摘要：本文系統地介紹火力發電廠電氣二次系統的現狀及發展趨勢，供工程設計和技術改造參考使用。 1 引言 火力發電廠是技術高度密集型企業，在這里，大量的高新技術得以應用，高新技術為現代發電技術提供了強大的技術支持。火力發電廠電氣控制系統在短短的五十年中經歷了從簡單分散控制系統到微機控制的全過程。為此，電規總院開展了2000年示范電廠設計模式的研究，責成六大院進行了2000年示范電廠的設計研究工作，為降低工程造價，提高電廠的管理水平及自動化水平打下了堅實的基礎。本文結合內蒙西部電網的發展情況，分析現階段我國火力發電廠電氣控制系統的現狀，針對2000年示范電廠的設計模式，研究我國火力發電廠電氣控制系統的發展趨勢。 2 控制、信號和測量系統 2．1 單元控制室和主控制室 火力發電廠的控制方式按控制地點可分為主控制室和單元控制室兩類，后者還包括含網絡控制的單元控制室以及設置獨立單元控制室和網絡控制室兩種類型。一般而言，單機容量為1OOMW以下的發電廠，宜采用主控制室，而單機容量為200MW及以上的機組，宜采用單元控制室。內蒙西部電網已建電廠中，豐鎮電廠6x200MW機組，達拉特電廠4x330MW機組均采用了每臺機設置一單元控制室，并單獨設置網絡控制室的方案。而在建中的呼和浩特電廠2x200MW機組及內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建2x330MW機組均采用了兩臺機設置一單元控制室，不設網絡控制室，將網絡控制納入單元控制室的方案。 采用單機一控和兩機一控從電氣專業來說各有優缺點。采用單機一控具有安裝、運行、操作、監視、測量、調試和保護單元性強，故障處理無干擾，控制室寬敞，運行條件好的優點，同時存在兩臺機公用設備兩地控制，兩地運行，維護管理分散，聯系不方便且運行人員多的缺點。采用兩機一控具有操作、監視、測量、調試和保護單元性強，兩臺機公用設備可相對集中布置，不存在兩地控制問題，使接線簡單，操作方便，同時控制室布置較緊湊，全廠值班人員少，運行維護管理集中等優點，缺點在于當一臺機組安裝、調試、維護和故障處理時，對另一臺機組有干擾。通過對單機一控和兩機一控方案的比較，兩機一控方案明顯優于單機一控方案，而在條件允許的情況下，取消網絡控制室，將網絡部分的控制納入單元控制室，則對減小控制室面積，減少運行值班人員，降低工程造價有著很大的現實意義。 2．2 控制方式 發電廠的控制方式有強電一對一控制，弱電選線控制及微機監控三種方式。控制回路直接關系到斷路器的跳合閘，對可靠性要求較高。目前，大部分斷路器的操動機構只有強電參數，如用弱電控制需要通過強弱電轉換環節來實現，接線復雜，可靠性很低，因此，火力發電廠中為保證操作的可靠性，不采用弱電控制。強電控制具有接線簡單清晰，運行方便，調試方便，安全可靠等優點，因此，大中型火力發電廠中均采用強電控制方式。隨著時代的發展，科學技術的進步，微機綜合自動化技術也已成熟，并在變電所中廣泛應用，同時取得了豐富的工程經驗和運行經驗。發電廠采用微機監控方式，將電氣控制進入DCS系統，可極大的提高機組的自動化水平，為實現爐機電單元統一值班創造良好的條件。同時，也符合2000年示范電廠電氣自動化設計的原則和目標。火力發電廠電氣系統采用微機監控是時代的要求，也是科學技術發展的必然結果。 內蒙西部電網中，豐鎮電廠6x200MW機組，達拉特電廠4x300MW機組均采用了強電一對一控制方式，而在建中的呼和浩特電廠2x200MW機組及內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建2x330MW機組則分別采用了強電一對一控制和微機監控方式，而后者則是完全按照2000年示范電廠的標準進行設計的。 2．3 信號和測量系統 發電廠的中央信號系統是全廠信號的核心，現行工程設計中，有傳統的采用沖擊繼電器及光字牌組成的能重復動作，可手動、自動復歸的中央信號系統，也有采用微機閃光報警器組成的中央信號系統。由沖擊繼電器組成中央信號裝置，在過去的工程設計中廣為應用，但隨著科學技術的進步，其存在的缺點也逐漸暴露出來，如報警信號單一，不能記憶瞬時信號，可靠性差，光字牌燈泡壽命短，功耗大，發熱嚴重，回路復雜，維護工作量大，在大中型火力發電廠中與熱控專業選型不同，外型不美觀等，現行工程設計中，已逐漸將其淘汰。而微機型閃光報警器具有信號瞬時保持，光字牌閃光，信號回路設計不須考慮重復動作問題，信號數量從原理上講可不受限制，接線簡單，技術含量高，外型美觀，功能齊全的特點，在現行工程設計中廣為采用。 當火力發電廠電氣部分采用微機監控后，則可將中央信號進入DCS系統，由計算機完成中央信號的任務，既減少了中央信號系統相應的設備，也使系統簡潔明了，功能進一步加強，技術性能上處于先進地位，是最完善，性能最好的方案。 內蒙西部電網已建電廠中，豐鎮電廠6x200MW機組均采用了沖擊繼電器構成中央信號系統，達拉特電廠4x330MW機組均采用了微機型閃光報警器。在建中的呼和浩特電廠2x200MW機組也采用微機型閃光報警器，而在建中的內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建 2x330MW機組由于采用了微機監控方式，按 2000年示范電廠設計，將中央信號系統取消，進入DCS系統，是最先進的方法。 常規火力發電廠中，對于電氣測量而言，按規程規定設置常規的測量表計，采用槽型表或方型表，安裝于控制屏臺上，而電度表則采用常規電度表。比較先進的電廠中則選用數顯儀表，裝設智能型電度表，設置電費計量系統。 內蒙西部電網中，豐鎮電廠6x200MW機組均采用常規測量表計，達拉特電廠4×330MW機組采用常規測量表計，但電度表改用脈沖型。在建中的呼和浩特電廠則選用數顯儀表和智能型電度表。而按2000年示范電廠設計的內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建 2x330MW機組由于采用了微機監控方式，取消了常規的測量儀表，將測量進入DCS系統，既節省了控制屏及相關電纜，也便于運行維護。 3 2000年示范電廠自動化設計原則和目標 鑒于我國火力發電廠本身存在的問題及與國際先進水平之間的差距，1997年8月，電力規劃設計總院提出了《關于加快兩個根本性轉變，改革設計思路和方法，建設2000年燃煤示范電廠的建議》，《建議》分析了當前設計的燃煤電廠與國際先進水平的七條差距，造成差距的五個原因，提出了十項改進目標，八條具體設想以及五項實施建議。對于電氣控制系統而言，存在的主要問題是： （1）單元機組中鍋爐、汽機和發電機＼變壓器組，廠用電等的控制水平不協調，多數電廠沒有實現單元機組統一值班，輔助車間和輔助系統自動化水平不高，值班人員偏多。 （2）單元機組控制室大，控制系統結構沒有跟上世界最新技術發展，電纜及其工程量愈來愈大。 （3）機組自動化功能水平與國際先進水平尚有差距。 （4）單元機組控制中心進一步智能化，自動化、控制室小型化，發變組和廠用電的順序控制進入分散控制系統（DCS），使電氣控制與鍋爐、汽機等熱工控制的方式和水平相協調，為實現爐機電單元統一值班創造良好的條件。爐、機、電實現全CRT監控，取消后備監控設備（包括傳統控制盤），網絡控制計算機化，同樣實現全 CRT監控，納入第一單元控制室，取消網絡控制室，兩臺單元機組的控制室面積由目前規定的350—400m2縮小到150m2以下。 （5）單元機組監控系統全面按功能分散和物理分散的原則進行設計，電子設備間分散布置，設置小集控室，取消電纜夾層，既節省大量昂貴的控制電纜和計算機電纜，初步估計可以節省30％～40％電纜。由于電纜敷設工程量減少，有利于壓縮工期，同時有利于防火和電廠安全運行。 （6）提高全廠綜合自動化水平，實現全廠監控和管理信息系統網絡化。水泵房，水處理，輸煤和除灰（渣）等輔助車間和輔助系統，以及遠動和網絡控制應統一設計原則，統一監控設備選型，統一設計標準，并提高自動化水平，實現全CRT監控，不設后備，提高這些系統運行安全性和經濟性，減少值班人員。 2000年示范電廠關于電氣控制系統的設計原則和目標，是今后工程設計的方向和原則，新建工程應按此標準執行，大中型火力發電廠的改造也應遵循這一思路進行。 4 廠用電動機控制 火力發電廠中，除主廠房內的汽機、鍋爐電動機外，還有大量的輔助系統，比較集中的系統包括輸煤系統，除灰系統，化學水系統，水工系統等。 對于汽機、鍋爐電動機，以往工程設計中均采用強電一對一控制方式。內蒙西部電網中豐鎮電廠6x200MW機組及達拉特電廠1、2號 2x330MW機組均采用強電集中控制方式。從達拉特電廠1、2號機組設計、安裝、調試、運行情況看，對于汽機、鍋爐電動機當采用強電控制時，電動機的連鎖采用繼電器組成邏輯回路，其聯鎖回路繁雜，可靠性較低，在達拉特電廠3、4號2x330MW機組工程中，將引、送風機、一次風機等鍋爐電動機進入熱工DCS系統，使接線簡化，收到了好的效果（但離汽機、鍋爐電動機全部進入DCS系統尚有一定的距離。在建中的呼和浩特電廠2x200MW機組則將汽機、鍋爐電動機全部進入熱工DCS系統，而在建中的內蒙古國華準格爾發電廠擴建2x330MW機組則將電氣系統，包括發變組、高、低壓廠用工作、公用、備用電源、汽機、鍋爐電動機全部進入熱工DCS系統，是最完善，最現代化的設計方案，也是今后大、中型火力發電廠設計應走的道路。 輸煤系統控制方式可分為就地手動控制，集中控制和程序控制三種方式，內蒙西部電網已建大、中型火力發電廠中均采用了集中控制方式，而在小機組中也有采用就地控制的方式。實踐證明，采用人工就地操作和監控，不僅崗位人員多，勞動強度大，職業病發病率高，而且由于各崗位聯系不緊湊，致使設備很難達到合理運行和安全運行。對于大、中型火力發電廠輸煤系統，當采用集中控制時，由繼電器構成邏輯聯鎖回路，二次控制聯鎖回路繁雜，控制元件眾多，且耗費大量的控制電纜，其自動化水平較低。隨著科學技術的進步，實現輸煤系統自動化已是火力發電廠現代化文明生產的迫切需要。近年來，隨著微處理機技術的高速發展，輸煤程序控制也得到了極大的發展，其技術也已成熟，并且在國內大中型火力發電廠中推廣應用，并積累了豐富的經驗，同時也符合2000年示范電廠的設計思路。鑒于此，內蒙西部電網在建工程中，呼和浩特電廠2x200MW機組及內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建2x330MW機組輸煤系統均采用了程序控制。 同樣，除灰系統和化學水系統也應盡可能的采用程序控制，以提高全廠的自動化水平。 今后工程設計中，應按照2000年示范電廠的設計原則和目標，致力于提高綜合自動化水平。對于輔助系統的控制而言，應實現全廠監控和信息系統網絡化，同時應統一設計原則，統一監控設備，并盡力使選型統一。 5 元件繼電保護 隨著時代的發展，科學技術水平的不斷提高，元件繼電保護裝置的發展經歷了從電磁型、整流型、晶體管型、集成電路型到微機型的發展歷程。內蒙西部電網已建電廠中，50MW以下機組均采用了電磁型繼電保護裝置，50MW機組采用了整流型繼電保護裝置，IOOMW機組均采用了晶體管型繼電保護裝置，已建200MW機組均采用了晶體管型繼電保護裝置，330MW機組采用了集成電路型繼電保護裝置，基本上可滿足安全運行的要求。隨著科學技術的進步，微機繼電保護裝置的發展也進入新時期，微機型變壓器保護裝置在變電所中已經大面積推廣應用，微機型線路保護裝置已完全代替了其它類型的保護裝置。而近幾年投產的大中型火力發電機組也有步驟的選用了微機型元件保護裝置。鑒于此，在建中的呼和浩特電廠2x200MW機組及內蒙古國華準格爾發電廠二期擴建2x330MW機組均選用了微機型元件繼電保護裝置。 電磁型保護繼電器原理接線簡單，維護方便，容易掌握，有豐富的運行經驗，在80年代設計的中小容量機組中廣泛應用，但有些保護裝置由于在原理判據，靈敏系數等方面不滿足大容量機組保護的要求，因此在大中型火力發電機組中電磁型產品應用較少。整流型和晶體管型保護裝置在靈敏系數，快速性，選擇性等方面都很優越，并具有體積小，功率消耗小，防震性能好的優點，是80年代中期到90年代初期大中型火力發電機組的主要保護裝置。而集成電路型保護裝置做為向微機型保護裝置過渡的產品，沒有來得及大面積推廣應用即被性能更優越的微機型保護裝置所取代。微處理機技術的迅猛發展，幾乎滲透到元件保護的每一個腳落，從微機型電動機、電容器、線路、變壓器綜合保護裝置到大中型火力發電廠、變電所元件繼電保護裝置，其優良的性能，先進的技術，方便快捷的數據處理手段，為專業技術人員所青睞，其大面積推廣應用，并最終取代其它各類繼電保護裝置也是情理之中的事情。 今后工程設計中，對于新建大中型火力發電廠應采用微機型繼電保護裝置，而對于改建中的中、小容量機組則應根據工程的具體情況，建設方的意見及投資情況，綜合分析比較后，采用合適的保護裝置，但選用電磁型、整流型、晶體管型繼電保護裝置時，要考慮生產廠家是否生產及備品備件的供應情況。 6 直流操作電源系統 火力發電廠中，為了供給控制、信號、保護、自動裝置、事故照明、直流油泵和不停電電源裝置用電，要求設置可靠的直流電源。 由蓄電池組成的直流系統包括三類，即固定型防酸隔爆式蓄電池、閥控式鉛酸蓄電池和堿性隔鎳電池。普通鉛酸蓄電池在現行工程設計中大量選用，積累了豐富的生產制造、安裝維護、運行管理經驗，但在實際應用中也存在許多缺陷，如：電池體積偏大，占據較大的蓄電池室，運行中有酸霧逸出污染環境，需設置調酸室和調酸加液設備，運行維護復雜繁瑣。堿性隔鎳蓄電池包括中倍率和高倍率二種類型。堿性隔鎳蓄電池具有安裝維護簡單，運行可靠等優點，但也存在由于制造工藝水平提高較慢，爬堿、滲漏等問題沒有得到有效解決，且需要定期補液，同時，其價格大大高于普通鉛酸蓄電池，因此，國內大中型火力發電廠中很少采用，只是在遠離主廠房需要直流電源的附屬車間或輔助系統，選用10～20AH的高倍率堿性電池。 閥控式鉛酸蓄電池在近幾年來得到了迅猛發展。由于其在使用過程中可以保持閥控式密封，不需加酸、加水維護，無酸霧逸出，不污染環境，不腐蝕設備，電池可立放、臥放或積木式安裝，不需考慮防酸問題，當容量較小時，甚至可以直接裝屏布置于控制室。由于閥控式蓄電池優良的性能，雖然其起步較晚，但在大、中型火力發電廠及變電所中均有使用，而郵電通信工程中則全部選用閥控式鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池是替代固定型鉛酸蓄電池和隔鎳電池的理想產品。 內蒙西部電網中，豐鎮電廠、達拉特電廠均采用了主廠房直流系統，選用固定式鉛酸蓄電池，而附屬車間選用隔鎳電池的方案。而在建中的呼和浩特電廠則選用了閥控式鉛酸蓄電池。 對于鉛酸蓄電池，現行工程設計中選用的蓄電池充電設備一般有三種方式，即硅整流充電裝置，微機型充電裝置和高頻開關電源，前二者的區別僅在于控制器是選用普通型還是選用微機型，都屬于相控電源，而后者則屬于開關電源。硅整流充電裝置和微機型充電裝置在現行工程設計中伴隨固定型鉛酸蓄電池廣為應用，而高頻開關電源的發展則與閥控式蓄電池同步。高頻開關電源是現代科學技術發展的產物，其與傳統相控電源比較，具有很大的優越性，表現為： （1）可靠性高，因采用整流模塊并聯供電， N+1備份模式，其中一個模塊損壞，其余模快仍能正常工作，而相控電源是主從備份模式。 （2）重量輕，體積小，維護方便。 （3）效率高，功率因數高，開關電源功率轉換效率為65％一95％，而相控電源只有20— 30％。 （4）穩壓精度高，輸出紋波系數小，有利于控制及保護設備的可靠運行，也可提高蓄電池壽命。 鑒于高頻開關電源的優良性能，呼和浩特電廠2X200MW機組選用了高頻開關電源做為充電裝置。 7 自動裝置 為保證電力系統可靠，經濟運行，減輕運行人員的勞動強度，發電廠裝設各種自動裝置，如備用電源自動投入裝置，自動重合閘裝置，自動準同期裝置，發電機自動調整勵磁裝置等。 現行工程設計中，自動重合閘裝置及發電機自動調整勵磁裝置均采用微機型，而對于自動準同期裝置，以往工程設計中，一般均采用 ZZQ-3A、ZZQ-3B、ZZQ—5型集成電路型裝置，可滿足大、中型火力發電廠安全運行的要求，近年來也開始有微機型自動準同期裝置問世，微機型自動準同期裝置是技術發展的必然趨勢，今后工程設計中應有目的，有步驟的加以使用。 發電廠備用電源自動投入裝置有電磁型、集成電路型和微機型三種類型，以往工程設計中均有采用。 隨著機組容量的增大，對廠用電切換時間，切換過程中設備受到沖擊，鍋爐系統工況的穩定等問題越來越受到關注。內蒙西部電網中，豐鎮電廠6x200MW機組及達拉特電廠1、2號 2x330MW機組，由于采用少油開關，不具備采用快速切換的條件，均采用傳統的慢速切換方式，即廠用母線上的一個電源被切除后才投入另—個電源。這種切換方式，廠用電源切換時間較長，廠用電源切換過程中對鍋爐運行工況的穩定運行和對廠用電動機沖擊較大，難以滿足大機組廠用電源安全，可靠切換的要求，為此，豐鎮電廠及達拉特電廠1、2號機在調試及運行中，都進行了—定程度的改進，但效果不很理想。針對廠用電源切換中存在的問題，在達拉特電廠3、4號2x330MW機組工程設計中， 6kV開關選用真空斷路器，同時，廠用電源切換選用了快速切換裝置，較好地解決了慢速切換帶來的問題。鑒于廠用電源快速切換裝置在達拉特電廠3、4號機組的成功應用，達拉特電廠隨即對1、2號機組廠用電源切換系統進行了改造，更換6kV真空斷路器，裝設廠用電源快速切換裝置，成功地解決了以往工程中廠用電源切換存在的問題，滿足了大、中型火力發電廠安全穩定運行的要求，今后工程設計和改造中要努力創造條件，推廣應用廠用電源快速切換裝置。 綜上所述，本文針對大、中型火力發電廠電氣二次系統的現狀及存在問題，結合2000年示范電廠的設計模式，進行了詳細的討論，提出了新建及改建大、中型火力發電廠電氣二次系統的設計思路，供工程設計、改造中參考使用。