科研成果

火电行业重大工程自动化成套控制系统

发布时间:2015-12-24 17:23


一、概述

大容量超超临界燃煤发电技术具有节能、减排的巨大优势,已成为国内外火力发电技术发展的方向,其控制系统也被称为机组的“大脑”与“神经中枢”。2010年之前,我国已建成的1000MW超超临界机组自动控制系统全部采用国外装备与技术。在此背景下,实验室承担了国家863计划重点项目“火电行业重大工程自动化成套控制系统”研究任务,针对1000MW超超临界机组大规模复杂生产过程运行控制的特点与难点,立足于自主化和国产化,扩展传统分散控制系统(DCS)、厂级监控信息系统(SIS)、全激励仿真系统(SIM)的功能,提升各系统及优化控制策略的性能,以网络化、集成化、智能化为目标,研发了各功能高度协作运行的自动化成套控制系统,适应我国大容量、高参数超超临界机组对高性能、经济性的运行控制要求。

二、系统介绍

本系统包括分散控制系统(DCS)、厂级监控信息系统(SIS)、全激励仿真系统(SIM)等成套控制系统装备的自主研发,同时包括系统建模、控制优化、运行管理等成套应用软件的开发,通过典型示范工程应用,掌握大型超超临界火电机组自动化成套控制系统的核心技术,实现重大装备国产化,提升我国在本领域的国际竞争力。

系统首次在我国1000MW超超临界机组上获得成功应用,实现了1000MW超超临界机组自动化成套控制系统设计、制造以及运行维护技术的自主化、国产化。该系统支持100个域、120万标签点,实时/历史数据库可实现500万点容量。


三、系统创新

该研究依托国电谏壁发电厂新建1000MW超超临界机组,取得了以下创新成果:

(1)针对1000MW超超临界机组大规模复杂生产过程运行控制的特点与难点,开发了具有大规模快速处理能力和高可靠性的分散控制系统(DCS),具有超超临界机组运行优化管理与决策功能的厂级监控信息系统(SIS),具有控制策略研究功能的全激励仿真系统(SIM),具有适应大范围负荷变化及煤质变化的优化控制策略。研发了多信息系统互联与融合的体系结构,构成各功能高度协作运行的自动化成套控制系统。该系统采用统一的软硬件运行环境、统一的通讯协议及统一的数据信息描述模型,大大增强了DCS、SIS、SIM和优化控制策略的整体协调性,保障了机组在各种运行方式下的高性能、高效运行。

(2)开发了一种基于分布式实时数据库和分布式计算环境的柔性分域技术,使得自动化成套控制系统的域可以运行于各种拓扑结构的系统网络上,与网络的硬件和形式无关,也不需要专门的实时数据服务器,同时使得域可以在线进行动态调整与增减。自动化成套控制系统分域后,有效分解了生产过程的监控规模,减少了不同子生产过程的监控耦合,实现了生产过程的模块化监控。这一柔性分域技术有效提升了DCS的分域简洁性、功能可扩展性以及系统可靠性。

(3)建立了1000MW超超临界机组热经济状态方程,提出了主蒸汽压力、烟气含氧量及凝汽器真空的节能最优定值计算方法,基于自主研发的大型实时/历史数据库系统,形成一套实现机组优化运行管理的决策支持系统,为机组实现基于经济性指标的优化控制提供了依据。

(4)建立了超超临界机组锅炉水冷壁变相变点仿真模型,有效解决了锅炉临界区附近难以精确建模的问题,提高了超超临界机组仿真模型精度,基于项目研发的虚拟DCS,实现了机组全工况下的全激励仿真。该仿真系统的控制组态可与机组DCS控制组态双向移植,为机组DCS控制系统设计与控制参数优化提供了新的手段。

(5)建立了1000MW超超临界机组非线性控制模型,提出煤质作功能力在线监测与补偿控制、锅炉蓄热智能补充控制、控制系统全工况变增益控制、协调控制系统参数鲁棒寻优等方法,研发出适应机组大范围变负荷运行以及煤质变化的1000MW超超临界机组协调控制策略并投入使用,机组主要参数控制精度与变负荷工况下的控制响应速率优于国家电网公司“两个细则”规定的指标,实现了大比例的劣质煤掺烧,为机组长期安全、稳定和经济运行奠定了基础。


四、系统应用

该系统于2011年12月通过中国电机工程学会组织的专家鉴定。鉴定意见认为:系统具有设计思想先进、功能齐全、可靠性高等特点,整体技术达到国际先进水平,其中DCS柔性分域技术以及SIM与DCS的控制策略双向移植技术达到国际领先水平。该成果缩小了我国在工业自动化领域与国际先进水平的差距,对促进电力行业科技进步,提升火力发电技术经济水平,打破国外产品的市场垄断,保障我国能源电力运行安全,具有十分重要的意义。该系统已在国内10台同类机组上得到推广应用,取得了显著的社会经济效益,获得2012年中国国电集团科技进步一等奖。

五、应用效果

截至2012年6月,该系统已在国内10台同类机组上得到推广应用,取得了显著的社会经济效益。

经济效益:

该系统应用于国电谏壁发电厂1000MW超超临界机组,机组负荷响应速率达2%以上,支持劣质煤掺烧比例可高达70%。机组供电煤耗为280g/kWh,达到国内领先水平。与采用国外同类系统相比,两台机组成套控制系统一次投资费用节约1160万元;单台机组年直接经济效益4264万元。

社会效益:

(1)节能效益:机组能耗达到国内领先水平,大比例劣质煤掺烧效益明显。

(2)减排效益:实现机组运行优化与脱硝控制,减排效益显著。

(3)安全效益:机组运行参数控制稳定,未发生非计划停机,提高了安全运行水平。实现了信息系统及数据库的全面国产化,保障了工业过程控制系统安全可控。

(4)维护效益:及时、可靠的技术及备品备件支持,直接与间接经济效益显著。

对于促进电力行业科学技术水平,增强电力工业的可持续发展,具有重要意义。已形成年产20套的产业化能力。

“火电行业重大工程自动化成套控制系统”首次实现了1000MW机组控制系统自主化并推广应用,大幅提高了煤质适应性与变负荷能力,整体技术达到国际先进水平,入选科技部“十一五”重大科技成就展。

 

六、联系方式

联系人:牛玉广教授

Email:nyg@ncepu.edu.cn

地址:北京市昌平区回龙观镇北农路2号华北电力大学

邮编:102206

 


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