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“十三五”电厂自动化发展的焦点

发布时间:2018-02-09 16:34:18

作者简介

许继刚(1964-),男,博士研究生毕业,国家新世纪百千万人才工程国家级人选,国务院政府特殊津贴专家,原中国电力工程顾问集团公司副总工程师、特级专家,现任中国能源建设集团工程研究院副院长,兼任电力行业热工自动化与信息标准化委员会副主任、电力行业热工自动化技术委员会副主任、中国自动化学会发电自动化专委会副主任、中国电机工程学会热工自动化专委会副主任、中国仪器仪表学会自控工程设计委员会主任。担任《大中型火力发电厂设计规范》编制组副组长,《火力发电厂信息系统设计技术规定》编制组组长。

1 “十三五”电力发展预测

在中国经济步入新常态后,作为主要能源行业之一的电力行业将迎来新的发展时期。根据中电联年度快报统计,截至2014年底,全国发电装机容量为13.6亿千瓦,同比增长8.7%,其中非化石能源发电装机容量4.5亿千瓦,占总装机容量比重为33.3%。2014年,全国发电量5.55万亿千瓦时,同比增长3.6%,其中非化石能源发电量1.42万亿千瓦时,同比增长19.6%;非化石能源发电量占总发电量比重自新中国成立以来首次超过25%,达到25.6%,同比提高3.4%。

在非化石能源发电装机中,全国水电装机容量3.0亿千瓦(其中抽水蓄能2183万千瓦),同比增长7.9%。全国并网风电装机容量9581万千瓦,同比增长25.6%。全国并网太阳能发电装机容量2652万千瓦(绝大部分为光伏发电),同比增长67.0%。

尽管非化石能源在中国的发展速度非常快,但中国目前的发电主要还是靠火电,截至2014年底,全国火电装机容量9.2亿千瓦,同比增长5.9%,占总装机容量比重为66.7%,其中煤电8.3亿千瓦,同比增长5.0%;气电5567万千瓦,同比增长29.2%。根据中电联预测,全国发电装机到2020年需要19.6亿千瓦左右,2030年需要30.2亿千瓦左右,2050年需要39.8亿千瓦左右。

其中,非化石能源发电所占比重逐年上升,2020年、2030年和2050年发电装机占比分别达到39%、49%和62%,发电量占比分别达到29%、37%和50%。到2050年,我国电力结构将实现从煤电为主向非化石能源发电为主的转换。

2 “十三五”煤电发展方向

虽然未来我国将大力发展非化石能源发电,但我国电源结构以煤电为主的格局长期不会改变,中国燃煤发电的技术水平已经跻身世界先进行列。截至2014年底,已投入运行的单机发电容量100万千瓦的发电机组已经超过70台,跃居世界首位,机组发电效率超过45%;世界首台100万千瓦空冷机组在中国成功运行,全国已经建成超过2亿千瓦的空冷发电机组;世界首台60万千瓦超临界循环硫化床(CFB)机组建成,还有大量35万千瓦超临界循环硫化床机组正在设计。

“十三五”期间我国将优化发展煤电,未来几年将重点推动绿色发电,推行煤电一体化开发,加快建设大型煤电基地;严格控制东部地区新建纯凝燃煤机组,鼓励发展热电联产;大力推行洁净煤发电技术,加快现有机组节能减排改造,因地制宜改造、关停淘汰煤耗高、污染重的小火电。全国煤电装机规划2020年达到11亿千瓦,新增机组中煤电基地将占55%。

“十三五”期间,燃煤发电在技术上的重点发展方向主要有:一是高效节能发电技术,二是超低排放清洁煤电技术,三是高度节水煤电技术。其中700℃超超临界发电、二次再热发电、燃煤与生物质混烧发电、CO2捕获与封存、整体煤气化联合循环(IGCC)、大型CFB等技术将是技术攻关的重点。

3 “十三五”电厂自动化发展

随着电子技术和计算机技术的飞速发展,我国电厂自动化,尤其是燃煤电厂的自动化已经达到国际先进水平。“十三五”期间,信息化、智能化、数字化将是电厂自动化发展的主要方向。

3.1 分散控制系统的发展

分散控制系统(DCS)从诞生并应用于燃煤电厂开始,经过20多年的发展,一直在不断地进行技术创新。未来5年,DCS将迎来一个新的发展时期,以下从五个层面谈一下DCS的发展空间和发展趋势。

首先从DCS最上层来看,一般电厂都有2台或以上的机组,每台机组都有1套DCS,DCS上面是电厂的全厂级,全厂级上面是发电集团级,从DCS上层来看主要有两个方面:一方面是DCS与全厂级的控制、信息以及管理的融合,将来有较大发展空间;另一方面,就是和发电集团进行信息的交流,一个集团要管理很多DCS的大量数据,对数据进行分析、云处理,这是将来发展的另一个重要空间,这是第一层。

第二层是DCS的人机接口和人机界面,首先,人机接口从传统的CRT,到现在的等离子、LED和大屏幕,随着电子产品的不断发展,以后还会发生变化,比如现在固定的人机接口可能变成移动的人机接口,甚至可以通过移动终端对现场的设备直接进行调整和校验;另外,人机界面也可以进一步优化,今后界面将向人性化方面和简洁化方面发展,画面处理更加人性和简化,这是第二层。

第三层是DCS的中间部分,该部分核心内容就是控制器和运算模型,从火电厂来看,随着各种新型高级算法的涌现,一些优化模型不断地出现,有节能型、节水型、减排型,也有综合协调型,如何发挥好这些由大数据支撑的优化数据模型,把国内外比较流行的,包括燃烧、吹灰、给水、减排等优化软件集成到DCS里面,还有大量工作需要做。由于火电厂集成度很高,锅炉、汽机之间的协调控制很复杂,因此需要相对集中控制,DCS中间的核心部分是无法取代的,这一块将来的发展空间非常大。

第四层是网络部分,网络的发展有两个方面,一个是DCS将来可能会更加地分散,分散度会更广;另一方面,网络的底层要和现场总线联接,网络的局部可能会和无线网络和其他控制系统的网络联接。

第五层是现场I/O卡件,该层次将来发展的目标是更加数字化和智能化,除了故障识别和报警外,甚至可以做到I/O卡件的自恢复、自诊断、自校正,独立处理自身的事情,无须上层的处理器进行指挥和判断。

3.2 现场总线技术的应用

新版《大中型火力发电厂设计规范》(GB50660-2011),在仪表与控制章节中,针对机组控制系统提到了:当技术经济论证合理时,可采用基于现场总线的DCS,可在现场仪表和设备层采用现场总线技术。针对辅助车间控制系统提到了:当技术经济论证合理时,可采用基于现场总线的可编程逻辑控制器系统或DCS,可在现场仪表和设备层采用现场总线技术。该国家标准为我国电厂大量采用现场总线技术起到了良好的引导作用,为“十三五”期间现场总线技术的发展奠定了基础。

目前,国内较大范围应用现场总线技术并成功投入运行的电厂有:华能金陵电厂二期2×100MW机组工程、华能九台电厂2×600MW机组工程、华能秦华电厂1×600MW机组工程、国电肇庆热电公司2×350MW机组工程等。

以华能金陵电厂二期2×100MW机组工程为例,该工程在电厂主工艺系统中尽可能大范围采用了现场总线技术,但从机组安全、回路响应速度和技术经济各方面综合分析,以下系统仍采用成熟的常规控制方式:

(1)对机组安全运行至关重要且回路处理速度要求高的锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)中涉及锅炉本体保护的部分,汽机数字电液控制系统(DEH)中涉及转速、应力和负荷控制的基本控制部分,汽机本体紧急跳闸系统(ETS),给水泵汽机电液调节系统(MEH),给水泵汽机紧急跳闸系统(METS)以及旁路控制系统(BPC)。

(2)机组事故顺序记录(SOE)要求有1ms的分辨率,仍采用专用SOE卡。

(3)锅炉吹灰控制、循泵房、燃油泵房控制采用常规的DCS远程I/O站。

(4)现场相对集中的温度测点如炉膛壁温、汽机和发电机本体温度等测点,采用国产智能前端设备接入DCS。

“十三五”将是现场总线技术快速发展的时期,将有大量发电机组应用现场总线技术。今后除涉及安全保护、快速控制和SOE以外,其他仪表与控制系统都可以探讨应用现场总线技术,包括辅助车间系统和电气系统。

3.3 数字化电厂的实施

《火力发电厂信息系统设计技术规定》(DL/T5456-2012)对我国电厂的信息化工作进行了指导和规范,不仅对全厂信息化总体规划和实施进行了约定,也分别对生产信息、管理信息、视频监视与视频会议、门禁等功能进行了规定,推动了我国电厂信息化工作,为进一步建设数字化电厂打下了良好基础。

“十三五”期间,我国将掀起建设数字化电厂的热潮。建设数字化电厂,离不开两个方面:一是建设电厂过程的数字化,二是电厂从上到下整体结构的数字化。

首先是过程的数字化。数字化工厂的广义概念是对工厂全生命周期过程的数字化,就电厂而言,包括设计、制造、建设施工、运行、管理和优化、老化退役及残值处理等生命周期各个阶段的全过程。要实现过程的数字化,很重要的一项工作是数字化移交。数字化移交的范围应囊括工程建设的依据性和管理性文件,如项目批复文件、工程勘测报告、工程设计文件、安装工程文件、建筑工程文件、启动与调试文件、设备文件、竣工图以及验收和结算等建设工程当中的全部相关文件。

另外是电厂结构的数字化。电厂结构的数字化分两部分内容:一是以电厂DCS为代表的所有仪表与控制系统的数字化,包括前面论述的DCS的发展以及现场总线技术的大规模应用,二是电厂信息系统的全面实施与应用。

摘自《自动化博览》2015年11月增刊