礦用雜散電流測(cè)試儀智能化

　　礦用雜散電流測(cè)試儀智能化，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**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(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備智能化的大門(mén)。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(mén)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(mén)執(zhí)行器和400個(gè)氣動(dòng)閥門(mén)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(mén)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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**商業(yè)化應(yīng)用階段。光纖分布式溫度傳感器的*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**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，礦用雜散電流測(cè)試儀智能化，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*有效且*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(mǎn)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(kāi)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(zhuān)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 Cha rge 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。有名的鍋爐制造商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*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**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(lèi)、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，礦用雜散電流測(cè)試儀智能化，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**、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。可見(jiàn)采用常規(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(lèi)，一類(lèi)是與煙氣直接接觸的吸入式熱電偶高溫計(jì)，另一類(lèi)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**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?xún)?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，*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(lèi)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(kāi)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(lèi)。**類(lèi)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；**類(lèi)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(kāi)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**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(mén)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(zhuān)用于改善電廠的運(yùn)行和維護(hù)，據(jù)稱(chēng)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(mǎn)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)

　　**相關(guān)系統(tǒng)：隨著社會(huì)日趨進(jìn)步、礦用雜散電流測(cè)試儀智能化，法律法規(guī)的日益嚴(yán)格，電力生產(chǎn)**的重要性顯而易見(jiàn)，過(guò)程**運(yùn)行是電力自動(dòng)化系統(tǒng)的首要目標(biāo)。隨著IEC61508、IEC61511等**標(biāo)準(zhǔn)的制訂，鍋爐爐膛**保護(hù)系統(tǒng)和汽機(jī)緊急停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)等開(kāi)始愈來(lái)愈多的采用經(jīng)過(guò)認(rèn)證的SIS**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**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(mǎn)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(kāi)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)。

　　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)控制智能化礦用雜散電流測(cè)試儀智能化、控制管理集成化。