory Control System）主要用于火电厂主机和辅机的控制、监测，能够根据运行原则与顺序，对设备的运行逻辑进行判断，并进行结果分析与评估，发出控制指令，使设备按照预定的顺序有序运行。在主机控制方面，SCS 系统能够实现对主机的启动、停机和负荷调节等操作进行控制，实时监测运行状态与参数。在辅机控制方面，火电厂的辅助设备包括给水系统、除尘系统、排烟系统等，这些设备的运行对于火电厂的正常运行至关重要，SCS 系统可以对这些辅机进行控制，保证其按照预定的顺序和参数运行，确保火电厂的运行效率和安全性。一般SCS 系统采用分层设计方式，将控制任务划分为不同的层次，每个层次负责不同的功能和任务，但是，这样会消耗一定的时间，因此，在控制中将优先级运算技术融入其中，通过给不同的控制任务和指令设置不同的优先级，系统可以根据任务的优先级来确定执行顺序，确保重要任务得到优先处理，实现短时间内的顺序控制。例如，如果存在一个紧急的设备故障需要立即处理，SCS 系统可以将该任务设定为最高优先级，确保系统能够立即响应并采取相应的控制措施，而对于一些常规的设备调节或监测任务，可以设定较低的优先级，以便在有紧急任务时有机会被中断或推迟执行。

2.4 DEH 系统

DEH 系统（Digital Electronic Governor System）是指汽轮机数字电液控制系统，是一种用于汽轮机组的自动调节和控制系统，通过数字电子和液压传动系统实现对汽轮机的调速和负荷控制。DEH 系统能够实时监测汽轮机转速，并根据设定值进行调整，确保汽轮机的转速稳定在设定范围内，通过控制汽轮机的调速阀，DEH系统可以精确地调节汽轮机的负荷和输出功率。同时，DEH 系统能够根据负荷需求实时调整汽轮机的输出功率，通过对汽轮机的负荷控制阀进行控制，DEH 系统可以根据负荷变化的需求，调整汽轮机的输出功率，确保系统的稳定运行。具体而言，机组带负荷达到30%以上时，如果发生甩负荷现象，DEH 系统会通过油开关和调节级压力来判断情况，并提前关闭高、中压调节阀，起到超速保护的作用，这是由于在发生甩负荷的瞬间，机组转速还没有上升到保护动作转速之前，继续供给燃油会导致机组转速过高，可能会对设备造成损坏或危险，因此，在关闭高、中压调节阀后，DEH 系统会延时3 ～4s，然后自动将高、中压调节阀重新开启，以维持汽机在同步转速下空转，保证汽机能够迅速重新并网，并重新开启高、中压调节阀，可以恢复正常的负荷控制，使汽机能够继续运行在设定的转速和负荷范围内，保障系统的安全和稳定运行。此外，DEH 系统具有丰富的保护功能，能够监测和保护汽轮机在运行过程中可能出现的异常情况。例如，当汽轮机转速超过安全范围、油压异常、冷却水温度过高等情况发生时，DEH 系统会发出警报并采取相应的措施，以保护汽轮机的安全运行。

2.5 FSSS 系统

FSSS 系统（Flame Supervision and Combustion Control System）是指火焰监控和燃烧控制系统，用于火电厂燃烧设备的自动监控和控制，以确保燃烧设备的安全运行和高效燃烧。FSSS 系统通过使用传感器和控制器来监测和控制燃烧设备的火焰状况，传感器可以检测火焰的存在、强度和质量，监测炉膛内的温度、压力、氧含量，并将这些信息传输给控制器，然后控制器根据预设的逻辑和算法，对火焰进行实时监控和判断，并根据需要调整燃烧设备的参数和操作，确保燃烧过程的安全性和稳定性，防止火灾和爆炸的发生，并提高燃烧设备的效率、降低能源消耗，减少对人工监控和操作的依赖。

3 火电厂热工自动化DCS 控制系统的运用优势

3.1 高度集成与兼容

DCS 控制系统能够集成多个子系统，如控制、监测、数据采集、报警等系统，应用传感器、执行器、控制算法等，实现对整个火电厂热工过程的全面控制和管理，通过一个统一的平台，操作人员可以方便地监控和控制各个子系统的运行状态，实现多个设备之间的协同运行，确保整个机组能够高效稳定地运行。在电厂机组运行过程中，干扰源和控制参数往往呈现出非线性分布的特征，DCS 控制系统可以根据实际情况灵活调整控制策略和参数，以应对这些非线性分布的影响因素。同时，DCS 控制系统具有强大的计算和数据处理能力，可以实现各种高级控制算法，如模型预测控制、优化控制等，其中模型预测控制一种基于数学模型的控制方法，通过对过程的数学模型进行预测和优化，实现对系统的精确控制；优化控制是指根据系统的最优性原理，通过对控制变量进行优化，以达到最佳的系统性能。此外，DCS 控制系统采用开放的通信协议和标准接口，可以与电厂的监控系统、信息管理系统等进行数据交换和共享，提高系统的兼容程度和整体效能。

3.2 分布式控制

DCS 控制系统采用分散控制的方式，将控制功能分布在各个控制节点上，降低系统的单点故障风险，提高系统的可靠性和稳定性。同时，分布式控制也使得系统具有良好的扩展性，可以根据需要灵活地增加或减少控制节点。

3.3 智能监测与调节

DCS 控制系统具有实时监测和调节火电厂热工过程的能力，通过各种传感器和仪表设备，可以实时采集和监测火电厂各个关键参数的数值，并根据设定的控制策略进行调节，这样可以保持火电厂的稳定运行，并及时对异常情况进行响应和处理。同时，采用远程智能输入输出系统，提升系统测量的精准度，这是将计算机适配器、现场总线、智能前端等组合而成的独立性系统，支持灵活的AD/DA 转换，能够满足不同输入输出信号的需求，支持点对点、点对多等通信方式，采用集中管理与控制模式，实现主动系统信息转换，并通过智能前端和现场总线的协作，将系统内部的信息转化为适合外部系统理解的格式，提高系统的互操作性，使其与其他系统更好地集成和交互。

3.4 系统安全性

DCS 控制系统具有较高的系统安全性，通过权限管理和密码控制等措施，可以限制不同用户对系统的访问和操作权限，防止未经授权的操作对系统造成损害。此外，DCS 控制系统还具有故障诊断和自动备份等功能，可以及时发现和处理系统故障，保证系统的可靠性和安全性。

4 结语

总之，电厂热工自动化DCS 控制系统的运用，不仅能够提高火电厂的运行效率和稳定性，还能够减少运维成本，提高工作安全性，对于火电厂的可持续发展具有积极的促进作用。随着科技的不断进步，火电厂热工自动化DCS 控制系统在未来将继续发挥重要作用，并且将与其他技术和系统的融合进一步推动火电厂的智能化、高效化和可持续发展。