关于火电厂集控系统自动化技术对发电效率的影响分析

一、引言

在全球能源需求持续增长与能源结构调整的大背景下，火电厂作为我国电力供应的主力军，其运行效率直接关系到国家能源安全与经济发展。提升发电效率，不仅是火电厂降低运营成本、增强市场竞争力的关键，更是实现节能减排目标、推动能源可持续发展的必然要求。集控系统自动化技术凭借先进的计算机、网络和控制技术，在火电厂生产运行中得到广泛应用，深刻改变了传统火电生产模式。研究该技术对发电效率的影响，探索其优化路径，对于推动火电厂转型升级、实现高质量发展具有重要的现实意义。

二、火电厂集控系统自动化技术概述

（一）集控系统自动化技术的概念

火电厂集控系统自动化技术，是借助计算机技术、通信技术、自动控制技术以及网络技术，构建起的一套高度集成化、智能化的生产运行管理体系。该技术打破火电厂各生产环节相互独立的传统模式，通过对锅炉、汽轮机、发电机等核心设备以及辅助系统的集中监控与控制，实现生产数据的实时采集、传输与分析，进而对整个发电流程进行精准调控。其核心原理在于，将分散的设备运行参数与状态信息统一整合至中央控制系统，利用预设的控制算法和逻辑程序，自动调节设备运行状态，确保火电厂生产过程安全、稳定、高效运行。

（二）主要构成及功能

火电厂集控系统自动化技术主要由数据采集系统、监控系统和控制系统三大部分构成。数据采集系统作为整个集控系统的“感知层”，通过分布在火电厂各处的传感器、变送器等设备，实时采集温度、压力、流量、转速等关键运行参数，并将这些数据快速、准确地传输至中央控制系统。这些数据的实时性和准确性对于火电厂的安全高效运行至关重要。监控系统则是操作人员与生产过程交互的“窗口”，它以直观的画面、图表等形式展示火电厂设备运行状态、生产流程进展以及各项参数变化趋势，方便操作人员实时掌握生产动态，及时发现异常情况。控制系统是集控系统的“大脑”，依据监控系统反馈的信息以及预先设定的控制策略，自动调节设备的运行参数，如通过调节锅炉的燃料供给量和送风量，控制蒸汽压力和温度；通过调整汽轮机的进汽量，控制发电机的转速和功率输出，实现对发电过程的精细化管理。此外，控制系统还能够根据实时数据和历史数据进行分析，预测设备可能出现的问题，并采取预防措施，从而提高整个火电厂的运行效率和可靠性。

（三）发展历程与现状

火电厂集控系统自动化技术的发展经历了多个阶段。早期以模拟仪表控制系统为主，设备功能单一，操作分散，自动化程度较低。随着计算机技术的兴起，逐步发展为计算机监控系统，实现了部分生产过程的集中监控。进入 21 世纪，随着信息技术的飞速发展，集控系统向智能化、集成化方向迈进，具备了数据深度分析、故障诊断预测、优化决策支持等功能。当前，该技术在我国火电厂已得到广泛应用，新建火电机组基本实现了高度自动化控制，但在一些老旧机组改造以及系统整体智能化水平提升方面，仍有较大发展空间。

三、集控系统自动化技术对发电效率的影响

（一）提升运行稳定性与可靠性

自动化技术通过实时监测设备状态，能够及时捕捉设备运行中的细微异常变化。以汽轮机轴承振动监测为例，高精度振动传感器可实现每秒数千次的数据采集，通过傅里叶变换等算法对振动频谱进行分析，不仅能检测出振动幅值异常，还能识别出不平衡、不对中、轴承磨损等不同故障特征。当振动值超过正常范围时，系统立即启动两级预警机制：黄色预警提示运维人员关注，此时系统会自动收集近段时间内的相关运行数据，运用机器学习算法对振动趋势进行深度分析，生成详细的振动异常分析报告，帮助运维人员更准确地判断异常原因；红色预警则直接触发停机保护，避免设备故障的进一步扩大，停机后，系统还会自动记录停机前的所有运行参数和设备状态信息，为后续的故障诊断和维修提供全面的数据支持。

同时，自动化系统采用三重化冗余设计，关键控制单元如分散控制系统（DCS）的控制器、通信网络、电源模块均配备冗余备份。在某百万千瓦级火电厂的实际应用中，曾出现主控制器突发故障，但冗余控制器在 4 毫秒内无缝切换，保障了机组稳定运行。这种主动式的故障预警与预防机制，结合冗余容错技术，使火电厂非计划停机时间降低 60% 以上，为发电效率的提升奠定坚实基础。

（二）优化资源配置与利用

在火电厂的生产过程中，会涉及到多种能源资源的消耗，包括煤炭、水资源、化学药品等。为了提高能源利用效率，集控系统自动化技术构建了一个多目标优化模型。这个模型综合考虑了发电负荷需求、设备能效曲线、能源市场价格等 12 类变量，运用了遗传算法、粒子群算法等多种智能算法，以实现资源的动态优化分配。

在煤炭供应方面，系统通过在线煤质分析仪实时获取煤质参数（如发热量、挥发分、灰分等），并结合锅炉燃烧特性，建立了一个神经网络预测模型。这个模型可以精确控制给煤机的转速和分层配煤比例，从而提高燃烧效率。

（三）实现精准控制与调节

在火电厂生产过程中，温度、压力、流量等参数的精准控制对发电效率至关重要。集控系统自动化技术采用先进过程控制（APC）策略，结合分布式控制系统（DCS）和现场总线技术，实现全流程精准调控。

在锅炉燃烧控制领域，系统部署了数十个温度、压力、流量传感器，构建炉膛燃烧三维温度场可视化模型。通过模型预测控制（MPC）算法，以秒级频率调节燃料量、送风量和引风量，使炉膛氧量波动范围控制在 ±0.3% 以内，主蒸汽温度偏差控制在 ±2^c 。某 300MW机组应用该技术后，汽轮机热耗率降低 1.2% ，发电效率提升 0.8 个百分点。在汽轮发电机组转速控制中，采用基于自适应内模控制的电液调速系统，可在电网频率波动 ±0.5Hz 时，将转速调节响应时间缩短至 200ms 以内，显著提高电能质量和发电效率。

（四）提高生产管理效率

自动化技术在火电厂生产管理中的应用，构建了 “感知 - 分析 - 决策 - 执行” 的智能管理闭环。生产报表系统集成了实时数据库和大数据分析平台，可自动生成涵盖发电量、煤耗、厂用电率等 30 余项指标的日报、月报，并通过数据挖掘技术分析生产趋势，提前预警潜在风险。​

智能调度系统基于数字孪生技术，建立全厂设备运行状态的虚拟模型，结合电网负荷预测和设备健康评估，运用混合整数规划算法制定最优调度方案。在某区域电网调峰任务中，该系统使机组响应速度提升 40% ，调峰深度增加 15%_⨀ 。设备维护管理模块采用基于深度学习的故障预测与健康管理（PHM）技术，通过分析振动、温度、油液等多源数据，提前 3-6 个月预测设备故障，使计划检修准确率提高至 92% ，维护成本降低 25% ，设备可用率提升至98.5% 。

四、当前集控系统自动化技术存在的问题

（一）技术层面

尽管火电厂集控系统自动化技术在过去一段时间内取得了显著的进步，但在智能化程度上，我们仍然可以看到它还有很大的提升空间。目前，一些关键设备仅仅具备了基本的自动化功能，它们缺乏自主学习的能力以及智能决策的能力，这使得它们在面对复杂多变的生产工况时显得力不从心。此外，由于不同厂家生产的自动化设备和系统在通信协议、数据格式等方面存在差异，这导致了系统之间兼容性不足的问题。这种兼容性问题进一步导致了信息无法实现无缝的交互和共享，从而限制了集控系统整体功能的充分发挥。

（二）管理层面

在当前的火电厂自动化系统管理领域，我们发现了一些企业尚未建立或完善相关的制度，这导致了在自动化设备的维护和操作规范方面存在明显的不足。具体来说，由于缺乏严格的管理制度，设备的维护工作往往不能得到及时的执行，而操作人员在执行操作时也常常不能遵循既定的规范，这些现象时有发生，给火电厂的安全运行带来了潜在的风险。此外，人员培训体系的不完善也是一个不容忽视的问题。部分操作人员对自动化系统的深层次原理和正确的操作方法掌握不够熟练，这不仅限制了自动化系统优势的充分发挥，还可能因为操作不当而引发安全事故，对火电厂的稳定运行构成了威胁。

（三）安全层面

随着火电厂集控系统自动化程度的显著提升，其面临的网络安全和数据安全风险变得越来越严峻。自动化系统与外部网络的连接，使其容易受到黑客攻击、病毒感染等网络威胁，一旦系统被入侵，可能导致设备控制异常、生产数据泄露等严重后果。火电厂生产数据包含大量敏感信息，如设备运行参数、生产工艺数据等，若数据安全防护措施不到位，可能造成数据泄露，影响火电厂的正常生产和企业利益。因此，加强火电厂集控系统的网络安全和数据安全防护措施，已经成为火电厂运营中不可忽视的重要环节。这不仅需要火电厂自身加强安全意识，投入相应的资源进行安全防护，还需要与专业的网络安全公司合作，采用先进的安全技术，构建多层次、全方位的网络安全防护体系，确保火电厂集控系统的安全稳定运行。

五、提升集控系统自动化技术应用效果的对策

（一）加强技术研发与创新

为了进一步提升自动化系统的智能决策和自适应能力，我们需要加大对智能化控制技术的研发投入，积极引入人工智能、大数据分析等前沿技术。通过这些先进技术的应用，我们可以更有效地处理和分析设备运行数据。例如，利用机器学习算法对这些数据进行深入分析，我们可以建立精准的设备故障预测模型。这将有助于实现设备故障的提前预警，从而进行精准维修，减少意外停机时间，提高生产效率。此外，推动自动化系统集成技术的发展也是至关重要的。我们需要制定统一的通信协议和数据标准，以促进不同厂家生产的设备和系统之间的互联互通。通过这种互联互通，我们可以提高集控系统的整体性能和兼容性，确保不同设备和系统能够无缝协作，进一步提升整个生产过程的智能化水平。

（二）完善管理机制

为了确保自动化系统的稳定运行，必须建立健全的自动化系统管理制度。这包括明确设备维护、操作、数据管理等各个环节的规范和标准。通过这样的措施，可以确保每个环节都有明确的指导原则，从而保障系统的高效和稳定运行。此外，加强人员培训也是至关重要的。需要制定一套全面的培训计划，定期组织操作人员参加技术培训和技能考核，以提高他们对自动化系统的操作水平和故障处理能力。通过持续的教育和考核，操作人员可以不断更新知识，提高工作效率。同时，建立激励机制，鼓励员工积极参与自动化系统的优化和创新工作，可以激发员工的积极性和创造力，从而推动自动化系统不断向前发展。

（三）强化安全保障

为了构建一个完善的网络安全防护体系，我们采取了一系列先进的技术手段，包括但不限于部署防火墙、实施入侵检测系统以及应用数据加密技术。这些措施的目的是为了强化对自动化系统的网络安全防护，有效抵御来自外部网络的攻击行为。此外，我们还建立了数据备份与恢复机制，确保重要生产数据的安全性和完整性。通过定期对关键数据进行备份，并且定期执行数据恢复演练，我们能够确保在发生数据丢失或损坏的情况下，能够迅速有效地进行数据恢复，从而保障火电厂的生产数据得到妥善保护。

六、结语​

火电厂集控系统自动化技术对发电效率的提升具有重要作用，通过提升运行稳定性、优化资源配置、实现精准控制和提高生产管理效率等途径，显著推动了火电厂的高效运行。然而，当前该技术在技术、管理和安全层面仍存在诸多问题，制约了其优势的充分发挥。通过加强技术研发创新、完善管理机制、强化安全保障等对策，能够有效提升集控系统自动化技术的应用效果。未来，随着科技的不断进步，火电厂集控系统自动化技术将朝着更加智能化、集成化、安全化的方向发展，为火电厂进一步提高发电效率、实现绿色可持续发展提供强大动力。

参考文献：

[1] 邹毅, 肖丽, 廖源. 火力发电厂自动化控制系统设计研究[J]. 信息记录材料, 2023, 24

(11): 63-65.

[2] 邓丽金 . 电气自动化技术在火力发电中的创新应用 [J]. 新课程 , 2023, (03): 49-51.

[3] 王春亮. 电气自动化技术与火力发电厂的发展和创新研究[J]. 机械管理开发, 2022, 37

(07): 338-340.

[4] 高德民 . 火电厂的电气自动化技术创新 [J]. 电子测试 , 2018, (16): 106-107.

[5] 童亮 . 电气自动化技术在火力发电中应用研究 [J]. 现代物业 ( 中旬刊 ), 2018, (05): 44.

作者简介：范亚（1990.09）男，汉族，湖南长沙，本科，工程师，从事火力发电厂集控运行工作