火电厂自动化与仪器仪表发展综述

中国仪器仪表 ２００６ 年第 １１ 期
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（系统）效率、降低煤耗和厂用电率并减少人员的数量。 合自动化打下了基础。
决定自动化水平的条件，首先应研究机组在电网 ２．２ 控制模式
中的运行地位及对机组提出的运行要求，但这只是客
２０ 世纪 ５０ 年代初，电厂的机组容量小，因此在
观需要，能否实现关键在于机炉本身适应负荷变化的 锅炉与汽轮机附近设置仪表盘或控制盘，称为就地控
机组。同时还成套进口了 ９００￣１０００ＭＷ 的汽轮发电机组 范围除单元机组外，还包括输煤、除灰除渣、补给水
的电厂。随着主机组技术的发展，带动了配套专业技 处理、循环水供水系统等辅助车间的自动化。
术的前进，火电厂自动化技术是最为明显的技术之一。
本文重点简述 ５０ 年来火电厂自动化技术的发展和提高。 ２ 火电厂自动化技术的发展过程与现状
综述
火电厂自动化与仪器仪表发展综述
李子连（北京 １０００８８）
摘要：本文综述了 50 年来火电厂自动化发展的进程，概括了各时期的国情与为实现自动化所作的努力， 对现状和人们关心的问题 SIS 及现场总线作了阐述，并对一些主要名词提出明确的概念。
关键词：火电厂自动化 发展 建议
自 １９５３ 年我国开始第一个五年计划建设至今已有 机的电动机已是热力生产过程控制中不可分割的部分。
１９５８ 年，北京高井电站，安装当时单机容量最大
所能供应的仪表和控制设备品种、质量而变化的。８０ 的 １００ＭＷ 汽轮机，热力系统按单元制设计。考虑到炉、
年代，根据当时国情，我国火电厂自动化只能是“中 机、电已成为一个整体的特点，自动化系统设计中提
档水平”。
出两台机组在一个控制室进行集中控制的方案，按机
能力和它具有的可控性；其次就是仪表和控制设备的 制，以满足锅炉、汽轮机起停、正常运行的要求。热
性能和质量，能否达到预期的效果又取决于电厂设计 力、电气系统为母管制，发电机主变压器等控制则在
方案的正确、电厂的运行、维护技术水平和管理制度。 “主控制室” 内进行。
自动化水平是随着机组容量、参数的变化和当时
组）也在试用 ＤＣＳ 的基础上，纳入全厂的 ＤＣＳ 功能中 ２．３ 自动调节与控制对象
（简称 ＥＣＳ）；部分火电厂的自动化水平已跻身到世界 ２．３．１ 自动调节设备
先进水平的行列。
在 ２０ 世纪 ５０ 年代初期，锅炉、汽轮机容量都很
进入 ２１ 世纪后，在完善单元机组自动化的基础 小，系统简单，只有少量的简单直接作用式自动调节，
程的检测与控制设计。
化系统设计的完善程度；施工安装质量；电厂运行维
２０ 世纪 ６０ 年代，随着机组容量的增大和中间再 护水平及人员素质的综合体现。
热机组的出现，其热力系统普遍改为单元制，即一炉
电厂自动化系统是为机组运行服务的，主要目的
对一机的系统，热力生产过程中驱动风机、水泵等辅 是保证电厂的安全、经济运行、减少事故、提高设备
在原苏联技术的支持下，不断创新生产出高温高压 国依巴斯 Ｃｏ． 设计中，华东、西北电力设计院也将电
（１０￣１４ＭＰａ、５５０℃）的 ５０ＭＷ、１００ＭＷ、２００ＭＷ 汽轮发电 动机二次线并入热工控制专业；９０ 年代在我国应用分
机组；８０ 年代又在美国技术的支持下，生产出亚临界 散控制系统（ＤＣＳ）成功之后，开始试点将电气部分
计建设的电站多属此类。
元制机组也采用了集中控制设计。１９９２ 年 １ 月，能源
（２）８０ 年代中后期建设的电站，除常规仪表外， 部颁发了“关于新型电厂实行新管理办法的若干意
采用计算机完成 ＤＡＳ 功能和组件组装仪表完成 ＭＣＳ 功 见”，重申两台单元机组在一个集控室实现炉机电集
能，保护功能较为完善，但主辅机的可控性没有明显 中控制，明确了管理体制并提出了新的定员标准和人
别极重要的按钮和仪表。９０ 年代末期，对前述（１）、 电气网络监控系统的统一管理。这种模式值得同时建
（２） 类水平的电站进行技术改造，大量运用 ＤＣＳ 实现 设相同型式容量的多台机组借鉴，但要认真解决建设
检测与控制，主辅机可控性也有明显提高，自动保护 期内运行与安装的矛盾；运行期内，运行与检修的矛
投入率可达到 １００％；电厂电气部分（发电机～变压器 盾等。
７０ 年代末，仪表部门研制了组件组装仪表 ＴＦ－９００ （上海）和 ＭＺ－Ⅲ（西安）。组装仪表的特点是功能组 件化，选择功能组件可以组成较复杂的控制系统。但 是由于电子元器件质量不好，容易损坏，造成自动调 节系统失灵，使许多自动调节不能投入自动。１９８２ 年 上海福克斯波罗有限公司生产的 ＳＰＥＣ－２００ 组装仪表， 由于元器件来自美国，且生产过程中有严格的质量管 理，经过在陡河电厂 ２００ＭＷ 机组中试用证明，可以满 足大机组（３００ＭＷ 及以上）的控制要求。
自动保护投入率高。
制室） 的模式，第一台机组已于 ２００５ 年 １２ 月投产发
进入 ９０ 年代，ＤＣＳ 在火电站试用中证明可靠性高， 电。“四机一控”与“两机一控” 相比，运行人员的
取得运行人员的信赖。因此，在新建机组中普遍采用 配备可减少 ２０ 人以上，且便于值长的运行管理和统
ＤＣＳ，并逐步减少常规仪表及硬手操设备，只保留个 一指挥，同时又利于公用系统如燃油、消防、暖通、
２０ 世纪 ７０ 年代从前苏联进口的大型锅炉安装有
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由锅炉厂成套供应的锅炉炉膛火焰监视器，当发生灭 ＤＡＳ 和 ＭＣＳ 于一机的集中式监控系统，ＳＣＳ 则采用干簧
火时，需要停止锅炉运行。但实际运行中大多数火焰 继电器组成，与当时美国等开展的工作基本同步。因
过去国内生产的主辅机，由于供不应求，对产品 质量特别是可控性问题，几乎无人过问，造成机组投 产后，许多自动控制项目长期不能投用，影响大型火 电机组热工自动化中档水平的实现，近年来在引进国 外主机制造技术的帮助下，国内生产的主辅机的可控 性有了明显的改进，为提高电厂自动化水平打下了好 的基础。
目前，主机已从亚临界提高到超临界参数，从汽 包炉发展到直流炉；为适应环保和燃用劣质煤的要求， 已生产出 １０００ｔ／ｈ 循环流化床锅炉，正在白马电厂进 行试用，这些是今后推广应用的主力机组。 ２．４ 汽轮机控制系统
５０ 余年，目前，“十一”五计划正在执行中。五十年 热工自动化系统设计包括电动机在内的具有整体性的
来，我国火电技术的发展和进步非常快。以火电厂主 设计。
机组来说，２０ 世纪 ５０ 年代初，从我国制造出第一台
２０ 世纪 ７０ 年代，进口机组已将发电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ变压器组
中温中压（４ＭＰａ、４５０℃）的 ６ＭＷ 汽轮发电机组开始， 纳入单元机组自动化系统设计中；８０ 年代，在学习美
上，逐步应用厂级监视信息系统（ＳＩＳ），提高电厂的 如锅炉汽包的水位调节。随着机组容量的增大，参数
经济运行水平，以适应“厂网分开、竞价上网”的要 的提高和采用煤粉燃烧后，对自动调节的要求也就提
求，使电厂自动化水平得以进一步提高，为实现其综 高了，自动调节项目增多，除汽包水位调节外，还有
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燃料、风量、炉膛负压、汽温等。但实际投入自动的 多为汽包水位和炉膛负压调节，其他项目很难投入， 自动投入率在 ４０％￣６０％。
长期造成自动调节投入率低的原因有两个：其一 为自动调节设备落后，质量差；其二是控制对象的可 控性差。
５０ 年代中，主要应用的调节设备是从前苏联进口 的机械式调节器 ，后来改为电子式调节器 。仪 表部门参考 研制采用统一信号制的ＤＤＺ－Ｉ（０￣１０ｍＡ） 和 ＤＤＺ－Ⅱ、ＤＤＺ－Ⅲ（４￣２０ｍＡ） 型电动单元组合仪表， 气动单元组合仪表 ＱＤＺ（０．２￣１ＭＰａ 气压信号）。ＤＤＺ 型 仪表虽比 有所进步，但仍只能执行 ＰＩＤ 调节规律， 很难适应复杂调节对象的要求。
（１７ＭＰａ、５５０℃）的 ３００ＭＷ、６００ＭＷ 汽轮发电机组；进 的检测控制纳入 ＤＣＳ 中，因此原来仅限于热力生产过
入 ２１ 世纪以来，在与国外厂商技术合作的前提下，生 程的热工自动化逐步转变到包括发电机变压器组在内
产出超临界（２４ＭＰａ、５５０￣５７０℃）的 ６００ＭＷ 汽轮发电 的全发电过程的检测与控制，改称“电厂自动化”。其
８０ 年代中期，以微机为基础的分散控制系统（ＤＣＳ） 进入国内电站，很快解决了长期存在的自动调节设备 问题。由于 ＤＣＳ 采用大规模集成电路，提高了可靠性； 并且用软件编程的方式，可以实现复杂对象的各种调 节规律，还可与保护、连锁条件互连，大大提高了控 制系统的功能，经试点后很快得以推广，成为今天的 主要控制设备。 ２．３．２ 控制对象
监测器是不灵的，因此停炉保护从未用过，再加上当 这种方案很难满足机组安全运行的要求，故配备了全
控制对象系指主机和辅机。它能在什么范围内承 受和适应各个主要参数的控制作用量及其控制的能力， 一般称为可控性，如锅炉的过热器受热面的大小，回 转空予器的漏风情况，给粉（煤） 机、给水泵的调速 特性，调节阀门、挡板的调节性能，摆动火嘴的灵活 程度，轻重油枪、吹灰器的伸缩自如性和电磁阀开闭 的可靠性等，都直接影响自动控制系统正常运行与事 故处理。
改进；
员的素质要求，同时给与相关的政策支持。
（３）８０ 年代成套进口的电站，采用计算机进行监
进入 ２１ 世纪以来，国华浙江宁海电厂一期工程建
测，部分自动调节采用了以微机为基础的 ＤＣＳ，大量 设 ４×６００ＭＷ 机组，经过充分的技术经济比较后，采用
的常规仪表和操作设备仍保留，但主辅机的可控性好， 了“四机一控”（即 ４ 台机组的控制盘布置在一个控
我国火电厂 ２００ＭＷ 及以上机组的自动化水平的发 电值班员、锅炉值班员方式配置控制盘，运行、检修
展，概括起来可分为 ３ 类：
分场分别负责机组的运行与检修。高井电站的实践证
（１）以常规仪表组成监视控制系统，但主辅机可 明，集中控制方式有利于炉机电之间的联系，便于机
控性差，自动保护投入率低，２０ 世纪 ７０ 年代前后设 组起停、事故处理和正常负荷的调节。同时全国的单
汽轮机是高速（３０００ｒｐｍ）旋转机械，必须有灵敏 可靠的调节系统，保证带负荷时在额定转速下运行； 并有可靠保安系统。２０ 世纪 ５０ 年代中小容量机组采 用的是机械液压调速系统，同时配有危急保安器，在 转速超过危险值时，自动停止汽轮机的运行。６０ 年代 开始研发 ２００ＭＷ 汽轮机时，提出了电调控制系统，为 确保汽轮机运行，此时的电调系统与机械液压系统同 时存在，限于当时电气元件质量长期存在问题，因此 实际运行中电调部分很少使用而是机械液压调节系统 控制汽轮机的运行。７０ 年代，在研制 ６００ＭＷ 机组时， 同时研发采用高压抗燃油、组件组装仪表的模拟式电 液调节系统（ＡＥＨ）。８０ 年代，从美国西屋电气公司进 口 ３００、６００ＭＷ 汽轮机制造技术，而在汽轮机转让技术 中没有包括汽轮机的电调系统。１９８３ 年，上海发电设 备成套研究所组建采用以计算机为核心的数字电液控 制 系 统 （ＤＥＨ） 国 产 化 研 发 中 心 ， 专 业 研 究、 试 制 与 生产 ３００、６００ＭＷ 机组的数字电调 ＤＥＨ。第一台引进技 术的 ３００ＭＷ 机组在湖北汉川电厂试用时，同时使用了 第一台纯电调系统，这是我国汽轮控制系统发展的一 个大飞跃。在 ９０ 年代多次试用、试验，确认国内制 造的纯电调可靠之后，很快得到推广。９０ 年代末期， 在老厂大机组技术改造中，普遍采用了纯电调系统取 代原来的电液并存系统，大大提高了汽轮机的调节特 性。 ２．５ 锅炉炉膛燃烧监视及安全保护
２．１ 电厂自动化水平
１ 从热工自动化到“电厂自动化”
自动化对火力发电厂而言，是热力生产过程与电
自动化水平（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｅｖｅｌ）是指对一个电厂 生产过程实现自动控制所达到的程度。其中包括参数
力发电过程控制的总称，某些国家称为“仪表与控制” 检测与数据处理（ＤＡＳ）、自动控制（ＭＣＳ）、顺序控制
（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ 简称 Ｉ＆Ｃ）。
（ＳＣＳ）、报警和联锁保护等系统，最终体现在机组效
１９５３ 年，依据前苏联的经验，在电力设计院机务 率、值班员的数量和所能完成的功能上。火电厂自动
设计室内设“仪表组”，主要负责火电厂热力生产过 化水平是主辅机可控性；仪表及控制设备质量；自动