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作者簡介

許繼剛（1964-），男，博士研究生畢業(yè)，國家新世紀百千萬人才工程國家級人選，國務院政府特殊津貼專家，原中國電力工程顧問集團公司副總工程師、特級專家，現(xiàn)任中國能源建設集團工程研究院副院長，兼任電力行業(yè)熱工自動化與信息標準化委員會副主任、電力行業(yè)熱工自動化技術(shù)委員會副主任、中國自動化學會發(fā)電自動化專委會副主任、中國電機工程學會熱工自動化專委會副主任、中國儀器儀表學會自控工程設計委員會主任。擔任《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》編制組副組長，《火力發(fā)電廠信息系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)定》編制組組長。

1　“十三五”電力發(fā)展預測

在中國經(jīng)濟步入新常態(tài)后，作為主要能源行業(yè)之一的電力行業(yè)將迎來新的發(fā)展時期。根據(jù)中電聯(lián)年度快報統(tǒng)計，截至2014年底，全國發(fā)電裝機容量為13.6億千瓦，同比增長8.7%，其中非化石能源發(fā)電裝機容量4.5億千瓦，占總裝機容量比重為33.3%。2014年，全國發(fā)電量5.55萬億千瓦時，同比增長3.6%，其中非化石能源發(fā)電量1.42萬億千瓦時，同比增長19.6%；非化石能源發(fā)電量占總發(fā)電量比重自新中國成立以來首次超過25%，達到25.6%，同比提高3.4%。

在非化石能源發(fā)電裝機中，全國水電裝機容量3.0億千瓦（其中抽水蓄能2183萬千瓦），同比增長7.9%。全國并網(wǎng)風電裝機容量9581萬千瓦，同比增長25.6%。全國并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量2652萬千瓦（絕大部分為光伏發(fā)電），同比增長67.0%。

盡管非化石能源在中國的發(fā)展速度非常快，但中國目前的發(fā)電主要還是靠火電，截至2014年底，全國火電裝機容量9.2億千瓦，同比增長5.9%，占總裝機容量比重為66.7%，其中煤電8.3億千瓦，同比增長5.0%；氣電5567萬千瓦，同比增長29.2%。根據(jù)中電聯(lián)預測，全國發(fā)電裝機到2020年需要19.6億千瓦左右，2030年需要30.2億千瓦左右，2050年需要39.8億千瓦左右。

其中，非化石能源發(fā)電所占比重逐年上升，2020年、2030年和2050年發(fā)電裝機占比分別達到39%、49%和62%，發(fā)電量占比分別達到29%、37%和50%。到2050年，我國電力結(jié)構(gòu)將實現(xiàn)從煤電為主向非化石能源發(fā)電為主的轉(zhuǎn)換。

2 “十三五”煤電發(fā)展方向

雖然未來我國將大力發(fā)展非化石能源發(fā)電，但我國電源結(jié)構(gòu)以煤電為主的格局長期不會改變，中國燃煤發(fā)電的技術(shù)水平已經(jīng)躋身世界先進行列。截至2014年底，已投入運行的單機發(fā)電容量100萬千瓦的發(fā)電機組已經(jīng)超過70臺，躍居世界首位，機組發(fā)電效率超過45%；世界首臺100萬千瓦空冷機組在中國成功運行，全國已經(jīng)建成超過2億千瓦的空冷發(fā)電機組；世界首臺60萬千瓦超臨界循環(huán)硫化床（CFB）機組建成，還有大量35萬千瓦超臨界循環(huán)硫化床機組正在設計。

“十三五”期間我國將優(yōu)化發(fā)展煤電，未來幾年將重點推動綠色發(fā)電，推行煤電一體化開發(fā)，加快建設大型煤電基地；嚴格控制東部地區(qū)新建純凝燃煤機組，鼓勵發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)；大力推行潔凈煤發(fā)電技術(shù)，加快現(xiàn)有機組節(jié)能減排改造，因地制宜改造、關(guān)停淘汰煤耗高、污染重的小火電。全國煤電裝機規(guī)劃2020年達到11億千瓦，新增機組中煤電基地將占55%。

“十三五”期間，燃煤發(fā)電在技術(shù)上的重點發(fā)展方向主要有：一是高效節(jié)能發(fā)電技術(shù)，二是超低排放清潔煤電技術(shù)，三是高度節(jié)水煤電技術(shù)。其中700℃超超臨界發(fā)電、二次再熱發(fā)電、燃煤與生物質(zhì)混燒發(fā)電、CO2捕獲與封存、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）、大型CFB等技術(shù)將是技術(shù)攻關(guān)的重點。

3　“十三五”電廠自動化發(fā)展

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，我國電廠自動化，尤其是燃煤電廠的自動化已經(jīng)達到國際先進水平。“十三五”期間，信息化、智能化、數(shù)字化將是電廠自動化發(fā)展的主要方向。

3.1　分散控制系統(tǒng)的發(fā)展

分散控制系統(tǒng)（DCS）從誕生并應用于燃煤電廠開始，經(jīng)過20多年的發(fā)展，一直在不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新。未來5年，DCS將迎來一個新的發(fā)展時期，以下從五個層面談一下DCS的發(fā)展空間和發(fā)展趨勢。

首先從DCS最上層來看，一般電廠都有2臺或以上的機組，每臺機組都有1套DCS，DCS上面是電廠的全廠級，全廠級上面是發(fā)電集團級，從DCS上層來看主要有兩個方面：一方面是DCS與全廠級的控制、信息以及管理的融合，將來有較大發(fā)展空間；另一方面，就是和發(fā)電集團進行信息的交流，一個集團要管理很多DCS的大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、云處理，這是將來發(fā)展的另一個重要空間，這是第一層。

第二層是DCS的人機接口和人機界面，首先，人機接口從傳統(tǒng)的CRT，到現(xiàn)在的等離子、LED和大屏幕，隨著電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展，以后還會發(fā)生變化，比如現(xiàn)在固定的人機接口可能變成移動的人機接口，甚至可以通過移動終端對現(xiàn)場的設備直接進行調(diào)整和校驗；另外，人機界面也可以進一步優(yōu)化，今后界面將向人性化方面和簡潔化方面發(fā)展，畫面處理更加人性和簡化，這是第二層。

第三層是DCS的中間部分，該部分核心內(nèi)容就是控制器和運算模型，從火電廠來看，隨著各種新型高級算法的涌現(xiàn)，一些優(yōu)化模型不斷地出現(xiàn)，有節(jié)能型、節(jié)水型、減排型，也有綜合協(xié)調(diào)型，如何發(fā)揮好這些由大數(shù)據(jù)支撐的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，把國內(nèi)外比較流行的，包括燃燒、吹灰、給水、減排等優(yōu)化軟件集成到DCS里面，還有大量工作需要做。由于火電廠集成度很高，鍋爐、汽機之間的協(xié)調(diào)控制很復雜，因此需要相對集中控制，DCS中間的核心部分是無法取代的，這一塊將來的發(fā)展空間非常大。

第四層是網(wǎng)絡部分，網(wǎng)絡的發(fā)展有兩個方面，一個是DCS將來可能會更加地分散，分散度會更廣；另一方面，網(wǎng)絡的底層要和現(xiàn)場總線聯(lián)接，網(wǎng)絡的局部可能會和無線網(wǎng)絡和其他控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡聯(lián)接。

第五層是現(xiàn)場I/O卡件，該層次將來發(fā)展的目標是更加數(shù)字化和智能化，除了故障識別和報警外，甚至可以做到I/O卡件的自恢復、自診斷、自校正，獨立處理自身的事情，無須上層的處理器進行指揮和判斷。

3.2　現(xiàn)場總線技術(shù)的應用

新版《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》（GB50660-2011），在儀表與控制章節(jié)中，針對機組控制系統(tǒng)提到了：當技術(shù)經(jīng)濟論證合理時，可采用基于現(xiàn)場總線的DCS，可在現(xiàn)場儀表和設備層采用現(xiàn)場總線技術(shù)。針對輔助車間控制系統(tǒng)提到了：當技術(shù)經(jīng)濟論證合理時，可采用基于現(xiàn)場總線的可編程邏輯控制器系統(tǒng)或DCS，可在現(xiàn)場儀表和設備層采用現(xiàn)場總線技術(shù)。該國家標準為我國電廠大量采用現(xiàn)場總線技術(shù)起到了良好的引導作用，為“十三五”期間現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。

目前，國內(nèi)較大范圍應用現(xiàn)場總線技術(shù)并成功投入運行的電廠有：華能金陵電廠二期2×100MW機組工程、華能九臺電廠2×600MW機組工程、華能秦華電廠1×600MW機組工程、國電肇慶熱電公司2×350MW機組工程等。

以華能金陵電廠二期2×100MW機組工程為例，該工程在電廠主工藝系統(tǒng)中盡可能大范圍采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，但從機組安全、回路響應速度和技術(shù)經(jīng)濟各方面綜合分析，以下系統(tǒng)仍采用成熟的常規(guī)控制方式：

（1）對機組安全運行至關(guān)重要且回路處理速度要求高的鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）中涉及鍋爐本體保護的部分，汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）中涉及轉(zhuǎn)速、應力和負荷控制的基本控制部分，汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS），給水泵汽機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH），給水泵汽機緊急跳閘系統(tǒng)（METS）以及旁路控制系統(tǒng)（BPC）。

（2）機組事故順序記錄（SOE）要求有1ms的分辨率，仍采用專用SOE卡。

（3）鍋爐吹灰控制、循泵房、燃油泵房控制采用常規(guī)的DCS遠程I/O站。

（4）現(xiàn)場相對集中的溫度測點如爐膛壁溫、汽機和發(fā)電機本體溫度等測點，采用國產(chǎn)智能前端設備接入DCS。

“十三五”將是現(xiàn)場總線技術(shù)快速發(fā)展的時期，將有大量發(fā)電機組應用現(xiàn)場總線技術(shù)。今后除涉及安全保護、快速控制和SOE以外，其他儀表與控制系統(tǒng)都可以探討應用現(xiàn)場總線技術(shù)，包括輔助車間系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。

3.3　數(shù)字化電廠的實施

《火力發(fā)電廠信息系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)定》（DL/T5456-2012）對我國電廠的信息化工作進行了指導和規(guī)范，不僅對全廠信息化總體規(guī)劃和實施進行了約定，也分別對生產(chǎn)信息、管理信息、視頻監(jiān)視與視頻會議、門禁等功能進行了規(guī)定，推動了我國電廠信息化工作，為進一步建設數(shù)字化電廠打下了良好基礎。

“十三五”期間，我國將掀起建設數(shù)字化電廠的熱潮。建設數(shù)字化電廠，離不開兩個方面：一是建設電廠過程的數(shù)字化，二是電廠從上到下整體結(jié)構(gòu)的數(shù)字化。

首先是過程的數(shù)字化。數(shù)字化工廠的廣義概念是對工廠全生命周期過程的數(shù)字化，就電廠而言，包括設計、制造、建設施工、運行、管理和優(yōu)化、老化退役及殘值處理等生命周期各個階段的全過程。要實現(xiàn)過程的數(shù)字化，很重要的一項工作是數(shù)字化移交。數(shù)字化移交的范圍應囊括工程建設的依據(jù)性和管理性文件，如項目批復文件、工程勘測報告、工程設計文件、安裝工程文件、建筑工程文件、啟動與調(diào)試文件、設備文件、竣工圖以及驗收和結(jié)算等建設工程當中的全部相關(guān)文件。

另外是電廠結(jié)構(gòu)的數(shù)字化。電廠結(jié)構(gòu)的數(shù)字化分兩部分內(nèi)容：一是以電廠DCS為代表的所有儀表與控制系統(tǒng)的數(shù)字化，包括前面論述的DCS的發(fā)展以及現(xiàn)場總線技術(shù)的大規(guī)模應用，二是電廠信息系統(tǒng)的全面實施與應用。

摘自《自動化博覽》2015年11月增刊