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　　張晉賓（1967-）

　　男，山西陽(yáng)城人，教授級(jí)高工，主任工程師，從事電廠自動(dòng)化的設(shè)計(jì)、咨詢、研究及管理工作。

　　摘要：隨著社會(huì)及電力工業(yè)的發(fā)展，電力自動(dòng)化的重要性與日劇增。傳統(tǒng)的信息、通訊和自動(dòng)化技術(shù)之間的障礙正在逐漸消失。最新的技術(shù)，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線、新型檢測(cè)及控制儀表、先進(jìn)管理和控制軟件等，大大提升了過(guò)程系統(tǒng)的效率和安全性能。本文著重分析討論了國(guó)外電力過(guò)程自動(dòng)化的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：電力過(guò)程自動(dòng)化；動(dòng)態(tài)

　　Abstract: The importance of automation technology has increased dramatically along with the development of society and power industry in recent years. The traditional barriers among information, communication and automation technology are, in the operational context, gradually disappearing. The latest technologies, including wireless networks, fieldbus system, new monitoring and controlling instruments, advanced management and control software, boost the efficiency and safety of the process system. In this paper the recent development and future trends in process automation are presented and discussed.

　　Key words: Electric power process automation; Future trends

　　1 引言
　
　　電力是現(xiàn)代社會(huì)使用最廣泛的二次能源。電力的安全、穩(wěn)定和充足供應(yīng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要保障條件，事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家安全大局。自從1998年全國(guó)裝機(jī)容量超過(guò)277GW，躍居世界第2位以來(lái)，我國(guó)電力仍以較高的速度和更大的規(guī)模在迅猛發(fā)展，預(yù)計(jì)我國(guó)電力裝機(jī)總?cè)萘繉⒃诮衲甑字撩髂瓿跬黄?00GW。

　　隨著電力需求的高速增長(zhǎng)，發(fā)電裝機(jī)容量迅速擴(kuò)大，大量燃用化石燃料和由此產(chǎn)生的污染排放與資源、生態(tài)環(huán)境的矛盾日益突出。

　　自動(dòng)化的重要性近年來(lái)與日劇增。現(xiàn)今，創(chuàng)新的自動(dòng)化系統(tǒng)控制著復(fù)雜的工藝流程，并確保過(guò)程運(yùn)行的可靠及安全，為先進(jìn)的維護(hù)策略也打造了相應(yīng)的基礎(chǔ)。電力過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)的日新月異和控制水平的不斷提高，為電力工業(yè)解決能源資源和環(huán)境約束的矛盾創(chuàng)造了條件。

　　電力過(guò)程自動(dòng)化是指綜合運(yùn)用控制理論、電子設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)及其他技術(shù)，對(duì)發(fā)電過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達(dá)到增加發(fā)電量、提高發(fā)電生產(chǎn)效率和質(zhì)量、降低消耗、確保安全等目的的一類綜合性技術(shù)。現(xiàn)今，我國(guó)發(fā)電廠基本上全部采用了分散控制系統(tǒng)或可編程邏輯控制器等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)裝備水平大大提升。但仍應(yīng)清醒的認(rèn)識(shí)到，我國(guó)目前的電力過(guò)程自動(dòng)化水平總體而言，仍落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

　　本文將就國(guó)際上先進(jìn)的電力自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)趨勢(shì)及進(jìn)展分析研究，以期為我國(guó)電力自動(dòng)化水平的發(fā)展提供借鑒。

　　2 電力自動(dòng)化發(fā)展
　
　　按照瑞士Intechno咨詢公司的報(bào)告，世界過(guò)程自動(dòng)化市場(chǎng)在2005至2010年期間將以每年平均5.1%的速度增長(zhǎng)，到2010年可高達(dá)942億美元。其中尤以化工、電力、石化增長(zhǎng)最為迅猛。

　　經(jīng)濟(jì)、組織和技術(shù)的發(fā)展將在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)深遠(yuǎn)的變革。電力自動(dòng)化近期的發(fā)展概括而言是充分利用IT（信息技術(shù)）及AI（人工智能）等先進(jìn)技術(shù)，大量采用現(xiàn)場(chǎng)智能儀表及設(shè)備，整合控制與信息系統(tǒng)，融合測(cè)量、控制、診斷、檢修、維護(hù)、管理等數(shù)據(jù)，使電力生產(chǎn)合理化和最優(yōu)化，并最終提升電廠的安全性、經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)力。
　
　　2.1 全方位管控一體化

　　為了增加勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低運(yùn)行和維修成本，進(jìn)一步提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必需將貫穿整個(gè)組織的信息、通訊和自動(dòng)化技術(shù)等價(jià)值創(chuàng)造鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行水平和垂直無(wú)縫整合與集成，即實(shí)現(xiàn)全方位管控一體化。集成控制系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)構(gòu)成統(tǒng)一的控制信息網(wǎng)絡(luò)，一方面是過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線等先進(jìn)技術(shù)全面挖掘生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控及檢修數(shù)據(jù)信息，在廠內(nèi)和CMMS（計(jì)算機(jī)檢修維護(hù)管理系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)縫聯(lián)接；另一方面是在企業(yè)級(jí)通過(guò)MES（即制造執(zhí)行系統(tǒng)，類似于國(guó)內(nèi)電廠的廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS）和集團(tuán)ERP（企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)）互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)在合適的地點(diǎn)和合適的時(shí)間，確保充分和成功地獲取合適的信息。

　　置于控制系統(tǒng)級(jí)和ERP之間的MES，用于優(yōu)化電廠生產(chǎn)級(jí)的工作流程，改進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量，增加過(guò)程可靠性，營(yíng)造了一個(gè)快速反應(yīng)、有彈性、高效率、精細(xì)化的制造環(huán)境。國(guó)際上較為知名的MES產(chǎn)品有：ABB工業(yè)IT生產(chǎn)規(guī)劃、Honeywell Experion PKS-Optivision、Metso DNA MES、Tietoenator TIPS和Siemens Simatic IT系統(tǒng)等。
　
　　可見(jiàn)，過(guò)程自動(dòng)化正從純粹的過(guò)程控制領(lǐng)域向過(guò)程和商業(yè)綜合控制領(lǐng)域過(guò)渡。自從計(jì)算機(jī)技術(shù)首次應(yīng)用以來(lái)，自動(dòng)化和IT分別是兩個(gè)獨(dú)立的領(lǐng)域，兩者各自互不相干地發(fā)展著，現(xiàn)如今正在逐漸打破這種傳統(tǒng)的分隔。當(dāng)前最新發(fā)展趨勢(shì)是建立一個(gè)貫穿發(fā)電廠全過(guò)程的、直至商業(yè)企業(yè)級(jí)計(jì)算環(huán)境的單一控制管理系統(tǒng)，如Invensys公司的InFusion企業(yè)控制系統(tǒng)等，就是將諸如傳統(tǒng)狹義范圍內(nèi)的過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)（包括DCS/PLC控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、全廠資源管理和優(yōu)化系統(tǒng)）和商業(yè)性能管理（包括ERP和MES等）融合集成為一個(gè)廣義范圍內(nèi)的單一企業(yè)控制管理系統(tǒng)，從而有助于工業(yè)企業(yè)整合其操作/運(yùn)行和維修/維護(hù)資源，進(jìn)一步優(yōu)化企業(yè)的APM（資源性能管理）。

　　2.2 無(wú)線通訊邁入傳統(tǒng)電力工業(yè)

　　無(wú)線技術(shù)的出現(xiàn)及快速進(jìn)步，正在賦予電力工業(yè)領(lǐng)域以一種嶄新的視角來(lái)觀察問(wèn)題，并由此在電力流程工業(yè)領(lǐng)域及資產(chǎn)管理領(lǐng)域，開(kāi)創(chuàng)一個(gè)激動(dòng)人心的新紀(jì)元。

　　無(wú)線通訊技術(shù)因其不必在廠區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行繁雜、昂貴的布線，因而有著誘人的特質(zhì)。位于現(xiàn)場(chǎng)的巡視和檢修維護(hù)人員借此可保持和集中控制室等控制管理中心的聯(lián)系。譬如位于海邊的與主廠房距離較遠(yuǎn)的濱海泵房?jī)x表與控制設(shè)備，可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與主廠區(qū)的控制系統(tǒng)相集成互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息共享。此外，無(wú)線技術(shù)還具有高度靈活性、易于使用、通過(guò)遠(yuǎn)程鏈接可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)備或系統(tǒng)的可視化、參數(shù)調(diào)整和診斷等獨(dú)特功能。盡管目前存在多種無(wú)線技術(shù)，但僅有幾種特別適用于電力流程工業(yè)。這是因?yàn)闊o(wú)線信號(hào)通過(guò)空間傳播的過(guò)程、搭載的數(shù)據(jù)容量（帶寬）、抗RFI（射頻干擾）/EMI（電磁干擾）干擾性、對(duì)物理屏障的易感性、可伸縮性、可靠性，還有成本，都因無(wú)線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的不同而不同。因此，很多用戶都傾向于“依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，來(lái)選定合適的無(wú)線技術(shù)”。控制用的無(wú)線技術(shù)主要有GSM/GPRS（蜂窩）、900MHz Radios、Wi-Fi（802.11a/b/g）、WiMAX(802.16)、ZigBee(802.15.4)、自組織網(wǎng)絡(luò)等，其中尤以Wi-Fi和WiMAX應(yīng)用增長(zhǎng)速度最快，這是因?yàn)槠湓趲捄桶踩阅芊矫孑^優(yōu)、在數(shù)據(jù)集中和網(wǎng)絡(luò)化方面具備卓越的安全框架、具有主機(jī)數(shù)據(jù)集成的高度靈活性、高的魯棒性及低的成本。

　　美國(guó)德州LCRA集團(tuán)公司為了降低電廠運(yùn)行維護(hù)成本，由一套電廠人員集中管理其下屬容量為650MW的 Sim Gideon電廠和容量為545MW的 Lost Pines電廠，采用了Apprion公司的WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以集成上述兩個(gè)電廠監(jiān)控管理層的通訊和控制[1]。其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由Apprion的ION系統(tǒng)和ION服務(wù)構(gòu)成。ION系統(tǒng)即工業(yè)無(wú)線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，包括IONosphere和集中應(yīng)用軟件，后者具有數(shù)據(jù)服務(wù)、工作流程、安保、監(jiān)視、維護(hù)和第三方應(yīng)用集成的管理功能。IONosphere管理軟件連續(xù)監(jiān)視整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的工作性能、健康狀況和完整性，從而在共享數(shù)據(jù)環(huán)境下保證基于QoS應(yīng)用的性能最優(yōu)化。ION服務(wù)支持現(xiàn)場(chǎng)分析、技術(shù)選擇、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施、性能監(jiān)視、安保管理、連續(xù)的網(wǎng)管及優(yōu)化功能。在嘗到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的甜頭后，目前該公司正在實(shí)施將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用延伸擴(kuò)展至設(shè)備控制層的方案，其應(yīng)用范圍覆蓋輔助設(shè)備上的一般閉環(huán)水位控制及報(bào)警、給水加熱器水位控制及報(bào)警、爐膛火焰視頻監(jiān)視系統(tǒng)、各種溫度/料位及其它關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的報(bào)警、諸如振動(dòng)監(jiān)視分析等設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)、氨泄漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)和通訊、遠(yuǎn)方罐/箱料位監(jiān)視等。借助臺(tái)式PC機(jī)，運(yùn)行人員可以以無(wú)線、遠(yuǎn)程方式分別訪問(wèn)前述兩個(gè)電廠所用的Foxboro和Westinghouse控制系統(tǒng)。

　　RFID，即射頻自動(dòng)辨識(shí)，一些專家將其出現(xiàn)所帶來(lái)的影響等同于車輪的發(fā)明，因?yàn)橥ㄟ^(guò)無(wú)線射頻電波進(jìn)行信息資料無(wú)線通訊達(dá)到自動(dòng)辨識(shí)的觀念亦可啟發(fā)許多應(yīng)用。導(dǎo)入RFID技術(shù)以后，可以讓很多工作簡(jiǎn)化、自動(dòng)化或是變得更精確，其典型應(yīng)用有電子化的物品監(jiān)控倉(cāng)儲(chǔ)管理、出入口控制、人員監(jiān)控、設(shè)備與資產(chǎn)的管理等。2004年德國(guó)西門子公司與Metro Group合作，將RFID導(dǎo)入了過(guò)程自動(dòng)控制領(lǐng)域。

　　2.3 現(xiàn)場(chǎng)儀表/控制裝置數(shù)字化及智能化

　　數(shù)字化及智能化正在向著現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表設(shè)備延伸，IEC61158等現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化起到了助推作用。以往電廠控制層和管理層已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，電廠全面數(shù)字化的瓶頸在于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，而現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化為構(gòu)建數(shù)字化電廠奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。HART、FF及PROFIBUS等現(xiàn)場(chǎng)總線已打開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備智能化的大門。智能化后，現(xiàn)場(chǎng)儀表不僅能更加智能地實(shí)現(xiàn)其監(jiān)視和管理過(guò)程變量的功能，而且還可更加有效地診斷其自身健康狀況。下一步是將診斷功能擴(kuò)展至擁有對(duì)儀表周邊的過(guò)程的診斷能力。如此發(fā)展下去，即可具有預(yù)測(cè)性智能功能，提早檢測(cè)出系統(tǒng)/設(shè)備潛在故障和運(yùn)行低效工況，獲知更多的工藝過(guò)程健康信息，進(jìn)而從異常狀態(tài)管理過(guò)度到異常狀態(tài)預(yù)防，由此電力工業(yè)就可從所實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)性智能功能中大大獲益。

　　目前，全球已安裝有超過(guò)24,000,000臺(tái)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備[2]。現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用正在成為主流，如于2003年1月正式交付營(yíng)運(yùn)的德國(guó)Niederaussem電廠K機(jī)組，其發(fā)電機(jī)組出力達(dá)1024MW，采用了基于西門子FUM（功能模件）和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的TELEPERM XP系統(tǒng)，其中所采用的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備規(guī)模為約900個(gè)馬達(dá)/泵、1200個(gè)閥門執(zhí)行器和400個(gè)氣動(dòng)閥門電磁閥。執(zhí)行器是通過(guò)冗余的PROFIBUS DP總線與控制系統(tǒng)互聯(lián)，氣動(dòng)閥門電磁閥采用AS-i底層現(xiàn)場(chǎng)總線，并通過(guò)DP/AS-i鏈接設(shè)備實(shí)現(xiàn)與PROFIBUS DP總線的互聯(lián)。低壓電機(jī)采用西門子SIMOCODE智能開(kāi)關(guān)柜接口裝置，通過(guò)Profibus-DP/Y-LINK建立與控制系統(tǒng)的通訊。其現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖詳見(jiàn)圖1。通過(guò)PDM（過(guò)程設(shè)備管理器）可在集中控制室完成全部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)調(diào)整、整定等工作，借助現(xiàn)場(chǎng)總線的智能性，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集中故障診斷和維護(hù)，大大改善了營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。

圖1   現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

　　基于現(xiàn)場(chǎng)總線的巨大優(yōu)勢(shì)及國(guó)外成功應(yīng)用業(yè)績(jī)，國(guó)內(nèi)正在實(shí)施的項(xiàng)目，如華能金陵電廠二期工程2X1000MW級(jí)超超臨界機(jī)組、九臺(tái)電廠新建工程2X600MW級(jí)超超臨界機(jī)組等均大范圍采用了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及設(shè)備。

　　2.4 新型檢測(cè)儀表/裝置的應(yīng)用

　　目前，在國(guó)內(nèi)工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)傳感器技術(shù)，如溫度、壓力、流量等的測(cè)量，大都有著其自身難以克服的不足。這些傳感器技術(shù)已達(dá)其極限，可挖掘的潛力極其有限。較之與之相連的由電子和計(jì)算機(jī)設(shè)備組成的監(jiān)控系統(tǒng)而言，現(xiàn)場(chǎng)傳感器和終端控制元件的技術(shù)進(jìn)步相對(duì)落后。為使企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中更具競(jìng)爭(zhēng)力，減少制造成本，國(guó)際先進(jìn)電力企業(yè)在采用新型控制系統(tǒng)的同時(shí)，也對(duì)新型傳感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用予以高度重視，其中應(yīng)用較為成熟的有光纖測(cè)量技術(shù)、氣固兩相流體流量檢測(cè)技術(shù)、聲波高溫計(jì)等，以下分別介紹。

　　2.4.1 光纖測(cè)量技術(shù)

　　光纖測(cè)量技術(shù)具有分散測(cè)量的能力。對(duì)光纖的測(cè)量值進(jìn)行濾波或輸出處理后，一根光纖整個(gè)長(zhǎng)度均可作為一個(gè)傳感器，可提供優(yōu)于點(diǎn)測(cè)量的斷面測(cè)量。此外，光纖傳感器還具有一些常規(guī)傳感器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。例如，光纖傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大、防電磁場(chǎng)干擾、超高壓絕緣、無(wú)源性、防燃防爆、適于遠(yuǎn)距離遙測(cè)、多路系統(tǒng)無(wú)地回路“串音”干擾、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

　　此外，光纖可實(shí)現(xiàn)的傳感信息量很廣。如光導(dǎo)纖維本身就對(duì)壓力和應(yīng)變力極為敏感，這就意味著光纖可以同時(shí)作為壓力、溫度和應(yīng)力傳感器而使用。目前，國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家已將光纖用于測(cè)量磁、聲、力、溫度、位移、旋轉(zhuǎn)、加速度、液位、扭矩、應(yīng)變、電流、電壓、傳像和某些化學(xué)量等。
　
　　現(xiàn)在，國(guó)外光導(dǎo)纖維溫度傳感器已進(jìn)入全面商業(yè)化應(yīng)用階段。光纖分布式溫度傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)對(duì)大量地點(diǎn)的溫度監(jiān)視。目前國(guó)外正逐漸將它用于對(duì)電站關(guān)鍵部件的溫度監(jiān)視。如日本W(wǎng)akamatsu增壓循環(huán)流化床電站已采用英國(guó)York傳感器公司的DTS（分布光導(dǎo)纖維溫度傳感器）測(cè)量氣體清潔過(guò)濾器的熱點(diǎn)表面溫度。采用長(zhǎng)約4公里特殊設(shè)計(jì)的高溫光導(dǎo)纖維作為溫度傳感器。其光纖傳感器沿過(guò)濾器鋼表面敷設(shè)，每?jī)煞昼娍梢詼y(cè)量約3000點(diǎn)的溫度值，這是用常規(guī)點(diǎn)式溫度傳感器絕對(duì)不可能做到的。

    DTS用光電元件測(cè)量出沿光纖整段長(zhǎng)度的溫度信號(hào)值，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)刷新。如此，DTS是少數(shù)能夠測(cè)量長(zhǎng)距離溫度的最有效且最經(jīng)濟(jì)的手段，這是固定點(diǎn)式溫度測(cè)量裝置所不能比擬的。運(yùn)行人員可以在控制室內(nèi)通過(guò)CRT屏幕觀察溫度的變化情況，并可在設(shè)備溫度惡化時(shí)作出相應(yīng)的操作。另外，DTS具有抗EMI（電磁干擾）的能力。這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)從傳感器傳送至控制室時(shí)采用了光纜，并不存在電流信號(hào)。因此，DTS特別適合于在電站等有許多電磁或射頻干擾的惡劣環(huán)境中使用。

　　2.4.2 氣固兩相流量檢測(cè)

　　發(fā)電廠中存在著許多兩相流體的應(yīng)用場(chǎng)合，如除灰系統(tǒng)中的飛灰氣力輸送、鍋爐燃燒系統(tǒng)中通過(guò)一次風(fēng)將煤粉輸送至燃燒器的的輸粉管道系統(tǒng)、鍋爐汽水側(cè)的汽包或汽水分離器之前水冷壁等管道中的汽水混合流體等。為了提升電廠的生產(chǎn)效率、降低運(yùn)行和維護(hù)成本、滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，急需有效解決相應(yīng)的兩相流體流量測(cè)量難題。
為此，國(guó)際上眾多儀表制造商和研究機(jī)構(gòu)對(duì)電廠內(nèi)的兩相流量測(cè)量進(jìn)行了大量的研發(fā)，已開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)出了不少的兩相流量檢測(cè)裝置。其中用于煤粉流量測(cè)量比較成熟的技術(shù)有：利用發(fā)射進(jìn)煤粉管內(nèi)的微波反向散射原理測(cè)量煤粉濃度和速度、基于脈沖超聲波束衰減量測(cè)量煤粉流速、依據(jù)煤粉對(duì)b射線或g射線的吸收測(cè)定煤粉流量、通過(guò)煤粉顆粒碰撞一列金屬棒而引起的金屬機(jī)械振動(dòng)的監(jiān)視來(lái)間接判定煤粉顆粒的分布、專用靜電探頭檢測(cè)煤粉顆粒大小及其分離、采用由低成本的CCD攝像機(jī)和激光片發(fā)生器構(gòu)成的數(shù)字成像裝置判定煤粉顆粒分布。

　　上述產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的是新型的基于靜電檢測(cè)原理的ECT（Electric Charge Transfer）煤粉流量在線檢測(cè)裝置，它可以實(shí)時(shí)、在線提供煤粉流速、煤粉顆粒流動(dòng)速度和煤粉細(xì)度的檢測(cè)與測(cè)量。其制造商主要有ABB、英國(guó)PCME公司、芬蘭TR-Tech公司和南非ESKOM公司等。著名的鍋爐制造商FOSTER&WHEELER和TR-Tech合作推廣后者生產(chǎn)的ECT產(chǎn)品，已在國(guó)外20多個(gè)電廠中應(yīng)用，其應(yīng)用業(yè)績(jī)中單機(jī)容量最大的是美國(guó)ARF電廠的950MW切向燃燒鍋爐。通過(guò)對(duì)至鍋爐燃燒器的各個(gè)風(fēng)粉混合管內(nèi)煤量的測(cè)量，可監(jiān)視每個(gè)燃燒器的煤粉燃料和風(fēng)的配比，為鍋爐實(shí)現(xiàn)以單個(gè)燃燒器為基礎(chǔ)的均衡、充分、高效燃燒提供有力手段，從而大大減少目前出于環(huán)保壓力而廣為采用的鍋爐低NOx燃燒系統(tǒng)所帶來(lái)的未燃燼碳和污染物排放量；通過(guò)所計(jì)算出的風(fēng)粉混合管內(nèi)煤粉流速值，可推導(dǎo)出各個(gè)風(fēng)粉混合管內(nèi)的絕對(duì)煤粉量，從而可以檢查一次風(fēng)量是否適當(dāng)，是否存在堵粉等現(xiàn)象；通過(guò)監(jiān)視煤粉顆粒度的變化，可依此評(píng)判磨煤機(jī)工作性能的優(yōu)劣；通過(guò)檢測(cè)各個(gè)粉管內(nèi)煤粉傳輸中的諸如粉量突增、突減等非穩(wěn)定煤流現(xiàn)象，可及時(shí)獲知燃燒性能劣化和壓力的波動(dòng)。ECT流量測(cè)量裝置不受煤粉種類、濕度、灰份量等的影響。值得說(shuō)明的是，ECT測(cè)量的是風(fēng)粉混合物固氣兩相流中由煤粉顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的電荷值，故ECT也可用于其它固氣或固液兩相流體的流量測(cè)量。

　　2.4.3 聲波式高溫計(jì)

　　電廠鍋爐爐膛和后爐膛區(qū)的溫度，不僅直接反應(yīng)出其內(nèi)燃料燃燒強(qiáng)度大小，燃燒過(guò)程效率優(yōu)劣，而且還間接影響鍋爐受熱面及后續(xù)流程（如脫硝、灰份控制等）的正常運(yùn)行。從電廠安全、控制和效率角度來(lái)看，爐膛區(qū)的溫度是十分重要的需運(yùn)行監(jiān)視的關(guān)鍵參數(shù)。但由于爐膛燃燒區(qū)內(nèi)惡劣的環(huán)境和較高的溫度，國(guó)內(nèi)電廠一般采用的僅是通過(guò)熱電偶式煙溫探針來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)過(guò)程的煙溫檢測(cè)，正常運(yùn)行時(shí)不直接測(cè)量爐膛溫度，而是只測(cè)量相應(yīng)的受熱面金屬壁溫。可見(jiàn)采用常規(guī)的溫度檢測(cè)手段是難以實(shí)現(xiàn)可靠、準(zhǔn)確、連續(xù)、在線的爐膛溫度監(jiān)視。

　　國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家在爐膛溫度測(cè)量方面的研發(fā)和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，所采用的測(cè)量裝置可分為兩類，一類是與煙氣直接接觸的吸入式熱電偶高溫計(jì)，另一類是非接觸式基于發(fā)射光譜的幅射高溫計(jì)和聲波高溫計(jì)。其中應(yīng)用較多、較成熟可靠的是聲波高溫計(jì)，其基本原理是利用在被測(cè)介質(zhì)中聲音傳播速度和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)測(cè)量介質(zhì)溫度。較之其它測(cè)溫方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①是一種可實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的非接觸式測(cè)溫技術(shù)；②所測(cè)量的是橫貫整個(gè)聲波傳輸過(guò)程的線式整體溫度值；③具有極佳的精度和準(zhǔn)確性；④其精度不受介質(zhì)熱輻射率不確定性的影響。如美國(guó)Stock Equipment公司所推出的AccuTEMP聲波式高溫計(jì)，采用超過(guò)170dB的高能量聲波，在0~3500F（約1927℃）溫度范圍其測(cè)量精度在±1%內(nèi)，且基本不受噪聲的影響。通過(guò)這種新型聲波溫度計(jì)，輔之以內(nèi)嵌先進(jìn)軟件算法的微處理器，可實(shí)現(xiàn)大型鍋爐爐膛斷面的煙氣溫度測(cè)量，從而獲得瞬時(shí)的溫度分布數(shù)據(jù)，并可用于鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行控制，最大程度地降低故障停爐的機(jī)率，同時(shí)減少了NOx形成量。此外，所獲知的溫度信息支持鍋爐清潔系統(tǒng)、燃燒器優(yōu)化、后燃燒污染排放物還原系統(tǒng)，還可用于判定爐膛容積熱強(qiáng)度和鍋爐總效率等。

　　2.5 先進(jìn)控制和管理軟件的應(yīng)用

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)集分布參數(shù)、非線性、多變量耦合為一體的流化床鍋爐或超/超超臨界機(jī)組等復(fù)雜對(duì)象的自動(dòng)控制，提高機(jī)組運(yùn)行管理水平，降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，有效提高機(jī)組可用率和經(jīng)濟(jì)性，國(guó)外對(duì)于此類輸入/輸出受限的多變量系統(tǒng)普遍采用了基于模型預(yù)測(cè)的MPC（模型預(yù)測(cè)控制）控制策略或DMC（動(dòng)態(tài)矩陣控制）算法，也有的采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法。對(duì)比而言，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)電廠已廣泛應(yīng)用，大大改觀了電廠自動(dòng)化面貌，但是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的潛能還沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。為此，需借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用效益明顯、智能化程度高的優(yōu)化控制管理軟件，以充分利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。

　　國(guó)外所采用的電站優(yōu)化軟件主要包括實(shí)時(shí)過(guò)程控制參數(shù)的優(yōu)化控制軟件和保持設(shè)備、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的優(yōu)化管理軟件兩類。第一類軟件的突出特點(diǎn)在于實(shí)時(shí)、在線和閉環(huán)控制功能，主要用于機(jī)組負(fù)荷變化過(guò)程，減少主要過(guò)程參數(shù)動(dòng)態(tài)偏差和被調(diào)量的時(shí)間延遲；第二類軟件的特點(diǎn)在于它注重運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)分析能力及系統(tǒng)管理、決策支持功能。優(yōu)化控制軟件主要有機(jī)爐協(xié)調(diào)優(yōu)化控制、蒸汽溫度優(yōu)化控制、DCS報(bào)警功能優(yōu)化等。優(yōu)化管理軟件主要有能量管理軟件、設(shè)備及系統(tǒng)性能優(yōu)化軟件、過(guò)程信息統(tǒng)計(jì)分析軟件、設(shè)備資源管理軟件等。

　　目前，國(guó)外大部分DCS供貨商均可提供功能較完善并有應(yīng)用業(yè)績(jī)的眾多電廠優(yōu)化控制管理軟件。其中功能完善、應(yīng)用較多的優(yōu)化軟件有Siemens公司的Sienergy系統(tǒng)、ABB公司的Optimax系統(tǒng)、Alstom公司的Optiplant+等。雖然這些軟件包單項(xiàng)價(jià)格較高，但從取得的經(jīng)濟(jì)效益和回報(bào)率看，增加這些投資是值得的。如西門子公司的凝結(jié)水節(jié)流控制模塊(COT)軟件包價(jià)格雖高達(dá)約人民幣200萬(wàn)元，但采用該軟件包可提高機(jī)組熱效率0.5%~1.0%。對(duì)2臺(tái)600MW機(jī)組而言，年運(yùn)行5500h，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.296kg/(kW.h)，機(jī)組熱效率41.554%，若機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，每年可節(jié)煤2100t~4200t/每臺(tái)機(jī)組，煤價(jià)若按300元/t計(jì)，可節(jié)約燃料費(fèi)63萬(wàn)元~126萬(wàn)元/每臺(tái)機(jī)組，約1年左右即可收回初投資；若是帶基本負(fù)荷并具有一定調(diào)峰能力，可望在2~3年收回初投資。另外如ABB公司的Optimax實(shí)時(shí)優(yōu)化軟件包，專用于改善電廠的運(yùn)行和維護(hù)，據(jù)稱可降低電廠熱耗1%，提高電廠可利用率1%。

　　Pegasus技術(shù)公司的NeuSight 系統(tǒng)在一臺(tái)500MW機(jī)組上應(yīng)用時(shí)，在低負(fù)荷時(shí)可降低55%的NOx 排放，在滿負(fù)荷時(shí)可降低23%的NOx 排放，同時(shí)可減少飛灰含碳量30%，雖然CO排放量從10ppm升到了210ppm。

　　2.6 其它趨勢(shì)

　　安全相關(guān)系統(tǒng)：隨著社會(huì)日趨進(jìn)步、法律法規(guī)的日益嚴(yán)格，電力生產(chǎn)安全的重要性顯而易見(jiàn)，過(guò)程安全運(yùn)行是電力自動(dòng)化系統(tǒng)的首要目標(biāo)。隨著IEC61508、IEC61511等安全標(biāo)準(zhǔn)的制訂，鍋爐爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)和汽機(jī)緊急停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)等開(kāi)始愈來(lái)愈多的采用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的SIS安全相關(guān)系統(tǒng)。
　
　　遠(yuǎn)程I/O和分步式I/O：基于電子設(shè)備可靠性的提高和通訊技術(shù)的進(jìn)展，為了節(jié)約工程建設(shè)投資，對(duì)未采用現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)FCS的場(chǎng)合，大量應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O和分步式I/O技術(shù)。

　　狀態(tài)檢修：采用AMS（設(shè)備資產(chǎn)管理系統(tǒng)），根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)視和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的異常，預(yù)知設(shè)備的故障，將設(shè)備故障檢修方式提升為設(shè)備狀態(tài)檢修這一先進(jìn)科學(xué)的檢修管理方式，以有效克服定期檢修所帶來(lái)的問(wèn)題，提高設(shè)備的安全性和可用性。

　　全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)：國(guó)際自動(dòng)化領(lǐng)域正在向全I(xiàn)P結(jié)構(gòu)過(guò)渡。一是為了滿足逐漸增多的數(shù)據(jù)吞吐量，工業(yè)控制系統(tǒng)上層網(wǎng)采用以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)漸成潮流，如工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟IAONA等多個(gè)國(guó)際組織正在倡導(dǎo)在工控環(huán)境下采用以太網(wǎng)；二是在較低的現(xiàn)場(chǎng)總線層也開(kāi)始制訂基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如在IEC61784標(biāo)準(zhǔn)中就包括Ethernet/IP、Profinet、Interbus、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT、Powerlink、Modbus TCP和Sercos III等眾多基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

　　3 結(jié)論與展望

　　綜上所述，電力過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流趨勢(shì)是：檢測(cè)控制智能化、測(cè)量信息數(shù)字化、控制管理集成化。

　　新型的過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以下功能：信息訪問(wèn)更加便利，增加自動(dòng)化程度，減少操作失誤和主、輔機(jī)維修量，提高機(jī)組或設(shè)備可利用率；采用開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、流行的硬件/軟件系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效地減少對(duì)專用產(chǎn)品的依賴，減少備品備件數(shù)量，盡可能利用廣泛使用的各種先進(jìn)傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和實(shí)用的控制方法及策略，降低運(yùn)行和維護(hù)（O&M）成本；降低生產(chǎn)過(guò)程的污染物排放量；縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間；應(yīng)當(dāng)為提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益而不斷提高性能。

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