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。
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?，F(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)?，F(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。
二、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，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)”?？刂朴玫臒o(wú)線技術(shù)主要有 GSM/GPRS（蜂窩）、 9OOMHz Radios、wi－Fi(）、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[l]。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Foxbor砰口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、出人口控制、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)采用西子SIMOCODE智能開關(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。
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 2×1000MW 級(jí)超超臨界機(jī)組、九臺(tái)電廠新建工程2×600MW 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(Electrio 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。值得禪明的是，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?？梢姴捎贸Ｒ?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 具有極佳的精度和誰(shuí)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)所推出的聲波式高溫計(jì)，采用超過(guò) 170dB的高能量聲波，在O-3500F（約1927℃ ）溫度范圍其測(cè)量精度在土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、多變量禍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)釣優(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，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Sercosm等眾多基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
三、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。
作者簡(jiǎn)介：
男，張晉賓 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。
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