火力发电厂热工自动化系统的稳定性分析与优化

1 热工自动化系统架构及运行原理

热工自动化系统由数据采集处理、控制决策、执行和人机交互等子系统组成。数据采集系统利用压力传感器、温度变送器、流量计等测量元件实时采集蒸汽温度、管道压力、介质流量等热工参数，通过信号调理电路转化为标准 4⋅20mA 或 0-10V 数字信号，经由 Profibus、Modbus 等工业总线传输至 DCS 控制系统。控制决策系统根据预设的 PID 算法、模糊控制、神经网络等策略，在工程师站进行逻辑运算后生成调节指令，同时具备异常工况下的自整定与联锁保护功能。执行系统通过智能定位器驱动调节阀、由伺服电机操控风门挡板、通过变频器调整泵机转速等方式，实现对锅炉燃烧、汽机负荷、换热效率等关键运行参数的精准调节。人机交互系统则依托组态软件搭建 SCADA 监控界面，配备冗余操作站、报警光字牌、趋势曲线显示模块，并支持移动端远程监控、语音指令交互和多屏联动功能，为运行人员提供数据可视化与设备操控的数字化平台。

2 影响热工自动化系统稳定性的因素

2.1 硬件因素

传感器在高温、高压等恶劣环境下易故障，如热电阻丝老化导致测温失准，膜片受损引发压力偏差。此类故障会误导控制决策，造成控制失误。控制器作为核心，若硬件老化或散热不良，易出现性能下降或死机，如 CPU过热会延迟响应，危及系统稳定。执行机构故障直接影响设备，调节阀卡涩、电机烧毁、气源故障等常见问题会降低流量控制精度，破坏系统稳定性。

2.2 软件因素

系统控制软件可能存在逻辑错误和兼容性漏洞。逻辑错误会导致控制策略偏差和设备失控；兼容问题可能引发数据传输异常。定期升级可修复漏洞，但可能带来新问题如硬件不兼容、升级中断导致系统瘫痪。数据存储故障、病毒攻击和人为误操作易致数据丢失，传输中的电磁干扰也可能影响数据准确性，进而干扰系统判断。

2.3 环境因素

火电厂电气设备运行时产生强电磁干扰，影响热工自动化系统。传感器信号可能异常，控制器数据处理易出错，如大型电机启动引发瞬时干扰导致数据波动。系统对温湿度要求严格，高温会降低元件性能甚至损毁，湿度过高易引发电气故障，如空调故障致控制器死机。电厂灰尘和腐蚀性气体积聚会阻碍设备散热，造成电路短路，同时腐蚀金属部件与元件，缩短设备寿命并增加故障概率。

3 热工自动化系统稳定性优化策略

3.1 硬件优化

选用知名品牌传感器、控制器等设备，确保恶劣环境稳定运行。关键硬件冗余设计，如冗余控制器自动切换及传感器、电源冗余配置。建立定期维护制度，清洁设备、校准传感器，并在线监测实时发现隐患。模块化设计提升可维护性，配置标准化插拔单元，实现故障部件快速更换。信号采集模块集成三级滤波电路与金属屏蔽罩，电磁敏感度达 IEC61000-4-3 四级。热仿真优化散热布局，构建独立风道，核心部件温度低于额定值 80% 。光纤通信替代铜缆，ST 连接器构建环形拓扑，误码率控制在。振动敏感设备加装自适应减震基座，压电传感器监测振动频谱，检测 30Hz 以上共振时激活动态补偿机制。

3.2 软件优化

及时修复软件漏洞，建立补丁管理机制，升级前充分测试兼容性。采用数据加密、访问控制和定期备份保障数据安全。集成故障诊断功能，实现故障自动恢复并建立详细故障日志记录机制。在控制算法层面，采用模型预测控制（MPC）与模糊 PID 的混合控制策略，通过滚动时域优化实现多变量耦合系统的解耦控制。针对锅炉燃烧系统开发基于数字孪生的动态参数整定模块，利用实时数据驱动的高精度仿真模型，使风煤比控制精度提升至 ±0.8% 。建立控制软件异常行为监测体系，部署基于深度置信网络（DBN）的入侵检测算法，在系统资源占用率超过 85% 时自动触发三级防御机制。

开发数据清洗中间件，集成滑动窗口滤波与改进型小波阈值去噪算法，对采集信号进行在线预处理。构建分布式时序数据库集群，采用时间分片存储策略实现秒级数据压缩，确保10 年历史数据检索响应时间小于 200ms 。在数据通信协议中嵌入 CRC-32C 循环冗余校验码，结合前向纠错（FEC）技术使数据传输完整率达到 99.999% 。

升级故障诊断系统为智能运维平台，部署基于随机森林算法的故障树分析引擎，实现 92% 以上常见故障的根源定位。开发控制策略自愈模块，当检测到程序跑飞时，通过硬件看门狗与软件心跳包双重机制实现 500ms 级快速重启。建立三维可视化报警溯源系统，采用着色 Petri 网建模技术，将报警关联分析准确率提升至 88.6% 。在人机交互层面，引入虚拟 DCS 操作站技术，开发支持手势识别与语音指令的多模态控制界面。配置操作风险预判系统，通过长短期记忆网络（LSTM）对操作序列进行合规性验证，当检测到危险操作组合时，在 300ms 内启动操作闭锁并发出三级声光警示。构建知识图谱驱动的智能助手，整合 2 万余条设备维护案例，可实现自然语言查询的故障处置方案推送。

3.3 环境优化

采用屏蔽电缆和机柜屏蔽层降低电磁干扰，优化接地系统。使用空调、除湿机和传感器精确控温控湿，加装空气过滤器防尘。对腐蚀区采用防腐涂层和耐蚀材料。电磁屏蔽采用双层机柜，信号通道加装磁环滤波器，对4⋅20mA 信号实施共差模滤波，干扰衰减超 60dB。DCS 机柜内分层屏蔽，隔离数字/模拟板卡，背板总线设π型滤波，辐射强度符合 EN55032ClassA。闭环温控系统通过分布式传感器网络，用 PID 算法调节空调参数，温度梯度超 2^∘C/m² 时启动定向送风，温控误差 ±0.5°C 。双冗余除湿机组在湿度超55% 时切换分子筛除湿，湿度波动 ±3%RH 。粉尘防治采用 F9 级过滤器，在易积尘区加负压除尘装置，形成 0.5m/s 定向气流并自动清灰。磨煤机区用 0.25MPa 气幕隔离，粉尘沉积量低于 5mg/m²⋅h. 。

对直接接触腐蚀性气体的设备表面，采用等离子喷涂工艺制备 50μm 厚 Al2O3-TiO2 复合涂层；在电气连接部位涂抹 DLT-8 型导电防腐膏；对整体机柜实施 VCI 气相缓蚀技术，在密闭空间内持续释放氨类缓蚀分子。经盐雾试验验证，该方案可使设备在 Cl-浓度 100mg/m³ 环境中保持 5000小时无腐蚀。设备布局优化应遵循热力学仿真结果，将发热量大于 500W的控制柜与敏感测量设备间隔距离扩展至1.2 米以上，同时在地面铺设 3mm 厚铝制散热格栅。对振动敏感的压力变送器等仪表，采用三维隔振安装方式，在垂直方向配置刚度系数为 8kN/m 的碟形弹簧，水平方向布置粘滞阻尼器，可将振动传递率抑制在 5% 以下。

建立基于物联网的环境监控平台，集成 485 个监测点位，每 15 秒采集一次环境参数。采用改进型灰色预测模型实现故障预警，当某区域电磁干扰强度连续 3 分钟超过 85dB 时，自动启动电磁拓扑重构程序。该平台通过 OPCUA 协议与 DCS 系统互联，可实时调取设备健康状态数据，运用模糊综合评价算法生成环境优化指数（EOI），为预防性维护提供量化依据。