对电厂热工自动化设计中节能减排分析
摘要：针对火电厂热工自动化设计中关联节能减排的主要问题进行分析并提出了看法，包括强化热力设备安全性控制、优化热力系统运行经济性、提高节能减排新技术可靠性、开发应用新颖节能减排检测仪表、关注热工自动化设计中隐性节能降耗因素等。
关键词：火电厂；热工自动化；节能减排
节能减排是我国当前的一项基本国策，火力发电厂则是节能减排的重点对象，牵涉到规划、设计、管理、运行、设备优化很多方面，其中仪表和控制系统即热工自动化设计的内容也和其密切相关。本文针对热工自动化设计关联节能减排的一些主要问题进行分析，并提出一些看法。
1强化热力设备安全性控制
1.1安全运行是实现节能减排的前提
在机组连锁保护逻辑设计中，除基本的紧急保护外，还应进一步完善诸如超驰控制、辅机故障自动减负荷（RunBack）、燃烧器管理（BMS）等的逻辑设计，以使机组适应各种可能出现的非常工况，尽量避免或减少故障停机，确保机组长周期运行。例如，在超驰逻辑中设置对闭环回路发散的参数监测，一旦条件因素成立，将能越权处理系统故障，使系统调节品质不再继续变坏；又例如，在BMS逻辑中考虑锅炉低负荷时自动投入等离子点火或微油点火，使锅炉负荷适应变化范围更大。
保证热力设备长周期安全运行是节能减排的基本体现，以600MW机组为例，若发生一次故障停机，平均停机时间按10h计算，从重新点火到带600MW负荷耗时以6h计，则少发电约450万kW•h，消耗燃油25t左右，损失很大[1]。
1.2强化设备状态监测和故障诊断
在厂级监控信息系统（SIS）中配置设备状态监测和故障诊断功能模块，并且在机组投入生产时要求配合投用，发挥效能。在设计阶段就应配合增设必要的监测点，例如补列一些辅机轴承振动监测等，以不牺牲设备安全、经济运行为原则，在保证安全基础上延长机组检修间隔，改变固有的计划检修模式。
2优化热力系统运行经济性
2.1采用优化控制软件
目前，各类优化软件充斥市场，应该进行一番调查、梳理、评审和推荐。在分散控制系统（DCS）技术规范书中及在设计联络会上应将软件应用和优化作为重点内容予以讨论落实，有条件应列入考核。
某研究表明，当过热器出口温度采用神经网络模型的串级预测控制时，其和常规串级控制阶跃响应相比调节速度快2倍，而超调量仅是常规的30％左右[2]。
2.2建立机组经济指标评价体系
某600MW电厂把机组诸多经济指标按重要性大小分级，建立三级机组经济指标评价体系[1]，如一级指标有：供电煤耗、厂用电率、机组燃油消耗等；二级指标有：锅炉效率、汽机热耗、烟气排放等；三级指标有主汽和再热汽温、飞灰可燃物、补水率、加热器端差等。每一指标都明确责任人，可以通过SIS的运行指导，采取措施缩小或消除偏差，最终使指标受控，实现经济运行。
2.3实行机组负荷经济分配
目前，机组控制系统中设计的自动发电控制（AGC）是指电网调度针对每台单元机组直接目标负荷的控制。它是通过设在电厂端的远程终端（RTU）和机组DCS用硬接线方式相连实现的。当电厂中有多台单元机组时，每台机组都需要按上述方式用硬接线将信号和RTU相连。目前的AGC方式主要为保证电网安全调度和负荷的平衡，和机组运行的经济性无多大联系。
负荷经济分配一般配置在厂级SIS中，通过对单元机组实时性能计算与耗差分析结果应用，获取机组负荷特性实时曲线，同时要有手段来鉴别负荷经济分配的实时效果。对负荷经济分配软件的研究也越来越受到人们的重视，除较经典的等微增率原理、二次规划分配原理等外，还提出了许多优化方法，例如线型规划法、微粒群算法等。
3提高节能减排新技术可靠性
3.1提高启动及低负荷时等离子点火和微油点火安全性
等离子点火和微油点火技术以其节省燃油、环保效益明显等优点正在被重点推广使用。但是，在冷炉点火阶段和低负荷时，由于煤粉燃烬延迟，导致炉膛上部屏底烟温升高，高温受热面存在超温风险。若点火偏于一侧，还会引起锅炉膨胀不均匀。另外，由于此时烟气中飞灰可燃物含量高，很容易在空预器等尾部烟道沉积，引起自燃。
针对上述不安全因素，一则应该在点火控制逻辑设计中重点加强对煤粉研磨细度、一次风速、风粉浓度、空预器吹灰及省煤器灰斗除灰等的控制设计。二则应加强开发可靠的飞灰可燃物检测仪表，满足实时检测的要求。当前市面上生产的飞灰测碳仪，实际使用的可靠性和精确度都很难满足要求。
3.2脱硫和单元机组控制的融合
目前，发电厂大多采用烟气石灰石湿法脱硫，控制采用独立的控制系统，尽管其控制系统的硬件和单元机组控制DCS可能是一致的，然后两者间通过不多的硬接线把必须的交换信号互联起来，实现运行中的联动和保护。
随着环保要求越来越严格，当前已要求基建项目的脱硫要和机组同步投入使用，并且将取消烟气脱硫系统旁路挡板和气-气交换器（GGH），进而取消增压风机。这样一来，脱硫系统烟气通道的控制和锅炉控制已密不可分，将脱硫控制纳入机组DCS中监控必然成为一种趋势。这时，锅炉控制回路和保护逻辑设计中将包括对脱硫系统中烟道挡板开闭、吸收塔超温保护、烟气排放温度控制等的内容。
3.3研究大型辅机采用变频控制的技术规范
变频器应用在负荷频繁调节或周期性大幅度变化的转动机械上具有显著的节能功效，因此在电厂中也越来越多地得到采用。因此，电厂中哪些辅机最适宜采用变频控制应有深入的可行性分析，最好编制行业性的推荐意见和技术规范。那些基本以额定负荷运行、转速调节范围不大的辅机宜作技术经济比较后再予确定，应慎选变频。
3.4主蒸汽流量的获取
现今大容量机组的主蒸汽流量测量，基本上都采用汽轮机调节级后压力或压力级组前后压力加温度修正的间接换算法，该方法源于汽轮机理论中著名的弗留格尔（FLUGEL）公式。在实际使用中只要针对限制公式使用条件的影响因素，
4开发应用新颖节能减排检测仪表
4.1快速热电偶
常规的蒸汽管道疏水袋液位都采用液位开关检测，要设置高、低两只。液位开关价格较贵，且易卡涩或泄漏，安装时对应液位设定点误差较大，介质排放难以准确控制。
可以采用快速热电偶检测疏水袋中温度，当温度低至管道压力对应蒸汽饱和温度时，说明袋中积水应该疏水，当温度高于对应蒸汽饱和温度时关闭疏水。
4.2阀门或管道超声检漏
正常运行中常关闭的控制阀，如疏水阀、旁路阀、再循环阀、喷水减温阀等及其相应管道，目前也可采用快速热电偶检测泄漏。但若能装设超声检漏则可更快速报警，采取措施减少工质损失，体现节能。国外已有采用无线超声检漏设备的较多工程实例，国内还未见报道。
4.3大型圆筒煤场安全监测仪表
大型圆筒煤场具有节地、环保兼干煤棚的优点，目前已推广采用。但是其内部是否要装设安全监测未见国内电站锅炉上应用的报道。声学测温方法的基本原理是基于声波在气体介质中的传播速度是该气体组分和绝对温度的函数。在大多数实际情况下，气体组分对声波传播速度的影响较小，且在很小的范围内变化。因此，声波传播速度可以看作气体介质绝对温度的单值函数。
声波测温可以连续监测炉膛内烟气温度在时间和空间上的变化，对锅炉燃烧调节极为有利：
（1）控制火焰中心，矫正炉内燃烧不均匀，减少水冷壁磨损和结焦，改善汽水循环。
（2）监控炉膛出口温度，合理分配辐射热和对流热的比例，减少过热器和再热器喷水量，提高回热效率。
（3）优化风煤比，提高燃烧效率。
（4）降低污染物排放。通过减小火焰峰值温度，可以在燃烧后期降低NOX生成，同时降低锅炉脱硝装置运行费用。
4.6重金属浓度在线监测仪表
4.6.1烟气中重金属浓度在线监测
重金属元素（主要指Cd，Pb，Zn，As，Sb，Hg等）在煤粉燃烧过程中会分解释放出来，经历一系列物理化学变化，一部分挥发的重金属元素将富集在飞灰（尤其是亚微米级细小颗粒）上，随着烟气或炉渣排出。它们在大气中有很长的驻留时间，不为微生物降解，并转化为毒性很大的金属有机化合物，从而对人类健康和环境产生很大危害。
4.6.2废水中重金属浓度在线监测
发电厂工业废水排放前针对重金属的监测主要采用采样分析，尚未见在线实时分析的应用介绍。采样分析的缺点主要是成本高、效率低，如果不能及时检测则样品的变化或污染还会影响到检测结果的客观性。如果能开发采用一种实用的在线检测仪，也将会获得良好的应用。
5关注热工自动化设计中隐性节能降耗因素
5.1仪用压缩空气耗量
仪用压缩空气耗量的大小，决定了压缩空气机组配置的容量及今后日常运行的费用。工程设计前期，气动装置（例如各类气动阀门）的不确定性较大，对仪用压缩空气耗量的准确统计比较困难，因而往往将仪用压缩空气机组容量配置较大，裕量大则日常运行成本消耗大。
5.2不停电电源UPS负荷
目前工程设计中UPS容量选择都较大，有的每台大型机组还配置全容量两套，但是投运后实际负荷率却很低，甚至小于50％。宜通过调查统计，归纳不同容量机组仪用UPS实际负荷，对UPS选型提出推荐意见。
5.3电子设备间空调
电子设备间对空调的要求应该没有集中控制室那么高，没有对人舒适性的要求，其内部安装的电子设备机柜（主要为DCS，DEH，MEH，TSI，PLC等）对环境温度的适应性也较宽，只要控制住温度变化率，不使电子板件产生结露，也不产生有害程度的静电即可。如EMERSON公司OVATION系统的控制器机柜，其运行时可适应环境温度规定为0～50℃。
5.4传感器冗余配置
大机组控制回路及保护逻辑设计中各类传感器（包括变送器、热电偶、参数开关等）冗余配置的数量很大，目前还缺少一个规范或规定来统一参照实施。传感器的过多配备增加了设备投资、电缆消耗，也增加了控制系统资源消耗、能量消耗和日常维护消耗，是否必要值得深究。
6结束语
火电厂热工自动化设计中和节能减排关联的因素是多方面的，需要我们加强挖掘、聚沙成塔。在关注的同时，希望在一些明朗的控制设备、控制系统及控制技术应用方面采取切实可行的措施，取得实效。
参考文献：
[1]潘志强.嘉兴发电厂节能减排之路[J].中国人口•资源与环境，2008（18）专刊：678-680.
[2]陈绍炳.优化控制技术在热工过程控制中的应用研究[D].南京：东南大学，2006.
[3]李素芳，沈胜强.机组经济运行的负荷优化分配方法研究[J].热科学与技术，2004（12）：293-296.