火電廠智能控制系統(tǒng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

高耀巋，王 林，高海東，周俊波，昌 鵬，侯玉婷，李 華，郭彥君

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 贛州 341100）

現(xiàn)階段，能源短缺、環(huán)境污染、氣候變化是人類面臨的共同難題，新能源替代與傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)型是解決未來能源供應(yīng)的有效途徑[1-2]。2021年3月，“十四五”規(guī)劃綱要中明確要求建設(shè)智慧能源體系，即“推動煤礦、油氣田、電廠等智能化升級，開展用能信息廣泛采集、能效在線分析，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互動、多能協(xié)同互補、用能需求智能調(diào)控”[3]。

能源工控系統(tǒng)是實現(xiàn)我國“十四五”規(guī)劃智慧能源目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，我國能源工控系統(tǒng)已日益成熟，成功打破了國際壟斷地位[4]。然而，現(xiàn)階段的能源工控系統(tǒng)還無法滿足“十四五”規(guī)劃對智慧能源的建設(shè)要求。為此，“十四五”規(guī)劃針對智能制造，明確要求“重點研制分散式控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等工業(yè)控制裝備，突破先進控制器”，能源工控系統(tǒng)的智能化是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

2017年，華北電力大學(xué)劉吉臻院士指出火電廠的智能化應(yīng)由安全可靠性和應(yīng)用功能相統(tǒng)一的智能控制系統(tǒng)（intelligent control system，ICS）和智能服務(wù)系統(tǒng)（intelligent service system，ISS）來實現(xiàn)，并表明ICS應(yīng)具有自趨優(yōu)、自學(xué)習(xí)、自恢復(fù)、自適應(yīng)、自組織的特征[5]。截至目前，國內(nèi)各大企業(yè)和科研單位已針對ICS展開了廣泛的研究，研究內(nèi)容涉及體系結(jié)構(gòu)[6-7]、功能架構(gòu)[8]、關(guān)鍵技術(shù)[8-10]等多個方面。然而，這些研究內(nèi)容是零散的、非系統(tǒng)化的，尤其在功能架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方面，各應(yīng)用功能模塊間是孤立的，相互關(guān)聯(lián)性不強，信息流動過程不明確，并缺乏有效的協(xié)作機制。甚至部分論文將管理內(nèi)容涵蓋進來，大量堆疊“云、大、物、移、智”的概念，造成ICS和ISS界限模糊不清，嚴(yán)重影響了ICS的健康發(fā)展。

本文從火電廠的實際應(yīng)用需求出發(fā)，基于ICS應(yīng)用功能對數(shù)據(jù)、算法、算力的要求，在分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）的基礎(chǔ)上，拓展了ICS的硬件及網(wǎng)絡(luò)；基于應(yīng)用功能的根本目標(biāo)、連接關(guān)系以及信息流動過程，提出了ICS的功能架構(gòu)；在該功能架構(gòu)下，細(xì)化了火電廠智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為火電廠智能控制系統(tǒng)建設(shè)提供依據(jù)。

1 智能控制系統(tǒng)的體系架構(gòu)

1.1 硬件及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1為火電廠ICS的硬件及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。由圖1可見，ICS包含了DCS已有的硬件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如I/O模件、控制器（DPU）、人-機交互站（MMI）、I/O級通信網(wǎng)絡(luò)、控制級通信網(wǎng)絡(luò)等。同時拓展了智能傳感器、智能控制器、高性能服務(wù)器（包括智能計算服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、智能分析服務(wù)器）、智慧人-機接口、大數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)等，以滿足ICS對關(guān)鍵參數(shù)測量、智能化控制、復(fù)雜計算、海量數(shù)據(jù)存取、大數(shù)據(jù)分析、人工智能訓(xùn)練學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)高速交互的需求。

圖1 火電廠ICS的硬件及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) Fig.1 System architecture of ICS in thermal power plant

智能傳感器一般由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、人機接口、通信接口、電輸出子系統(tǒng)、電源單元等構(gòu)成[11]。它除了具有普通傳感器的測量功能外，還具有一些附加功能，如組態(tài)，調(diào)整和整定，自測試、診斷、環(huán)境監(jiān)測，外部過程控制，趨勢記錄和數(shù)據(jù)存儲等。同時還具有高可靠性，能夠適應(yīng)電站煤廠、爐膛、煙道等復(fù)雜惡劣運行環(huán)境，為ICS提供準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)來源。

智能控制器一般由微處理器、存儲器、輸入/輸入接口、通信接口、控制功能模塊和顯示功能模塊以及運行在這些硬件平臺上的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成[12]。與傳統(tǒng)控制器相比，在硬件方面，應(yīng)采用16位及以上處理器，宜配備四核高性能工業(yè)處理器，主頻在1 GHz以上，內(nèi)存容量在1 024 MB以上，文件存儲容量應(yīng)在512 MB以上；在軟件方面，應(yīng)開發(fā)并封裝參數(shù)軟測量、信號處理、智能控制等算法模塊，以滿足復(fù)雜熱力過程控制要求。

服務(wù)器一般由處理器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備及運行在這些硬件平臺上的系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件構(gòu)成。服務(wù)器的CPU、GPU、存儲等應(yīng)根據(jù)實際需求定制化設(shè)計。高性能服務(wù)器的配置要求見表1。智能計算服務(wù)器應(yīng)注重對順序算力的要求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器應(yīng)注重對存儲容量、存取速率的要求，智能分析服務(wù)器除注重順序算力要求外，還應(yīng)注重并行算力要求，以滿足人工智能算法訓(xùn)練、學(xué)習(xí)的基本需求。

表1 高性能服務(wù)器的配置要求 Tab.1 Configuration requirements of high-performance servers

智慧人-機接口除了包括顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等傳統(tǒng)交互方式外，還應(yīng)支持語音、觸屏等新型交互方式，語音輸入能夠識別火電廠專有名詞，支持喚醒、反饋、確認(rèn)的功能；觸屏輸入需關(guān)聯(lián)振動觸感，并帶確認(rèn)功能。智慧人-機接口的交互內(nèi)容應(yīng)基于人機工效設(shè)計，既關(guān)注關(guān)鍵工藝過程參數(shù)的直接展示，也注重性能評估和統(tǒng)計分析的間接展示，讓運行人員通過有限的數(shù)據(jù)交互快速掌控機組全局性能和狀態(tài)。

大數(shù)據(jù)交互網(wǎng)應(yīng)獨立于控制級通信網(wǎng)絡(luò)，專用于高性能服務(wù)器間海量實時/歷史數(shù)據(jù)交互，ICS進行大數(shù)據(jù)分析時，應(yīng)使用獨立的大數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)，不影響控制級通信網(wǎng)絡(luò)的通信。大數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)和控制級通信網(wǎng)絡(luò)均位于安全可靠性一區(qū)，應(yīng)具有相同的信息安全等級。網(wǎng)絡(luò)速率應(yīng)滿足大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對實時性和通信負(fù)荷率的要求。

1.2 功能架構(gòu)

智能控制系統(tǒng)的功能架構(gòu)自下而上包含：先進檢測、智能控制、自主決策、智慧交互（圖2）。

圖2 火電廠ICS的功能架構(gòu) Fig.2 Functional architecture of ICS in thermal power plant

由圖2可見：先進檢測主要以智能傳感器為載體，利用微波、激光、紅外、靜電、聲波、電容、電荷以及軟計算、信息融合等技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)難測參數(shù)的在線準(zhǔn)確測量和上傳，以提高工藝過程的能觀性。智能傳感器應(yīng)涉及煤質(zhì)（煤水分、煤質(zhì)元素、成分）、煤粉流（質(zhì)量濃度、細(xì)度、流速）、爐內(nèi)工況（溫度場、煙氣組分）、鍋爐煙氣（飛灰含碳量、氨逃逸、煙氣組分）、油液（黏度、水分、磨粒質(zhì)量濃度、清潔度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)）、設(shè)備振動等；參數(shù)軟測量應(yīng)包含鍋爐蓄熱系數(shù)、煤質(zhì)熱值、原煤水分、煙氣氧量、爐內(nèi)結(jié)焦、空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）堵塞、蒸汽流量、低壓缸排汽焓及干度等，為保障鍋爐安全穩(wěn)定運行，提升控制系統(tǒng)品質(zhì)，減少能耗、物耗奠定重要基礎(chǔ)。

智能控制主要以智能控制器為載體，處理實時性要求高，但計算量不大的復(fù)雜控制問題，以提高工藝過程參數(shù)的可達(dá)性。具體借助智能控制器高度開放的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化地封裝預(yù)測控制、模糊控制、內(nèi)模控制、史密斯預(yù)估控制及跟蹤微分、卡爾曼濾波、狀態(tài)觀測、相位補償、步序控制等算法模塊，與傳統(tǒng)模塊采用統(tǒng)一的組態(tài)調(diào)試環(huán)境和冗余機制。通過模塊組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)核心子系統(tǒng)（磨煤機、水泵、干濕態(tài)）的高度自動化控制（自動啟停、自動并退、自動轉(zhuǎn)換），降低運行人員勞動強度；實現(xiàn)協(xié)調(diào)、汽溫、環(huán)保等模擬量控制關(guān)鍵技術(shù)突破及過程參數(shù)壓線運行，提高機組運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和快速性。

自主決策主要以智能計算服務(wù)器為載體，應(yīng)能夠處理計算量大但實時性要求不高的復(fù)雜優(yōu)化問題，以實現(xiàn)機組最優(yōu)狀態(tài)運行。通過開發(fā)智能計算引擎，封裝優(yōu)化模型和優(yōu)化算法，設(shè)計優(yōu)化策略來實現(xiàn)。優(yōu)化模型應(yīng)能夠根據(jù)實際輸入數(shù)據(jù)，在線計算機組運行性能；優(yōu)化算法可采用遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、動態(tài)規(guī)劃算法、梯度下降算法等，按既定優(yōu)化目標(biāo)遍歷和尋優(yōu)，獲得不同負(fù)荷工況下的最佳運行方式和最優(yōu)參數(shù)定值。優(yōu)化模型應(yīng)支持模型在線更新，優(yōu)化算法應(yīng)支持參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整。此外，還應(yīng)支持基于工況分析的自主決策，通過歷史工況檢索匹配和性能比較，直接給出最優(yōu)運行方式和最優(yōu)參數(shù)定值。

智慧交互主要以數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、智能分析服務(wù)器、智慧人-機接口為載體，應(yīng)能夠處理巨大規(guī)模歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、人工智能訓(xùn)練學(xué)習(xí)問題，通過數(shù)據(jù)中間分析處理、指標(biāo)的透明化，提高人機交互效率，便于運行人員快速掌握機組的安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟環(huán)保性和靈活機動性。安全穩(wěn)定性指標(biāo)應(yīng)包括控制品質(zhì)評估、執(zhí)行機構(gòu)性能評估、設(shè)備健康度評估、受熱面狀態(tài)評估等；經(jīng)濟環(huán)保性指標(biāo)應(yīng)包括性能計算與耗差分析、污染脫除性能評估等；靈活機動性指標(biāo)應(yīng)包括自動發(fā)電控制（AGC）、一次調(diào)頻的“兩個細(xì)則”指標(biāo)。人工智能算法主要用于學(xué)習(xí)不同運行人員的習(xí)慣和偏好，從而逐步代替運行人員完成智慧交互。

2 智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 先進檢測

2.1.1 先進在線監(jiān)測

1）煤質(zhì)在線檢測可采用激光誘導(dǎo)穿光譜技術(shù)檢測煤質(zhì)元素，通過脈沖激光瞬間灼燒煤樣，使其局部電離，形成等離子體，通過處理離子體膨脹和冷卻過程中的輻射光譜，實現(xiàn)煤質(zhì)元素的定量分析，宜安裝在輸煤或給煤機皮帶上，與實時運行控制關(guān)聯(lián)，檢測頻率應(yīng)不低于3 min/次；可采用次紅外線法檢測煤質(zhì)成分，利用煤炭對不同次紅外線頻段的吸收性差異，快速檢測煤炭的發(fā)熱量、水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、含硫量；可采用微波法檢測煤水分，利用煤水分與微波信號衰減和相移之間的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，在線計算煤水分，并根據(jù)煤層厚度、堆密度、煤層形狀等對檢測結(jié)果進行補償校正；可采用火焰脈動特征和光譜特征識別煤種，每層燃燒器配置1套采集裝置，獲得燃燒器對應(yīng)的煤質(zhì)信息，支撐鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整。

2）煤粉流在線檢測可采用超聲波法檢測煤粉質(zhì)量濃度，利用超聲波在風(fēng)粉兩相介質(zhì)中的吸收、散射效應(yīng)，建立衰減系數(shù)與煤粉體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系模型，實現(xiàn)煤粉質(zhì)量濃度在線檢測；可采用微波法檢測煤粉質(zhì)量濃度，利用介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨煤粉質(zhì)量濃度變化的原理，測量管道內(nèi)微波振幅衰減情況，實現(xiàn)煤粉質(zhì)量濃度在線檢測；可采用電容法檢測煤粉質(zhì)量濃度，利用電容板間絕緣系數(shù)隨固體質(zhì)量濃度變化的原理，實現(xiàn)煤粉質(zhì)量濃度在線檢測；可采用電荷法檢測煤粉質(zhì)量濃度，由于煤粉粒子之間碰撞、摩擦、分離等，使得煤粉粒子帶有電荷，利用煤粉質(zhì)量濃度隨金屬電極上感應(yīng)電荷量變化的原理，實現(xiàn)煤粉質(zhì)量濃度在線檢測；可采用聲學(xué)法檢測煤粉流速和質(zhì)量濃度，通過檢測煤粉流擾動產(chǎn)生的氣動聲音，分析聲譜，實現(xiàn)煤粉流速在線檢測，宜安裝在磨煤機出口或燃燒器管道上，輔助煤粉流量調(diào)平；可采用電荷法檢測煤粉細(xì)度，利用彎管處煤粉分層現(xiàn)象，即粗顆粒甩至外側(cè)，細(xì)顆粒停留在內(nèi)側(cè)，通過在彎管內(nèi)外側(cè)安裝電荷檢測探頭，實現(xiàn)煤粉細(xì)度在線檢測。

3）爐內(nèi)工況在線檢測可采用光學(xué)輻射法檢測爐內(nèi)溫度，在爐膛內(nèi)安裝多個火焰圖像檢測探頭，多角度、全方位的攝取爐內(nèi)瞬時火焰圖像，借助光學(xué)理論、計算機圖像處理、三維重建等技術(shù)，建立火焰圖像攜帶的輻射能水平與爐內(nèi)燃燒溫度分布之間的數(shù)學(xué)模型，重構(gòu)爐內(nèi)三維溫度場；可采用聲學(xué)法檢測爐內(nèi)溫度，利用聲波在介質(zhì)中傳播速度與介質(zhì)溫度間的函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒溫度測量，宜在爐內(nèi)實施聲學(xué)收發(fā)裝置的網(wǎng)格化布置，重建二維平面溫度分布圖，并給出火焰偏心系數(shù)；可采用激光法檢測爐內(nèi)溫度和組分分布，利用激光穿過爐膛介質(zhì)選擇性吸收及衰減特性，實現(xiàn)檢測路徑上介質(zhì)組分和溫度的測量，宜采用網(wǎng)格形式布置多條路徑，重建爐內(nèi)組分與溫度剖面圖；可進行水冷壁近壁區(qū)煙氣組分檢測，在水冷壁易腐蝕區(qū)安裝O2、CO檢測裝置，評估水冷壁腐蝕風(fēng)險，避免形成較強還原性氣氛，為鍋爐一、二次風(fēng)調(diào)整提供依據(jù)。

4）鍋爐煙氣在線檢測可采用微波法檢測飛灰含碳量，利用飛灰碳含量與飛灰等效介電常數(shù)間的相關(guān)性原理，測量檢測路徑上飛灰造成的微波衰減和相移，實現(xiàn)飛灰含碳量在線檢測；可采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法檢測脫硝系統(tǒng)氨逃逸濃度，通過掃描煙氣特定吸收峰值，得到氨氣的二次諧波，計算并實現(xiàn)氨逃逸濃度在線檢測；可進行脫硝出入口煙氣組分檢測，采用“網(wǎng)格取樣”法測量煙道橫截面上NOx、O2、CO的濃度場分布，為爐內(nèi)燃燒調(diào)整和精細(xì)化分區(qū)噴氨脫硝提供依據(jù)。

5）設(shè)備振動與沖擊在線檢測可采用高度集成和模塊化的振動探頭檢測設(shè)備振動值，探頭宜配備沖擊脈沖特征檢測功能，將設(shè)備振動信息從復(fù)雜的背景噪聲中分離出來，通過增強、頻譜分析，獲得軸承狀態(tài)信息，為評估設(shè)備可靠性，開展設(shè)備預(yù)知性維修提供依據(jù)。

6）油液在線檢測可利用油液指標(biāo)檢測傳感器，檢測設(shè)備潤滑油各項指標(biāo)，包括黏度、水分、磨粒濃度、清潔度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等，分析并得到油品劣化、污染以及設(shè)備機械磨損等情況，削減油系統(tǒng)故障，提升油系統(tǒng)的可用率，保障機組長周期安全、穩(wěn)定運行。

2.1.2 關(guān)鍵參數(shù)軟測量

1）鍋爐蓄熱系數(shù)在線軟測量可基于汽水工質(zhì)、管道金屬和爐膛煙氣的蓄熱特性，建立鍋爐蓄熱系數(shù)的軟測量模型，實現(xiàn)鍋爐蓄熱系數(shù)在線計算，為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及時利用和補充鍋爐蓄能、減少鍋爐過燃調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

2）煤質(zhì)低位發(fā)熱量軟測量可基于鍋爐正、反能量平衡特性，建立以鍋爐有效吸熱量和排煙熱損失為基礎(chǔ)的煤質(zhì)低位發(fā)熱量的軟測量模型，實現(xiàn)煤質(zhì)熱值在線計算；可在穩(wěn)態(tài)工況下，輔助校正煤質(zhì)熱值，提升協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對煤種的適應(yīng)性，避免出現(xiàn)風(fēng)、水、煤交叉閉鎖現(xiàn)象。

3）原煤水分軟測量可基于磨煤機的干燥原理，建立包含原煤水分的能量平衡方程，實現(xiàn)原煤水分在線計算，可在磨入口溫度安全的情況下，輔助修正一次風(fēng)煤比，充分干燥煤粉，降低入爐煤粉燃燒的汽化潛熱。

4）煙氣含氧量軟測量可基于氧量熱量的原理，根據(jù)鍋爐氧量、鍋爐總熱量、鍋爐總風(fēng)量之 間的函數(shù)關(guān)系，建立煙氣含氧量的軟測量模型，實現(xiàn)煙氣含氧量在線計算，從而輔助優(yōu)化并提升鍋 爐效率。

5）爐內(nèi)結(jié)焦程度軟測量可根據(jù)鍋爐效率、管壁溫度、減溫水流量以及過/再熱汽溫等，結(jié)合運行經(jīng)驗，建立爐內(nèi)結(jié)焦程度的模糊計算模型，量化爐內(nèi)各受熱面的結(jié)焦程度，為吹灰優(yōu)化提供指導(dǎo)。

6）空預(yù)器堵塞程度軟測量可根據(jù)空預(yù)器出入口一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓、排煙溫度等，建立空預(yù)器堵塞程度計算模型，給出空預(yù)器堵塞程度指標(biāo)，為空預(yù)器吹灰優(yōu)化提供指導(dǎo)。

7）蒸汽流量軟測量可根據(jù)汽輪機某段通流部分輸入、輸出的蒸汽壓力、溫度，構(gòu)建以弗留格爾公式為基礎(chǔ)的蒸汽流量軟測量模型，實現(xiàn)蒸汽流量在線計算，為機組性能計算與分析奠定基礎(chǔ)。

8）低壓缸排汽焓及干度軟測量在汽輪機低壓缸各級抽汽、排汽參數(shù)的基礎(chǔ)上，可基于等熵膨脹原理，建立汽輪機低壓缸排汽焓軟測量模型，實現(xiàn)低壓缸排汽焓及干度在線計算，提升機組性能計算與分析的準(zhǔn)確性。

2.2 智能控制

2.2.1 高度自動化控制

1）磨煤機自啟?？刂圃谀ッ簷C原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，采用順序控制與模擬量控制相結(jié)合的方式，使用跳步、計時、定時、判斷等開關(guān)量控制方法，同時融入專家控制、模糊控制、預(yù)測控制等先進控制算法，針對暖磨等復(fù)雜控制過程，設(shè)計優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)磨煤機的安全、快速自動啟停和機組關(guān)鍵參數(shù)的壓線運行。其具體技術(shù)要求為：縮短平均暖磨時間20%以上，提升暖磨過程經(jīng)濟性；克服磨煤機啟停擾動，減小蒸汽壓力和溫度的波動幅度，主蒸汽壓力波動應(yīng)在±0.8 MPa之內(nèi)，主蒸汽溫度波動應(yīng)在±12 ℃之內(nèi)，再熱蒸汽溫度波動應(yīng)在±15 ℃之內(nèi)。

2）水泵自動并退控制在水泵原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，采用順序控制與模擬量控制相結(jié)合的方式，使用跳步、計時、定時、判斷等開關(guān)量控制方法，同時融入專家控制、模糊控制等先進控制算法，設(shè)計水泵自動并退的優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)水泵自動并退和機組關(guān)鍵參數(shù)的壓線運行。其具體技術(shù)要求為：水泵并退過程中，泵出口壓力、流量等主要運行參數(shù)的波動幅度應(yīng)小于6%額定參數(shù)，并保持泵出口壓力平衡，避免出現(xiàn)搶水失速問題；克服水泵并退擾動，減小機組主要運行參數(shù)的波動幅度。以給水泵為例，主蒸汽壓力波動應(yīng)在±0.6 MPa之內(nèi)，主蒸汽溫度波動應(yīng)在±10 ℃之內(nèi)，再熱蒸汽溫度波動應(yīng)在±12 ℃之內(nèi)。

2.2.2 模擬量智能控制

1）協(xié)調(diào)系統(tǒng)智能控制在傳統(tǒng)前饋、反饋、解耦、直接能量平衡（direct energy balance，DEB）等控制策略的基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)測控制、模糊控制、內(nèi)?？刂?、史密斯預(yù)估控制、跟蹤微分、狀態(tài)觀測、相位補償?shù)认冗M控制算法，設(shè)計變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、自適應(yīng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)風(fēng)、煤、水的自動協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。其具體技術(shù)要求為：機組負(fù)荷 的響應(yīng)時間應(yīng)小于40 s，變負(fù)荷速率應(yīng)不小于2%Pe/min，負(fù)荷調(diào)節(jié)精度應(yīng)小于1%Pe，一次調(diào)頻合格率應(yīng)大于80%，滿足電網(wǎng)調(diào)度要求；能夠快速克服煤質(zhì)變化、混煤摻燒、工況變化帶來的擾動，主蒸汽壓力的動態(tài)偏差應(yīng)在±0.6 MPa之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)偏差應(yīng)在±0.3 MPa之內(nèi)，中間點溫度波動幅度應(yīng)在±15 ℃之內(nèi)，并具有良好的收斂性。

2）汽溫系統(tǒng)智能控制在傳統(tǒng)前饋、反饋、串級、分段、導(dǎo)前微分等控制策略的基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)測控制、內(nèi)模控制、史密斯預(yù)估控制、跟蹤微分、狀態(tài)觀測、相位補償?shù)认冗M控制算法，設(shè)計變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、自適應(yīng)的汽溫優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)汽溫系統(tǒng)閉環(huán)優(yōu)化控制。其具體技術(shù)要求為：主蒸汽溫度動態(tài)偏差應(yīng)在±10 ℃之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)偏差應(yīng)在±4 ℃之內(nèi)；再熱蒸汽溫度動態(tài)偏差應(yīng)在±12 ℃之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)偏差應(yīng)在±4 ℃之內(nèi)；二次再熱機組兩級再熱汽溫動態(tài)偏差應(yīng)在±10 ℃之內(nèi)，穩(wěn)態(tài)偏差應(yīng)在±4 ℃之內(nèi)；能夠優(yōu)先調(diào)節(jié)燃燒器擺角、煙氣擋板、再循環(huán)風(fēng)機等，減少再熱微量及事故減溫噴水量20%以上，提升機組運行的經(jīng)濟性。

3）脫硝系統(tǒng)智能控制在傳統(tǒng)氨氮摩爾比前饋控制、NOx反饋控制、氨流量串級控制等策略的基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)測控制、模糊控制、內(nèi)?？刂?、史密斯預(yù)估控制、狀態(tài)觀測、相位補償?shù)认冗M控制算法，設(shè)計變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、自適應(yīng)的脫硝優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)脫硝過程閉環(huán)優(yōu)化控制。其具體技術(shù)要求為：在原有脫硝控制水平的基礎(chǔ)上，減少SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度的控制偏差在20%以上，降低NOx質(zhì)量濃度超限概率；通過爐內(nèi)低氮燃燒優(yōu)化調(diào)整，降低SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度，減少噴氨量5%以上；通過流場優(yōu)化調(diào)整，采用分區(qū)噴氨控制，精細(xì)化脫硝，減少氨逃逸10%以上，減少空預(yù)器堵塞故障的發(fā)生；能夠快速克服負(fù)荷工況變動、磨煤機啟停、吹灰過程等帶來的擾動，提高脫硝控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4）脫硫系統(tǒng)智能控制在傳統(tǒng)前饋、反饋、解耦控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)測控制、模糊控制、內(nèi)模控制、史密斯預(yù)估控制、狀態(tài)觀測、相位補償?shù)认冗M控制算法，設(shè)計變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)、自適應(yīng)的脫硫優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)脫硫過程閉環(huán)優(yōu)化控制。其具體技術(shù)要求為：在原有脫硫控制水平的基礎(chǔ)上，減少吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度的控制偏差20%以上，降低SO2質(zhì)量濃度超限概率；能夠快速克服煙氣負(fù)荷、漿液pH值變化帶來的擾動，提高脫硫控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對于配備變頻循環(huán)漿液泵的機組，能夠通過循環(huán)漿液連續(xù)調(diào)節(jié)，降低石灰石平均耗量在10%以上。

5）凝結(jié)水節(jié)流控制在原有除氧器水位和泵出口壓力控制模式的基礎(chǔ)上，可綜合考慮除氧器水位、凝結(jié)水流量、凝結(jié)水泵出口壓力等邊界參數(shù)，設(shè)計并增加凝結(jié)水節(jié)流輔助變負(fù)荷控制模式，實現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流的閉環(huán)優(yōu)化控制，控制目標(biāo)應(yīng)兼顧凝結(jié)水系統(tǒng)安全性、機組經(jīng)濟性和快速性方面的要求。其具體技術(shù)要求為：應(yīng)減少鍋爐過燃調(diào)節(jié)3%以上，減少高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失0.5%，綜合提升機組經(jīng)濟性0.1%以上；應(yīng)在機組原有平均變負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上輔助提升5%以上；凝結(jié)水節(jié)流宜參與正、反向變負(fù)荷，投入率宜不小于30%；除氧器水位、凝結(jié)水流量、凝結(jié)水泵出口壓力等邊界參數(shù)的安全裕度宜不小于30%。

6）高壓加熱器給水旁路節(jié)流控制在原有給水控制模式的基礎(chǔ)上，可綜合考慮高壓加熱器給水溫度、壓力的安全邊界，設(shè)計并增加高壓加熱器給水旁路節(jié)流輔助變負(fù)荷模式，實現(xiàn)高壓加熱器給水旁路節(jié)流的閉環(huán)優(yōu)化控制，控制目標(biāo)應(yīng)兼顧給水系統(tǒng)安全性、變負(fù)荷快速性、給水溫降經(jīng)濟性損耗、高壓加熱器及旁路系統(tǒng)設(shè)備損耗方面的要求。其具體技術(shù)要求為：減少鍋爐過燃調(diào)節(jié)3%以上，減少高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失0.5%，綜合提升機組經(jīng)濟性0.1%以上；在機組原有平均變負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上輔助提升5%以上；高壓加熱器給水旁路節(jié)流宜參與正向變負(fù)荷，投入率宜不小于30%；高壓加熱器給水溫度和壓力宜距飽和汽化邊界參數(shù)30%以上。

7）供熱抽汽節(jié)流控制在原有供熱壓力或溫度控制模式的基礎(chǔ)上，可綜合考慮機組的安全運行區(qū)、熱網(wǎng)首站的邊界參數(shù)要求，設(shè)計并增加供熱抽汽節(jié)流快速變負(fù)荷模式，實現(xiàn)供熱抽汽節(jié)流的閉環(huán)優(yōu)化控制，控制目標(biāo)應(yīng)兼顧機組和熱網(wǎng)的安全性、機組變負(fù)荷快速性、供熱公司考核機制、終端熱用戶體驗等方面的要求。其具體技術(shù)要求為：應(yīng)減少鍋爐過燃調(diào)節(jié)3%以上，減少高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失0.5%，綜合提升機組經(jīng)濟性0.1%以上；應(yīng)在機組原有平均變負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上輔助提升5%以上；供 熱抽汽節(jié)流宜參與正向變負(fù)荷，投入率宜不小于80%；熱網(wǎng)首站供水溫度和壓力宜距飽和汽化邊界參數(shù)30%以上；機組的熱電特性距安全運行邊界10%以上。

2.3 自主決策

2.3.1 設(shè)備運行方式?jīng)Q策

1）磨煤機啟停/組合決策通過計算磨煤機的等效益曲線，優(yōu)化并給出磨煤機的最佳啟停時機，提高制粉系統(tǒng)碾磨出力的經(jīng)濟性5%以上；基于不同負(fù)荷工況下，鍋爐受熱面輻射換熱和對流換熱比例，優(yōu)化并給出磨煤機的最佳組合方式，減少鍋爐各受熱面的超溫頻次20%以上；應(yīng)綜合考慮煤質(zhì)和磨煤機的可靠性，減少堵煤、斷煤、自燃等引起的非停次數(shù)。

2）循環(huán)水泵啟停/組合決策根據(jù)循環(huán)水泵的設(shè)計參數(shù)以及機組冷端系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)，在線計算循環(huán)水泵的等效益曲線，優(yōu)化并給出循環(huán)水泵的最佳啟停時機和最佳組合方式。通過循環(huán)水泵的啟停/組合決策優(yōu)化，在冷端邊界參數(shù)安全的情況下，輔助提升冷端系統(tǒng)綜合收益5%以上。

3）設(shè)備定期輪換以設(shè)備運行參數(shù)、累計運行時間為基礎(chǔ)，建立設(shè)備磨損或熱應(yīng)力損傷當(dāng)量的在線計算模型，實現(xiàn)易磨損、易損傷設(shè)備的科學(xué)定期輪換。其具體技術(shù)要求為：設(shè)備磨損或熱應(yīng)力損傷當(dāng)量計算的相對準(zhǔn)確率應(yīng)在80%以上；根據(jù)損傷當(dāng)量，實現(xiàn)石灰石供漿泵、石膏排除泵、旋流子、氧化風(fēng)機等易磨損設(shè)備的定期輪換，確保這類設(shè)備長周期穩(wěn)定運行，減少因設(shè)備可靠性降低引起的非停次數(shù)，提高機組的可用率10%以上。

2.3.2 連續(xù)參數(shù)定值優(yōu)化

1）鍋爐燃燒優(yōu)化以鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)鍋爐燃燒的物理特性和燃燒優(yōu)化調(diào)整的經(jīng)驗，采用智能算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立鍋爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)一次風(fēng)、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)、氧量的閉環(huán)自動優(yōu)化控制，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)兼顧鍋爐安全性、污染物排放和鍋爐效率等方面的要求。其具體技術(shù)要求為：提高鍋爐效率0.2%以上；優(yōu)化一次風(fēng)煤比，在磨煤機入口溫度安全的情況下，充分干燥煤粉，降低入爐煤燃燒汽化潛熱10%以上；優(yōu)化二次風(fēng)配風(fēng)，減少鍋爐各受熱面的超溫頻次20%以上；優(yōu)化煤層出力，通過爐內(nèi)配煤，提升鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

2）滑壓曲線優(yōu)化以閥門配汽優(yōu)化為基礎(chǔ)，綜合考慮機組運行的經(jīng)濟性和變負(fù)荷的快速性，采用機組變工況計算的方式，建立滑壓曲線的優(yōu)化模型，實現(xiàn)主蒸汽壓力定值的在線優(yōu)化。其具體技術(shù)要求為：提供合理的滑壓曲線或閥點控制目標(biāo)，減少汽輪機調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失，提高機組運行經(jīng)濟性0.5%以上；滑壓優(yōu)化應(yīng)兼顧機組變負(fù)荷能力和一次調(diào)頻響應(yīng)能力；應(yīng)優(yōu)化閥門線性度與壓力補償參數(shù)，并根據(jù)運行工況自動調(diào)整閥位控制方法；應(yīng)考慮季節(jié)變化引起真空差異對機組效率和滑壓定值的影響。

3）吹灰優(yōu)化以受熱面換熱機理、煙氣差壓等為基礎(chǔ)，根據(jù)受熱面出、入口運行的煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)參數(shù)，在線計算受熱面的清潔因子，實現(xiàn)鍋爐四管及空預(yù)器的按需吹灰，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)兼顧受熱面的換熱效率、磨損情況以及吹灰介質(zhì)損耗等方面的要求。其具體技術(shù)要求為：清潔因子的相對準(zhǔn)確率應(yīng)在80%以上；應(yīng)根據(jù)清潔因子按需吹灰，減少吹灰介質(zhì)10%以上，同時減少受熱面磨損，延長受熱面使用壽命10%以上，提升受熱面的可靠性，減少非停次數(shù)；宜提供優(yōu)化手段減小吹灰對鍋爐燃燒、蒸汽溫度、脫硝的影響。

4）冷端優(yōu)化綜合考慮發(fā)電收益和循環(huán)泵/空冷風(fēng)機電耗以及冷端系統(tǒng)參數(shù)的邊界約束條件，建立冷端系統(tǒng)的優(yōu)化模型，采用變工況計算的方式，尋優(yōu)供電煤耗最低時的最優(yōu)背壓定值，實現(xiàn)冷端背壓的閉環(huán)優(yōu)化控制，優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)兼顧汽輪機及冷端設(shè)備安全性、機組運行經(jīng)濟性方面的要求。其具體技術(shù)要求為：在循環(huán)水泵組合方式確定的情況下，優(yōu)化并給出最優(yōu)背壓定值，輔助提升冷端系統(tǒng)綜合收益5%以上；應(yīng)實現(xiàn)空冷風(fēng)機防凍控制，減少冬季風(fēng)機平均故障率20%以上；宜提升空冷風(fēng)機的抗擾動能力，能夠克服風(fēng)向、風(fēng)速驟變。

5）廠級負(fù)荷優(yōu)化分配以機組的負(fù)荷-煤耗曲線為基礎(chǔ)，建立多臺機組的廠級負(fù)荷優(yōu)化分配模型，采用遺傳算法、粒子群算法等人工智能算法對調(diào)度指令進行尋優(yōu)和分配，獲得全廠綜合收益最大時，各臺機組的負(fù)荷指令，實現(xiàn)中調(diào)指令的最優(yōu)分配，分配目標(biāo)應(yīng)兼顧全廠運行的經(jīng)濟性、全廠負(fù)荷響應(yīng)的快速性以及鍋爐、汽輪機、輔機等安全性方面的要求。其具體技術(shù)要求：提升全廠運行的經(jīng)濟性，降低全廠煤耗0.3%以上；廠級AGC和一次調(diào)頻能力應(yīng)滿足電網(wǎng)考核要求；應(yīng)綜合考慮機組可用性、輔機性能、運行方式等邊界約束條件，提高負(fù)荷優(yōu)化分配的安全可靠性。

2.4 智慧交互

2.4.1 安全穩(wěn)定性交互

1）控制回路品質(zhì)評估可采用控制指標(biāo)評價相關(guān)算法（如衰減率、衰減比等），對控制回路動態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，在線量化控制系統(tǒng)性能；應(yīng)在線監(jiān)控機組主要控制回路的調(diào)節(jié)性能，如主蒸汽壓力、中間點溫度、蒸汽溫度、NOx質(zhì)量濃度、SO2質(zhì)量濃度等，將其量化并給出具體得分。

2）執(zhí)行機構(gòu)性能監(jiān)控可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)以往故障的現(xiàn)象和運行人員的經(jīng)驗，建立執(zhí)行機構(gòu)性能判斷專家?guī)?；根?jù)專家知識庫，對機組主要執(zhí)行機構(gòu)（如調(diào)節(jié)閥）的工作狀態(tài)實時計算并監(jiān)控，如磨損、內(nèi)漏、卡澀、連桿及反饋桿脫落等。

3）設(shè)備健康度評估建立輔機設(shè)備模型，分析模型輸出與實際輸出間的關(guān)聯(lián)度信息，實現(xiàn)對輔機設(shè)備的健康度評價；應(yīng)從多個維度評估設(shè)備健康度，使運行人員能夠?qū)崟r掌握設(shè)備整體運行情況、可靠性及經(jīng)濟性。

4）鍋爐受熱面監(jiān)控構(gòu)建受熱面灰污程度模型，在線計算受熱面潔凈因子，指導(dǎo)吹灰優(yōu)化；建立受熱面壁溫的預(yù)測模型，實時預(yù)測未來時刻受熱面壁溫；對鍋爐四管監(jiān)測點的超溫、超壓進行統(tǒng)計，實時掌握鍋爐四管健康水平。

5）高效的預(yù)警/報警/診斷根據(jù)設(shè)備運行狀況或參數(shù)變化趨勢，提前發(fā)出故障預(yù)警，消除潛在隱患；優(yōu)化報警系統(tǒng)，減少無效報警，快速定位報警根源，提高報警監(jiān)控效率；對工藝系統(tǒng)、設(shè)備運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測及故障診斷，給出故障處理操作指導(dǎo)。

2.4.2 經(jīng)濟環(huán)保性交互

1）性能計算與耗差分析在蒸汽流量與低壓缸排氣焓軟測量的基礎(chǔ)上，以實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對電廠設(shè)備及系統(tǒng)性能進行計算和分析，全面、直觀反映機組運行狀況，明確機組的節(jié)能降耗潛力，并提供運行操作指導(dǎo)或?qū)崿F(xiàn)底層控制回路自動閉環(huán)優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2）污染物脫除性能評估構(gòu)建污染物脫除性能綜合指標(biāo)，根據(jù)污染物參數(shù)的波動幅度和閾值、運行人員的容忍度以及短板原理，對NOx質(zhì)量濃度、SO2質(zhì)量濃度以及粉塵等進行綜合打分，并關(guān)聯(lián)預(yù)警和報警功能，降低運行人員監(jiān)盤的勞動強度。

2.4.3 靈活機動性交互

1）AGC性能評估根據(jù)電網(wǎng)AGC“兩個細(xì)則”指標(biāo)要求，實現(xiàn)電廠機組AGC性能指標(biāo)在線計算和評估；實時累積計算當(dāng)值、當(dāng)天、當(dāng)月的AGC考核分?jǐn)傠娏亢脱a償收益，以便運行人員決策，并完成中、長期AGC目標(biāo)計劃。

2）一次調(diào)頻性能評估根據(jù)電網(wǎng)的一次調(diào)頻“兩個細(xì)則”指標(biāo)要求，實現(xiàn)電廠機組一次調(diào)頻性能指標(biāo)在線計算和評估；實時累積計算當(dāng)值、當(dāng)天、當(dāng)月的一次調(diào)頻考核分?jǐn)傠娏亢脱a償收益，以便運行人員決策，并完成中、長期一次調(diào)頻目標(biāo)計劃。

3 結(jié) 論

本文針對“十四五”規(guī)劃中研制能源工控系統(tǒng)、建設(shè)智慧能源體系的明確目標(biāo)，提出了火電廠ICS的體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

1）火電廠ICS應(yīng)以DCS軟硬件為基礎(chǔ)，根據(jù)智能化應(yīng)用功能對數(shù)據(jù)、算法、算力的要求，進一步拓展智能傳感器、智能控制器、高性能服務(wù)器、智慧人-機接口、大數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)等，以滿足ICS對關(guān)鍵參數(shù)測量、智能化控制、復(fù)雜計算、海量數(shù)據(jù)存取、大數(shù)據(jù)分析、人工智能訓(xùn)練學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)高速交互的需求。

2）火電廠ICS的應(yīng)用功能十分復(fù)雜，應(yīng)按照不同應(yīng)用功能的目標(biāo)、連接關(guān)系以及信息流動過程進行劃分，形成ICS的功能架構(gòu)，即先進檢測（先進在線監(jiān)測和參數(shù)軟測量）、智能控制（高度自動化和模擬量智能控制）、自主決策（設(shè)備運行方式?jīng)Q策和連續(xù)參數(shù)定值優(yōu)化）和智慧交互（安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟環(huán)保性以及靈活機動性交互）。

3）火電廠ICS的關(guān)鍵技術(shù)錯綜復(fù)雜，本文按照其功能架構(gòu)進行梳理和歸類，并簡要介紹了相應(yīng)的技術(shù)原理和指標(biāo)要求，對指導(dǎo)火電廠智能控制系統(tǒng)建設(shè)具有較大參考意義。