火电厂主副机与辅助设备顺序控制系统分析

郝智博

（山西阳煤集团西上庄低热值煤热电有限公司 山西省阳泉市 045000）

火电厂是以石油、天然气、煤炭、化工尾气等为燃料，通过燃料燃烧取得热能，并借助各种设备、经过一系列物理化学反应，将热能转化为电能。火电厂生产中所使用的主要设备包括锅炉、汽轮机以及发电机，辅助设备包括磨煤机、烟囱、各种水泵、加热器、冷凝器、除氧器、各种量测设备以及控制设备。顺序控制系统的主要作用是对发电厂各种生产设备的启停进行控制，在确保火电厂生产安全、稳定方面发挥着重要的作用。

1 火电厂生产流程

目前，火电厂可分为内燃机发电厂、燃气轮机发电厂、蒸汽动力发电厂等不同的类型。虽然不同类型火电厂的生产工艺有着一定的差异，但从能量转换角度考虑，其生产过程基本相同，即将燃料的化学能转变为电能。火电厂的生产流程主要包括三个阶段：

（1）燃烧系统。燃料在锅炉中进行燃烧，从而将燃料的化学能转变成了热能，锅炉中的水被加热，变成了蒸汽。燃烧系统又可以分为输煤系统、磨煤系统、锅炉与燃烧系统、风烟系统以及灰渣系统等。如图1 所示。

（2）汽水系统。锅炉中的过热蒸汽进入到汽轮机之后，带动汽轮机旋转，从而将热能转化成了机械能。汽水系统又可以分为给水系统、再热系统、冷却水系统、补水系统、回热系统。所使用的机械设备主要包括汽轮机、锅炉、加热器、除氧器、凝汽器以及各种管道。如图2 所示。

（3）电气系统。汽轮机旋转产生的机械能带动发电机发电，从而将机械能转化成了电能。电气系统又可以分为励磁装置、升压变电所、厂用电系统以及发电机等。如图3 所示。

2 火电厂主副机与辅助设备顺序控制的含义

顺序控制指的是，火电厂生产中，对某大型主设备及其相关辅助设备群、某工艺系统的启动、运行、停止中的事故处理，按照提前设定好的数据、时间等序列，进行自动控制。火电厂生产过程中，应用顺序控制技术，对大型单元机组的主副机与辅助设备的启停、事故处理进行有效控制，是确保机组安全稳定运行的前提所在。火电厂生产中所使用的主要设备包括锅炉、汽轮机以及发电机。副机与辅助设备、系统主要包括两部分：一是是直接从属于燃烧系统、汽水系统的辅机设备、系统，其运行情况对锅炉、汽轮机、发电机的实际运行情况产生着直接的影响，包括制粉、烟风、给水、燃油、发电机氢油水、汽轮机油与汽等设备、系统，大多数设置在锅炉、汽轮机主厂房中，统称为副机或副机系统；二为保障火电厂连续生产提供必要的设备、系统，如除渣除灰、化学水处理以及燃料输运等设备、系统，通常设置在主厂房之外，一些与主厂房的距离较远，统称为辅助设备、系统。

3 几种火电厂主副机与辅助设备顺序控制系统

图1：火电厂燃烧系统

图2：火电厂汽水系统

图3：火电厂电气系统

国外顺序控制系统的应用起始于20 世纪50年代中期，至50年代后期，其控制范围仅为局部系统或部分主要辅机设备。我国在上世纪60年代中期开始研究顺序控制系统，随后，越来越多的设备、系统被纳入顺序控制系统的范围。21 世纪初期，国内外在顺序控制系统领域取得了良好的发展，已经覆盖大型单元机组的主副机与几乎所有辅助设备。顺序控制系统采用的硬件，由固态元器件、矩阵板、继电器等发展到以微处理器为核心的程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及更为先进的分散控制系统（Distributed Control System，DCS）。而现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）的产生与应用，为推动顺序控制系统的发展提供了良好的思路。顺序控制系统的功能也由设备间简单联锁、少数小系统的局部顺序控制，发展为多级层次结构、各子系统与子功能有机协调运行的大型控制系统。

3.1 PLC

我国在20 世纪80年代以来便陆续从国外引进大型火电机组及其自动控制系统。PLC 顺序控制系统是其中的一个具有较高应用价值的自动控制系统。元宝山电厂是从20 世纪80年代开始投产，其便采用了600MW 的进口机组，并配合使用西门子SIMATIC-S5-110F 型PLC，组成的锅炉保护、油燃烧器顺序控制系统，达到了子功能组级、保护、驱动级顺序控制。采用由REC=70 组件仪表、TURBODEM 型PLC 构成的汽轮机控制系统，从而使汽轮机实现了自启动。

我国引进了火电机组与PLC 之后，很多生产厂也开始销售PLC、生产PLC，为国内以PLC 为核心硬件的顺序控制系统的研发提供了良好的保障。西安热工所在1984年便在美国MODICON M-84 型PLC 的基础上开发出了锅炉补给水处理顺序控制系统，该顺序控制系统在1987年投运成功，在首阳山电厂2×200MW 机组中得到了应用。航天部210 所、西北电力设计院共同合作，在美国MODICON M-84 型PLC 的基础上开发出了输煤顺序控制系统，在石横电厂投运成功。20 世纪80年代末至90年代，PLC 几乎占领了火电厂所有辅助设备顺序控制系统，如捞渣、除灰、除渣、吹灰等。大连电厂、华能福州等在1987～1989年期间，在日本三菱重工350MW 机组基础上，建立了以PLC、PDP-11/73 小型计算机组成的锅炉、汽轮机辅机顺序控制系统。锅炉、汽轮机两侧各使用1 台PLC，型号为OMRON C2000，建立了功能组级、驱动级，在机组管理级的一台PDP-11/73 中设计了机组协调级功能，拟自动控制机组从烟风系启动至机组带50%负荷及机组降负荷至锅炉、汽轮机停运的全过程，设置12 个断点分段投运或操作一个按钮全自动运行。

20 世纪80～90年代，我国火电厂顺序控制领域被PLC 所占据的原因，一是因为国外DCS 得到了推广应用，二是因为国内火电厂主副机与辅助设备的控制，正在由手动操作朝着自动控制的方向转型。鉴于此，这个阶段的顺序控制系统，一般设计了自动、手动双重手段与功能。例如，大连、福州电厂在主控室控制台上设置了机组协调级功能启停按钮、顺序控制功能组，同时还设置了模拟屏，每个重要设备在模拟屏上都有对应的手动启停按钮及手动、自动切换开关。从操作监视方面来看，PLC 顺序控制系统的人机界面，与传统操作台（盘）类似，均是通过开关、按钮等来发出控制指令，并用用光字、指示灯、模拟屏等对工艺过程、设备状态进行监视。但与传统操作台（盘）相比，PLC 顺序控制系统在应用软件开发方面取得了明显的进度，也就是应用了编程器，采取语句、图形的方式进行编程，同时，编程器还具有在线修改、模拟、监视等功能，从而使得顺序控制功能开发、维护、调试等取得了新的发展。

3.2 DCS

DCS 在20 世纪80年代末至90年代在我国得到了迅速发展与推广应用。在这个阶段我国新建的300MW 以上机组采用的主控制系统、监视系统基本是DCS。且其他机组在改造控制系统的时候也是应用DCS。PLC 与DCS 的主要区别是前者是面向对象，而后者是面向系统。因此，DCS 更加适合作为火电大型机组主副机与系统管理及控制。DCS 有机结合了当时最先进的技术，包括CRT 显示、通信技术、控制技术以及计算机技术等，具有人机界面友好的优势，尤其是在监视界面、运行操作界面采用了水表、键盘、CRP 画面，火电厂主副机及辅助设备、系统的顺序控制无需另外配置PLC 顺序控制装置或其他硬件构建的顺序控制装置，便可以融入DCS。

岳阳电厂、南通电厂、上安电厂陆续在1989～1990年期间引进了美国贝利公司NETWORK-90系统作为300MW及以上机组锅炉、汽轮机主副机顺序控制系统。此后，我国电厂陆续引进了多种国外DCS，如日被CENTUM、HIACS-3000，美国WDPF、MOD=300、I/A 系列、INFI-90 等。这些DCS 控制系统中，包括了锅炉、汽轮机辅助系统的顺序控制，有的还可以实现汽轮机自启停。

不同DCS 在实现机组顺序控制的时候，采取的配置、方法均有一定的差异，但均是采用了分级层次结构。DCS 顺序控制系统主要分为机组协调级、功能组级、子功能组级以及驱动级4 级。子功能组级、驱动级在我国已经广泛应用，目前我国正在致力于加大对机组协调级、功能组级的研究。

3.3 FCS

国外是在20 世纪80年代末开始对现场总线的标准规范及产品进行研发，并产生了FCS。我国火电厂是从20 世纪初开始引进、使用FCS。如，FOXBOB 公司的I/A 系列DCS，I/O 模件、驱动级、子功能组级以上控制器之间为现场总线连接，遵循IEEE1118 协议标准，在常熟电厂30MW 机组控制与监视系统改造中得到了应用。西门子S7 系列PLC 能够构建L2-DP 网络，遵循PROFIBUS 协议标准，在广安电厂得到了应用。Alspa P320 系统，遵循WorldFIP协议标准，在洛河电厂得到了应用。

4 结语

综上，火电厂燃烧系统、汽水系统、电气系统的运行，依赖于主副机与辅助设备的有序运行。目前，火电厂主副机与辅助设备顺序控制系统主要分为PLC、DCS、FCS 三种类型，为实现火电厂的生产效率，必须不断对主副机与辅助设备顺序控制系统进行优化、创新。